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第4問

三角形 ABCABC の外接円を Ω\Omega、外心を OO とする。中心 AA の円 Γ\Gamma は線分 BCBC と2点 DD, EE で交わり、BB, DD, EE, CC はすべて異なり、この順に直線 BCBC 上に並んでいるとする。FF, GG を Γ\Gamma と Ω\Omega の交点とし、AA, FF, BB, CC, GG がこの順に Ω\Omega 上に並んでいるとする。KK を三角形 BDFBDF の外接円と線分 ABAB の2つ目の交点とし、LL を三角形 CGECGE の外接円と線分 ACAC の2つ目の交点とする。直線 FKFK と GLGL が異なり、点 XX で交わるとする。XX が直線 AOAO 上にあることを証明せよ。
ステップ 4/5: 2つの四角形はホモテティの関係にある
ざっくり言うと

2つの四角形の対応する4組の辺が平行であることは、それらを支える直線の交点を中心とするホモテティを強いる。

FBDF2 and G2ECG are homothetic through FG∩BCFBDF_2 \ \text{and}\ G_2ECG \ \text{are homothetic through } FG\cap BC
詳しい解説

前段の4つの平行関係により、四角形 FBDF2FBDF_2 と四角形 G2ECGG_2ECG は対応する4組の辺すべてが平行である(一方の組で FD∥G2CFD\parallel G_2C、F2D∥GCF_2D\parallel GC、もう一方の組で FB∥G2EFB\parallel G_2E、F2B∥GEF_2B\parallel GE)ことが分かる。したがってこれらはホモテティの関係にあり、その中心は直線 FGFG と BCBC の交点である。