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第6問

ABCABC を外接円 Γ\Gamma をもつ鋭角三角形とする。ℓ\ell を Γ\Gamma の接線とし、ℓa\ell_a, ℓb\ell_b, ℓc\ell_c をそれぞれ ℓ\ell を直線 BCBC, CACA, ABAB に関して反射して得られる直線とする。直線 ℓa,ℓb,ℓc\ell_a,\ell_b,\ell_c が定める三角形の外接円が円 Γ\Gamma に接することを示せ。
ステップ 3/6: 新しい三角形の頂点を求める
ざっくり言うと

各頂点は反射直線のうち二本が交わる点である。対応する z と z バーに関する二つの一次方程式を連立して解き、a, b, c の対称な組み合わせを略記すると、驚くほど簡潔な式が得られる。

A′=P(a−2t)+St2t2(b+c)A'=\dfrac{P(a-2t)+St^2}{t^2(b+c)}
詳しい解説

基本対称結合を S=ab+bc+caS=ab+bc+ca、P=abcP=abc とおく。連立一次方程式 ℓb∩ℓc\ell_b\cap\ell_c を zz について解き(zz と zˉ\bar z を二つの一次方程式の未知数とみなす)、簡約すると A′=ℓb∩ℓc=A'=\ell_b\cap\ell_c=P(a−2t)+St2t2(b+c)\dfrac{P(a-2t)+St^2}{t^2(b+c)} が得られる。a→b→c→aa\to b\to c\to a と巡回置換すると、B′=ℓc∩ℓaB'=\ell_c\cap\ell_a、C′=ℓa∩ℓbC'=\ell_a\cap\ell_b についても同様の式が得られる。