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第1問

三角形 ABCABC の AA-傍心を JJ とする。この傍接円は辺 BCBC に MM で、直線 ABAB,ACAC にそれぞれ KK,LL で接する。直線 LMLM と BJBJ の交点を FF、KMKM と CJCJ の交点を GG とし、SS を直線 AFAF と BCBC の交点、TT を直線 AGAG と BCBC の交点とする。MM が STST の中点であることを示せ。
ステップ 5/5: S と T の正規化座標の平均をとる
ざっくり言うと

二点が正規化重心座標(成分の和が 1)で書かれてしまえば、その中点は二つの座標の三つ組の成分ごとの平均にすぎず、ここではその平均が寸分違わず M に一致する。

S+T2=(0,a−b+c2a,a+b−c2a)=(0,s−ba,s−ca)=M\dfrac{S+T}{2}=\left(0,\dfrac{a-b+c}{2a},\dfrac{a+b-c}{2a}\right)=\left(0,\dfrac{s-b}{a},\dfrac{s-c}{a}\right)=M
詳しい解説

正規化重心座標において、二点の中点は座標ごとの平均である。S=(0,a+ca,−ca)S=(0,\tfrac{a+c}{a},-\tfrac{c}{a}) と T=(0,−ba,a+ba)T=(0,-\tfrac{b}{a},\tfrac{a+b}{a}) の平均をとると(2(s−b)=a−b+c2(s-b)=a-b+c と 2(s−c)=a+b−c2(s-c)=a+b-c を用いて)S+T2=(0,a−b+c2a,a+b−c2a)=(0,s−ba,s−ca)=M\dfrac{S+T}{2}=\left(0,\dfrac{a-b+c}{2a},\dfrac{a+b-c}{2a}\right)=\left(0,\dfrac{s-b}{a},\dfrac{s-c}{a}\right)=M となる。したがって MM は STST の中点である(実際 MS=MT=sMS=MT=s である)。