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第1問

正三角形 ABCABC の辺上に六点を取る: BCBC 上に A1,A2A_1, A_2、CACA 上に B1,B2B_1, B_2、ABAB 上に C1,C2C_1, C_2 とし、これらが辺の長さの等しい凸六角形 A1A2B1B2C1C2A_1A_2B_1B_2C_1C_2 の頂点をなすようにする。直線 A1B2A_1B_2、B1C2B_1C_2、C1A2C_1A_2 が一点で交わることを証明せよ。
ステップ 6/6: 三本の垂直二等分線が一点で交わる
ざっくり言うと

他の二点から等距離にある二点を通る直線は、その二点を結ぶ線分の垂直二等分線でなければならない。

C1A2⊥-bisects B2C2,A1B2⊥-bisects C2A2,B1C2⊥-bisects A2B2C_1A_2\perp\text{-bisects }B_2C_2,\quad A_1B_2\perp\text{-bisects }C_2A_2,\quad B_1C_2\perp\text{-bisects }A_2B_2
詳しい解説

六角形の C1C_1 における辺は等しいので C1B2=C1C2C_1B_2=C_1C_2、すなわち C1C_1 も B2B_2 と C2C_2 から等距離にある。前のステップの A2B2=A2C2A_2B_2=A_2C_2 と合わせて、A2A_2 と C1C_1 はともに B2C2B_2C_2 の垂直二等分線上にあるので、直線 C1A2C_1A_2 がその垂直二等分線である。頂点を巡回させた同じ議論により、A1B2A_1B_2 と B1C2B_1C_2 がそれぞれ C2A2C_2A_2 と A2B2A_2B_2 の垂直二等分線であることが分かる。これらはまさに三角形 A2B2C2A_2B_2C_2 の三辺の垂直二等分線であり、したがって A1B2A_1B_2、B1C2B_1C_2、C1A2C_1A_2 はその外心で一点に交わる。