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第2問

鋭角三角形 ABCABC において、角 AA の内角の二等分線が BCBC と交わる点を LL とし、三角形 ABCABC の外接円と再び交わる点を NN とする。点 LL から ABAB、ACAC にそれぞれ垂線を下ろし、その足を KK、MM とする。四角形 AKNMAKNM と三角形 ABCABC の面積が等しいことを証明せよ。
ステップ 4/5: AN と KM は AKNM の垂直な対角線である
ざっくり言うと

AKNMAKNM は実質的に AKLMAKLM と同じ凧形であり、長い対角線を LL から NN まで伸ばしただけである——凧形の対角線をその直線に沿って伸ばしても、面積公式 12d1d2\tfrac12 d_1 d_2 は成り立ち続ける。

[AKNM]=12⋅AN⋅KM[AKNM] = \frac{1}{2}\cdot AN \cdot KM
詳しい解説

AA、LL、NN は同一直線上(円まで延長した二等分線上)にあるから、線分 ANAN は ALAL と同じ直線上にあり、KM⊥ALKM\perp AL であるのと同様に KM⊥ANKM\perp AN である。したがって ANAN と KMKM は四角形 AKNMAKNM の二本の対角線であり、互いに垂直であるから、その面積は対角線の積の半分である:[AKNM]=12AN⋅KM[AKNM]=\tfrac12 AN\cdot KM。