Geometry · real student question

1辺 4 cm の正三角形 ABC で、辺 AC 上の点 M と辺 BC 上の点 N が CM = BN を満たす(どちらも頂点とは一致しない)。直線 AN と BM の交点を G とする。(a) H で AB に垂直な高さ CH を引き、CH を求めよ。(b) AN = BM を示し、角 AGM を求めよ。

Question

ABC\triangle ABCAB=4 cmAB=4\ \text{cm} の正三角形である。辺 ACAC 上の点 MM と辺 BCBC 上の点 NN(いずれも頂点とは一致しない)が CM=BNCM=BN を満たす。直線 ANANBMBM の交点を GG とする。

(a) HHABAB に垂直な高さ CHABCH\perp AB を引き、CHCH を求めよ。

(b) AN=BMAN=BM を示し、AGM\angle AGM を求めよ。

Step-by-step solution

  1. (a) 正三角形では高さが中線を兼ねることを使う。 CA=CBCA=CB なので、CC から下ろした垂線の足 HHABAB の中点になり、

    AH=HB=AB2=2 cmAH=HB=\frac{AB}{2}=2\ \text{cm}

    これによって、2辺の長さが分かっている直角三角形に持ち込める。

  2. (a) 直角三角形 ACHACH で三平方の定理を使う。

    CH2=AC2AH2=4222=164=12CH^{2}=AC^{2}-AH^{2}=4^{2}-2^{2}=16-4=12

    CH=12=233.46 cmCH=\sqrt{12}=2\sqrt3\approx3.46\ \text{cm}

    これは正三角形でおなじみの 32×1辺\frac{\sqrt3}{2}\times\text{1辺} という結果で、ここでは 32×4\frac{\sqrt3}{2}\times 4 にあたる。

  3. (b) 比べるべき三角形の組を正しく選ぶ。 つい選びたくなる ABN\triangle ABNCAM\triangle CAM の組は うまくいかないAM=4CMAM=4-CM は一般に BNBN と等しくないからである。代わりに ABN\triangle ABNBCM\triangle BCM を比べる:

    AB=BC=4 (正三角形),ABN=BCM=60,BN=CM (仮定)AB=BC=4\ \text{(正三角形)},\qquad \angle ABN=\angle BCM=60^\circ,\qquad BN=CM\ \text{(仮定)}

    どちらの三角形でも、対応する2辺の間に夾角があるので、これは本物の2辺夾角相等(SAS)の対応である。

  4. (b) 2本の線分が等しいことを結論する。 2辺夾角相等より ABNBCM\triangle ABN\cong\triangle BCM であり、対応する部分から

    AN=BMAN=BM

    が得られる。さらに次に必要になる角の等式 BAN=CBM\angle BAN=\angle CBM も同時に手に入る。

  5. (b) 交点 GG のまわりで角を追いかける。 MMACAC 上にあるので、半直線 BMBMBB における 6060^\circ の角を分割する:

    ABM=60CBM\angle ABM=60^\circ-\angle CBM

    合同から得られた等しい角を足すと、

    BAN+ABM=CBM+(60CBM)=60\angle BAN+\angle ABM=\angle CBM+\left(60^\circ-\angle CBM\right)=60^\circ

    三角形 ABGABGAABB における角がまさにこの2つなので、

    AGB=18060=120\angle AGB=180^\circ-60^\circ=120^\circ

  6. (b) 問われている角に直す。 GG は線分 BMBM 上にあるので、AGM\angle AGMAGB\angle AGB は補角の関係にある:

    AGM=180120=60\angle AGM=180^\circ-120^\circ=60^\circ

    答えが MMNN の位置によらないことに注意したい。CM=BNCM=BN を保ったまま2点を辺上で動かすと、2本の線分は一緒に回転し、なす角はつねに 6060^\circ のままである。A(0,0)A(0,0)B(4,0)B(4,0)C(2,23)C(2,2\sqrt3)CM=BN=2CM=BN=2 として座標で確かめても AGM=60\angle AGM=60^\circ となり、正しいことが確認できる。

Answer

CH=23 cm,AGM=60CH=2\sqrt{3}\ \text{cm},\qquad \angle AGM=60^\circ

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