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第2問

三角形 ABCABC において、辺 ABAB 上に点 DD が存在して CDCD が ADAD と DBDB の相乗平均になるのは、sin⁡Asin⁡B≤sin⁡2C2\sin A \sin B \le \sin^2 \frac{C}{2} が成り立つとき、かつそのときに限ることを証明せよ。
ステップ 1/5: 2つの小三角形における正弦定理
CDsin⁡A=ADsin⁡C1,CDsin⁡B=BDsin⁡C2\frac{CD}{\sin A}=\frac{AD}{\sin C_1},\quad \frac{CD}{\sin B}=\frac{BD}{\sin C_2}
詳しい解説

DD を ABAB 上の点とし、C1=∠ACDC_1=\angle ACD、C2=∠DCBC_2=\angle DCB とおくと C=C1+C2C=C_1+C_2 である。△CAD\triangle CAD において、AA での角は(D∈ABD\in AB なので)そのまま AA であり、CC での角は C1C_1 なので、正弦定理より CDsin⁡A=ADsin⁡C1\dfrac{CD}{\sin A}=\dfrac{AD}{\sin C_1}。同様に △CDB\triangle CDB において BB での角は BB、CC での角は C2C_2 なので CDsin⁡B=BDsin⁡C2\dfrac{CD}{\sin B}=\dfrac{BD}{\sin C_2} を得る。