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第3問

ABCABC を三角形とする。頂点 AA から引いた中線および角の二等分線が辺 BCBC と交わる点をそれぞれ MM および NN とする。点 NN における NANA の垂線が直線 MAMA および BABA と交わる点をそれぞれ QQ および PP とし、点 PP における BABA の垂線が直線 ANAN の延長と交わる点を OO とする。このとき、QOQO が BCBC に垂直であることを証明せよ。
ステップ 2/3: nを用いて点P, Q, Oの座標を表す
ざっくり言うと

PQPQ が鉛直線(x=nx = n)であるため、PP と QQ の yy 座標は単に ABAB と AMAM の傾きに nn を掛けたものになり、すべての座標が nn に比例する形になる。

N=(n,0)  ⟹  P=(n,mn),Q=(n,m(b−c)nb+c),O=(n(m2+1),0)N = (n, 0) \implies P = (n, mn), \quad Q = \left(n, \frac{m(b-c)n}{b+c}\right), \quad O = (n(m^2+1), 0)
詳しい解説

N=(n,0)N = (n, 0) とおく。点 NN を通り ANAN(xx 軸)に垂直な直線は鉛直線 x=nx = n である。x=nx = n と直線 ABAB(y=mxy = mx)および直線 AMAM(y=m(b−c)b+cxy = \frac{m(b-c)}{b+c}x)との交点を求めると、P=(n,mn)P = (n, mn) および Q=(n,m(b−c)nb+c)Q = \left(n, \frac{m(b-c)n}{b+c}\right) となる。また、斜辺 AOAO に対する垂線 PNPN を持つ直角三角形 △APO\triangle APO において、射影の関係式 AN⋅AO=AP2AN \cdot AO = AP^2 より n⋅xO=n2+m2n2=n2(m2+1)n \cdot x_O = n^2 + m^2 n^2 = n^2(m^2 + 1) となり、O=(n(m2+1),0)O = (n(m^2 + 1), 0) が得られる。