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第4問

AB=ACAB = AC を満たす三角形 ABCABC を考える。∠CAB\angle CAB と ∠ABC\angle ABC の二等分線がそれぞれ辺 BCBC, CACA と交わる点を DD, EE とする。三角形 ADCADC の内心を KK とする。∠BEK=45∘\angle BEK = 45^\circ のとき、∠CAB\angle CAB としてありうる値をすべて求めよ。
ステップ 4/5: 45° の条件を課し t = tan x で因数分解する
t=tan⁡x:8t2(t2−4t+1)(t2+2t−1)=0t=\tan x:\qquad 8t^2\left(t^2-4t+1\right)\left(t^2+2t-1\right)=0
詳しい解説

∠BEK=45∘\angle BEK=45^\circ という条件は、ベクトル EB⃗\vec{EB} と EK⃗\vec{EK} が 45∘45^\circ の角をなすこと、すなわち EB⃗×EK⃗=EB⃗⋅EK⃗\vec{EB}\times\vec{EK}=\vec{EB}\cdot\vec{EK}(手順1〜3の座標から計算される外積と内積が等しい)と同値である。t=tan⁡xt=\tan x とおき sin⁡2x=2t1+t2\sin2x=\tfrac{2t}{1+t^2}、cos⁡2x=1−t21+t2\cos2x=\tfrac{1-t^2}{1+t^2} と表すと、すべての座標が tt の有理関数になる。分母を払うと、方程式 EB⃗×EK⃗−EB⃗⋅EK⃗=0\vec{EB}\times\vec{EK}-\vec{EB}\cdot\vec{EK}=0 はちょうど 8t2(t2−4t+1)(t2+2t−1)=08t^2\left(t^2-4t+1\right)\left(t^2+2t-1\right)=0 に因数分解される。