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第2問

三角形 ABCABC の内心を II、外接円を Γ\Gamma とする。直線 AIAI と Γ\Gamma のもう一つの交点を DD とする。EE を弧 BDCBDC(AA を含まない弧)上の点とし、FF を辺 BCBC 上の点で ∠BAF=∠CAE<12∠BAC\angle BAF=\angle CAE<\dfrac12\angle BAC を満たすものとする。GG を線分 IFIF の中点とする。直線 DGDG と EIEI の交点が Γ\Gamma 上にあることを証明せよ。
ステップ 2/6: 傍心の補題:DはB、I、Cおよび傍心から等距離
ざっくり言うと

古典的な内心・傍心の補題により、頂点 AA からの内角の二等分線が Γ\Gamma と交わる点は、BB、II、CC、および AA に対する傍心 A′A' から等距離にある。なぜなら BI⊥BA′BI\perp BA' より IA′IA' がその点を中心とする円の直径になるからである。

DI=DB=DC=DA′DI=DB=DC=DA'
詳しい解説

A′A' を AA に対する傍心とする。角度追跡により ∠DBI=∠DIB=12∠A+12∠B\angle DBI=\angle DIB=\tfrac12\angle A+\tfrac12\angle B が成り立ち、DB=DIDB=DI、同様に DC=DIDC=DI を得る。BIBI と BA′BA' は角 BB の内角二等分線と外角二等分線なので BI⊥BA′BI\perp BA' を満たし、IA′IA' は直線 AIAI 上に中心を持つ円の直径になる。その中心こそが DD であり、DI=DA′DI=DA' が従う。したがって DD は IA′IA' の中点であり、DI=DB=DC=DA′DI=DB=DC=DA' が成り立つ。