MathLabs

第3問

凸六角形の各対向辺について、その中点間の距離 pp は二辺の長さの和の 32\frac{\sqrt3}{2} 倍である。この六角形が等角であることを証明せよ。
ステップ 2/7: 中点条件を鋭い不等式に直す
ざっくり言うと

中点の公式が左辺を与え、三角不等式が右辺を与える。

∣u+v∣≥3∣u−v∣,∣v+w∣≥3∣v−w∣,∣w−u∣≥3∣w+u∣|\mathbf u+\mathbf v|\ge\sqrt3|\mathbf u-\mathbf v|,\quad |\mathbf v+\mathbf w|\ge\sqrt3|\mathbf v-\mathbf w|,\quad |\mathbf w-\mathbf u|\ge\sqrt3|\mathbf w+\mathbf u|
詳しい解説

対辺 AB,DEAB,DE について、中点公式と仮定から ∣u+v∣=3(∣AB∣+∣DE∣)|\mathbf u+\mathbf v|=\sqrt3(|AB|+|DE|) を得る。一方、u−v=(A−B)+(E−D)\mathbf u-\mathbf v=(\mathbf A-\mathbf B)+(\mathbf E-\mathbf D) なので、三角不等式より ∣AB∣+∣DE∣≥∣u−v∣|AB|+|DE|\ge|\mathbf u-\mathbf v| である。従って ∣u+v∣≥3∣u−v∣|\mathbf u+\mathbf v|\ge\sqrt3|\mathbf u-\mathbf v|。他の二組にも同じ議論を適用すると ∣v+w∣≥3∣v−w∣|\mathbf v+\mathbf w|\ge\sqrt3|\mathbf v-\mathbf w| と ∣w−u∣≥3∣w+u∣|\mathbf w-\mathbf u|\ge\sqrt3|\mathbf w+\mathbf u| を得る。