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第1問

三角形 ABCABC の垂心を HH とする。MM, NN をそれぞれ辺 ABAB, ACAC の中点とする。HH が四角形 BMNCBMNC の内部にあり、三角形 BMHBMH と CNHCNH の外接円が互いに接しているとする。HH を通り BCBC に平行な直線が三角形 BMHBMH と CNHCNH の外接円とそれぞれ点 KK, LL で交わるとする。MKMK と NLNL の交点を FF とし、三角形 MHNMHN の内心を JJ とする。FJ=FAFJ = FA であることを証明せよ。
ステップ 5/7: F は三角形 AMN の外心である
∠MHN+∠MFN=180∘⟹M,F,N,H concyclic;FA=FM=FN\angle MHN+\angle MFN=180^\circ \Longrightarrow M,F,N,H\ \text{concyclic}; \qquad FA=FM=FN
詳しい解説

ステップ3〜4より ∠MHN=180∘−2∠BAC\angle MHN=180^\circ-2\angle BAC と ∠MFN=2∠BAC\angle MFN=2\angle BAC の和は 180∘180^\circ なので、M,F,N,HM,F,N,H は同一円上にある。FM=FNFM=FN(ステップ4の底角が等しいことから)、∠MFN=2∠BAC\angle MFN=2\angle BAC、そして FF は MNMN に関して AA と同じ側にあるので、FF はちょうど三角形 AMNAMN の外心である。よって FA=FM=FNFA=FM=FN。