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第1問

凸四角形 ABCDABCD を考える。点 PP は ABCDABCD の内部にある。次の比の等式が成り立つ:∠PAD:∠PBA:∠DPA=1:2:3=∠CBP:∠BAP:∠BPC\angle PAD : \angle PBA : \angle DPA = 1 : 2 : 3 = \angle CBP : \angle BAP : \angle BPC。次の三直線が一点で交わることを証明せよ:角 ∠ADP\angle ADP と ∠PCB\angle PCB の内角の二等分線、および線分 ABAB の垂直二等分線。
ステップ 2/6: 共点となる点を予想する:三角形 APBAPB の外心
ざっくり言うと

ABAB の垂直二等分線は、辺 ABAB 上に構成されるどの三角形の外心も自動的に通るので、この点は二つの角の二等分線と照らし合わせて試す自然な候補となる。

O=circumcenter of △APBO=\text{circumcenter of }\triangle APB
詳しい解説

OO を三角形 APBAPB の外心とする。OA=OBOA=OB であるから、定義により点 OO は線分 ABAB の垂直二等分線上にある。あとは OO が ∠ADP\angle ADP と ∠PCB\angle PCB の内角の二等分線上にもあることを示せばよい。