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JJMO2022本選問4を解こう(複素)

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先日行われたジュニア数学オリンピック本選で問4に幾何が配置されたのでこの記事ではこの問題を解説しようと思います.

注意の見出し

解答に複素座標を用います.詰まったときはこの記事を参照しましょう(宣伝).
https://mathlog.info/articles/1204

問題

AB<ACなる鋭角三角形ABCがある.線分BCの垂直二等分線と直線AB,ACとの交点をそれぞれD,Eとし,線分DEの中点をMとする.三角形ABCの外接円と直線AMAでない点Pで交わっており,3点M,A,Pはこの順に並んでいる.このとき,BPE=90が成り立つことを示せ.

図

解説

ある程度複素座標に慣れていれば30分で計算が終わる(どこかでミスをすることを含めても高々60分)と見積もれるでしょう.以下,解答です.※印のところは後で補足,備考を書きます.

三角形ABCの外接円の方程式を|z|=1とし,A(1),B(b),C(c)とする.※1
AB:z+bz=b+1, AC:z+cz=c+1
また,線分BCの垂直二等分線の方程式はzbcz=0
これら3式より,D(c(b+1)c+1),E(b(c+1)b+1)※2なので,M(m)とすると,m=b2c+bc2+4bc+b+c2(b+1)(c+1)である.
ここで,Pの座標はA(1),M(m)より,1mm1である.1mを計算すると,
1m=2(b+1)(c+1)(b2c+bc2+4bc+b+c)2(b+1)(c+1)=(bc1)(b+c+2)2(b+1)(c+1)
したがってm1=(1m)=(bc1)(2bc+b+c)2bc(b+1)(c+1)※3
よって,Pの座標はbc(b+c+2)2bc+b+c.
ここで三角形ABCの外心についてBと対称な点をBとする※4とB(b)なので直線PBの方程式は
z+bc(b+c+2)2bc+b+c(b)z=bc(b+c+2)2bc+b+cb
すなわち,PB:(2bc+b+c)zb2c(b+c+2)z=b(c+1)(cb)
左辺について,z=b(c+1)b+1を代入したものを計算すると,
(2bc+b+c)b(c+1)b+1b2c(b+c+2)c+1c(b+1)=b(c+1)b+1((2bc+b+c)b(b+c+2))=b(c+1)(cb)
と,右辺に等しくなるので,Eは直線PB上にある.
よってBPE=90が示された.

補足

※1
初めの座標設定ですが,Aの座標は1でなくaとしても計算量は変わりません.人によってはaの方が斉次式のまま計算できて綺麗という人もいるでしょう.
さすがに外接円を|z|=1とおかずに進めるのは悪手です.Pの座標を出すところあたりで詰むと思います.

※2
当たり前といえば当たり前ですが,D,Eの座標はb,cについて対称です.
この問題ではこのことによる恩恵が受けられませんが(すぐにMの座標計算に使われてしまうので),複素座標が有効な問題は,この「座標の対称性」がありがたいことがしばしばあります.

※3
一般に直線AP(|a|=1)|z|=1が再び交わる点の座標がapap1=1aapapであることを考えると,pを計算して分子分母を計算して...とするよりはapを計算してその共役複素数を計算して,とした方が速そうです.
特に今回は1m=(bc1)(b+c+2)2(b+1)(c+1)と因数分解ができているのでなおさらです.

※4
今回はP,M,Bの共線によって題意を示しましたが,最終的なとどめの刺し方は様々です.例えばEの座標をeとして,
epep1=bを示す(実質的に今回の解答と同じ)
pbpeが純虚数であることを示してBPE=argpbpe=90を導く
などが挙げられます.

まとめ

複素はたまにですが難しめの問題に露骨に刺さります.みんなで複素座標勉強しよう!

投稿日:2022213
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投稿者

natu
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複素座標入門を終わらせたら何するか悩んでます

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