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長方形の面積を二等分するやつの証明

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どうも、YKです。
今回やってみるのは幾何問題で結構な頻度で出てくる『とある直線が長方形の中心(対角線の交点)を通るだけでその面積を二等分する』の証明です。
そういや証明はやってないし見たこともないなぁー、ってなったので挑戦してみます。
まあ、高校1年過程でできそうな証明ではありますがね。

今回はこの長方形$\rm ABCD$を使って証明していきます。
長方形とゆかいな仲間たち。
図の規格は!FORMULA[1][1416224889][0],!FORMULA[2][577326552][0],
!FORMULA[3][-1843370163][0]。が、この数値はあまり関係ない。 長方形とゆかいな仲間たち。
図の規格は$\rm AB=CD=20$,$\rm AD=BC=30$,
$\tan\,(\angle\rm EOG)=1.6$。が、この数値はあまり関係ない。

$\square{\rm ABCD};\;{\rm AC}$$\rm BD$の交点を$\rm O$とし、
$\rm O$から線分$\rm AD,\;BC,\;AB,\;CD$に下ろした垂線の足をそれぞれ点$\rm M,\;N,\;P,\;Q$として、
また、中心を通る直線と長方形の辺の交点を$\rm E, \;F$とします。

今回は$\rm E,\;F$がそれぞれ$\rm DM,\;BN$の内部にありますが、
別の所にあっても同様の方法で証明できます。
$90^\circ$回転と上下左右反転でもできるよ。

ということでやっていくぞぉ。
$S(\square{\rm ABFE})={\color{blue}S_1}$$S(\square{\rm CDEF})={\color{red}S_2}$として、
${\color{blue}S_1}={\color{red}S_2}$が証明できればオッケー。

 

① 対称性

$\rm \square ABCD$$\rm MN$に対して対称、
また直線$\rm EF$$\rm MN$に対して対称なので
$\rm DM=BN,\; EM=FN \Longrightarrow DE=BF$
$\rm AD\;/\!\!/\;BC\Longrightarrow \angle DEF=\angle DFE,\;\angle AEF=\angle CFE$
またほか長方形の性質、そして下記の多角形の合同条件から
$\rm \square ABFE\equiv\square CDEF$と言える。

ゆえに${\color{blue}S_1}={\color{red}S_2}\;\;\blacksquare$

<多角形の合同条件>

  • 対応角の大きさがそれぞれ全て同じ
  • 対応辺の長さがそれぞれ全て同じ

 

できました。いえい。
↓ のは先に思い付いたけど結構長くて本編じゃなくなったやつ。座標軸を使って

② 4分割の面積

$\rm \square ABCD$$\rm EF$$\rm MN$に対してそれぞれ対象なので
$\rm \square AMOP\equiv\square DMOQ\equiv\square BNOP\equiv\square CNOQ$が成立する。

また、対頂角の性質から$\angle\rm EOM=\angle FON$
$\rm\square OMDQ\equiv\square BPON$から$\rm OM=ON$
$\therefore \triangle\rm EOG\equiv\triangle OFN\;(RSA)$

なので${\rm {\color{purple} \triangle NFO}={\color{purple} \triangle MEO}}=t$
$\square{\rm ABNM=\square CDMN}=s$とすると
$\square{\rm ABCD}=2s$
${\color{blue}S_1}={\rm \square ABNM-\triangle NFO+\triangle MEO}=s-t+t=s$
${\color{red}S_2}={\rm \square CDMN-\triangle MEO+\triangle NFO}=s-t+t=s$
$\therefore {\color{blue}S_1}={\color{red}S_2}\quad\blacksquare$


これで十分、かな? 長方形が平行二等分線($\rm\square ABCD$からは$\rm MN$$\rm PQ$)に対して対称なのは座標平面にて証明できるかも。

それでは! またどこかでお会いしましょう。
不備・エラーなどございましたらコメントにまでお願いします。

投稿日:716
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投稿者

YK
YK
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どうも。なぜか日本語ができる韓国人です。 数学は楽しいという感情でやっています。よろしくお願いします。

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