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第4题

设 ABCDABCD 为圆内接四边形,P,Q,RP,Q,R 分别为从 DD 向直线 BC,CA,ABBC,CA,AB 作垂线的垂足。证明 PQ=QRPQ=QR 当且仅当角 ABCABC 与 ADCADC 的平分线交于线段 ACAC 上。
第 1/7 步:推出 Simson 线
通俗地说

三个垂足共线,题中的等式恰好就是中点条件。

P,Q,R are collinear, and PQ=QR  ⟺  Q is the midpoint of PRP,Q,R\text{ are collinear, and }PQ=QR\iff Q\text{ is the midpoint of }PR
详细分析

由于 DQ⊥ACDQ\perp AC、DP⊥BCDP\perp BC 且 DR⊥ABDR\perp AB,四边形 CQDPCQDP、BPDRBPDR、AQDRAQDR 都是圆内接的。使用模 180∘180^\circ 的有向角,这些圆内接关系及 ABCDABCD 的圆内接性给出 ∠(PQ,QC)=∠(PD,DC)=∠(DR,DA)=∠(QR,QA)\angle(PQ,QC)=\angle(PD,DC)=\angle(DR,DA)=\angle(QR,QA)。因为 QAQA 与 QCQC 是同一直线,PQPQ 与 QRQR 也是同一直线。因此 P,Q,RP,Q,R 共线,并且在线 PQR 上,PQ=QRPQ=QR 当且仅当 QQ 是 PRPR 的中点。