MathLabs

第4問

円に内接する四角形 ABCDABCD を考える。P,Q,RP,Q,R をそれぞれ DD から直線 BC,CA,ABBC,CA,AB へ下ろした垂線の足とする。PQ=QRPQ=QR と、角 ABCABC と ADCADC の二等分線が線分 ACAC 上で交わることが同値であることを示せ。
ステップ 1/7: シムソン線を導く
ざっくり言うと

三つの垂足は一直線上にあり、求める等式はちょうど中点条件である。

P,Q,R are collinear, and PQ=QR  ⟺  Q is the midpoint of PRP,Q,R\text{ are collinear, and }PQ=QR\iff Q\text{ is the midpoint of }PR
詳しい解説

DQ⊥ACDQ\perp AC、DP⊥BCDP\perp BC、DR⊥ABDR\perp AB なので、四辺形 CQDPCQDP、BPDRBPDR、AQDRAQDR は円に内接する。有向角を 180∘180^\circ を法として使うと、これらの円周角の関係と ABCDABCD の円周性から ∠(PQ,QC)=∠(PD,DC)=∠(DR,DA)=∠(QR,QA)\angle(PQ,QC)=\angle(PD,DC)=\angle(DR,DA)=\angle(QR,QA) を得る。QAQA と QCQC は同一直線なので、PQPQ と QRQR も同一直線である。従って P,Q,RP,Q,R は共線であり、この直線上で PQ=QRPQ=QR となることは QQ が PRPR の中点であることと同値である。