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第4問

三角形 ABCABC において、角 BCABCA の二等分線は外接円と再び RR で交わり、BCBC の垂直二等分線と PP で交わり、ACAC の垂直二等分線と QQ で交わる。BCBC の中点を KK、ACAC の中点を LL とする。三角形 RPKRPK と三角形 RQLRQL の面積が等しいことを証明せよ。
ステップ 1/4: K と L における相似な直角三角形が等しい角と辺の比を与える
ざっくり言うと

二つの垂直二等分線は角の二等分線と同じ角度 90∘−C290^\circ - \dfrac{C}{2} で交わるため、二つの直角三角形 CKPCKP と CLQCLQ は相似になる。

△CKP∼△CLQ  ⟹  PKQL=CPCQ,∠RPK=90∘+C2=∠RQL\triangle CKP \sim \triangle CLQ \implies \frac{PK}{QL} = \frac{CP}{CQ}, \qquad \angle RPK = 90^\circ + \frac{C}{2} = \angle RQL
詳しい解説

C=∠BCAC = \angle BCA とすると ∠KCP=∠LCQ=C2\angle KCP = \angle LCQ = \dfrac{C}{2} である。PK⊥BCPK \perp BC が点 KK で、QL⊥ACQL \perp AC が点 LL で成り立つので、直角三角形 CKPCKP と CLQCLQ は相似であり、PKQL=CPCQ\dfrac{PK}{QL} = \dfrac{CP}{CQ} と ∠CPK=∠CQL=90∘−C2\angle CPK = \angle CQL = 90^\circ - \dfrac{C}{2} が得られる。直線 CRCR に沿ったこれらの補角より ∠RPK=∠RQL=90∘+C2\angle RPK = \angle RQL = 90^\circ + \dfrac{C}{2} が従う。