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Geometry · real student question

三角形 ABC で AB = AC であり、D は BC の中点である。AD が BC に垂直であることを証明せよ。

Question

三角形 ABCABC において、AB=ACAB=AC であり、DD は BCBC の中点である。

AD⊥BCAD\perp BC を示せ。

Step-by-step solution

  1. 与えられた条件と、「垂直」を示すために必要になることを整理する。 与えられているのは AB=ACAB=AC(底辺 BCBC の二等辺三角形である)と BD=DCBD=DC(中点の定義)である。AD⊥BCAD\perp BC を示すには、∠ADB\angle ADB か ∠ADC\angle ADC のどちらかが 90∘90^\circ であることを示せばよい。方針は、この2つの角が等しいことを示したうえで、それらが一直線上にあるという事実を使い、どちらも直角であると結論することである。角を直接計算しようとするより、この道筋の方がはるかに見通しがよい。

  2. 三角形 ABDABD と ACDACD を比べる。 線分 ADAD はもとの三角形を2つの小さな三角形に分ける。対応する部分を並べると:

    AB=AC(仮定)AB=AC\quad(\text{仮定})

    BD=DC(D は BC の中点)BD=DC\quad(\text{D は BC の中点})

    AD=AD(共通の辺)AD=AD\quad(\text{共通の辺})

    どの組も一致するので、3辺と3辺が対応していることになる。

  3. 3辺相等(SSS)から合同を結論する。 三辺相等の条件により、

    △ABD≅△ACD\triangle ABD\cong\triangle ACD

    ここで SSS を選ぶのが正しいのは、与えられた3つの事実がすべて長さについてのものだからである。角の情報はいっさい与えられていないので、SAS や ASA を使おうとすれば、証明されていない仮定を追加することになってしまう。

  4. その等しさを DD における角に移す。 合同な三角形の対応する部分は等しく、1つ目の三角形の ∠ADB\angle ADB は2つ目の ∠ADC\angle ADC に対応するので:

    ∠ADB=∠ADC\angle ADB=\angle ADC

  5. 一直線 BDCBDC を使って値を 90∘90^\circ に確定する。 DD は線分 BCBC 上で BB と CC の間にあるので、2つの角は一直線をなす角の組であり、互いに補角である:

    ∠ADB+∠ADC=180∘\angle ADB+\angle ADC=180^\circ

    前のステップの等式を代入すると 2∠ADB=180∘2\angle ADB=180^\circ となり、したがって

    ∠ADB=∠ADC=90∘⟹AD⊥BC\angle ADB=\angle ADC=90^\circ\quad\Longrightarrow\quad AD\perp BC

    2つの事実の両方が必要だった。角が等しいだけでは 90∘90^\circ は出ず、補角であるだけでも出ない。この組み合わせが証明を閉じている。

  6. 座標を使った証明でも確認する。 底辺を対称に置く。B=(−b,0)B=(-b,0)、C=(b,0)C=(b,0) とすると中点は D=(0,0)D=(0,0) になる。AB=ACAB=AC という条件から AA は BB と CC から等距離になければならず、ある h≠0h\neq0 に対して A=(0,h)A=(0,h) となる。すると DA⃗=(0,h)\vec{DA}=(0,h)、DC⃗=(b,0)\vec{DC}=(b,0) で、その内積は

    DA⃗⋅DC⃗=0⋅b+h⋅0=0\vec{DA}\cdot\vec{DC}=0\cdot b+h\cdot0=0

    である。内積が 00 であることは2つの線分が垂直であることを意味し、初等幾何による証明が裏づけられる。おまけに同じ図から、ADAD が中線であり、高さであり、AA からの角の二等分線であり、BCBC の垂直二等分線でもあることが分かる。この4つが一致するのは、三角形が二等辺のときに限られる。

Answer

△ABD≅△ACD (SSS)⇒∠ADB=∠ADC=90∘⇒AD⊥BC\triangle ABD\cong\triangle ACD\ (\text{SSS})\Rightarrow\angle ADB=\angle ADC=90^\circ\Rightarrow AD\perp BC

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