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第2問

OO を外心とする三角形 ABCABC を考える。点 PP, QQ はそれぞれ辺 CACA, ABAB の内点とする。線分 BPBP, CQCQ, PQPQ の中点をそれぞれ KK, LL, MM とし、KK, LL, MM を通る円を Γ\Gamma とする。直線 PQPQ が円 Γ\Gamma に接するとき、OP=OQOP = OQ であることを証明せよ。
ステップ 4/4: 方べきの定理で仕上げる
ざっくり言うと

Q と P は外接円の弦 AB, CA 上にあるので、それらの外接円に関する方べきはちょうど今計算した積に等しい。

OA2−OQ2=AQ⋅QB=AP⋅PC=OA2−OP2  ⟹  OP=OQOA^2-OQ^2=AQ\cdot QB=AP\cdot PC=OA^2-OP^2 \implies OP=OQ
詳しい解説

QQ は三角形 ABCABC の外接円(中心 OO、半径 OAOA)の弦 ABAB 上にあるので、QQ の方べきにより AQ⋅QB=OA2−OQ2AQ\cdot QB=OA^2-OQ^2。PP は弦 CACA 上にあるので同様に AP⋅PC=OA2−OP2AP\cdot PC=OA^2-OP^2。手順3で AQ⋅QB=AP⋅PCAQ\cdot QB=AP\cdot PC を示したので、OA2−OQ2=OA2−OP2OA^2-OQ^2=OA^2-OP^2、よって OP2=OQ2OP^2=OQ^2 すなわち OP=OQOP=OQ を得る。■\blacksquare