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2024年9月27日

三角形の外心・内心と角度

角度x,yを求めよ
「上図の角度x,yx,yをそれぞれ求めよ。
(1)の点IIABCABCの内心、(2)の点OODEFDEFの外心である。」

 角度x,yx,yはそれぞれ外心・内心の性質に着目すると求めることができます。

(1)

三角形の内心
 三角形の内心は、三角形の内接円の中心であり、内角の二等分線の交点でもあります。
三角形の内心と各頂点を結ぶ
したがって、線分BIBIを引くと、これはBBの二等分線となります。
また、線分AI, CIAI, CIもそれぞれA,CA,Cの二等分線なので、IAB=IAC=α,IAB=IAC=α, IBA=IBC=β,IBA=IBC=β, ICA=ICB=γICA=ICB=γとおくことができます。
すると、三角形の内角の和は180°180°なので、ABCABCにおいて
A+B+C=180°(IAB+IAC)+(IBA+IBC)+(ICA+ICB)=180°2α+2β+2γ=180°2(α+β+γ)=180°A+B+C=180°(IAB+IAC)+(IBA+IBC)+(ICA+ICB)=180°2α+2β+2γ=180°2(α+β+γ)=180°
となり、両辺を22で割ると
α+β+γ=90°α+β+γ=90°(a)
が導かれます。
IACIACにおいて
AIC+IAC+ICA=180°146°+α+γ=180°AIC+IAC+ICA=180°146°+α+γ=180°
となり、整理すると
α+γ=34°α+γ=34°(b)
が導かれます。
(a), (b)(a), (b)より
34°+β=90°β=56°34°+β=90°β=56°
x=B=2βx=B=2βなので両辺に22を掛けると
2β=112°2β=112°
すなわち、
x=112°x=112°
と求められます。

(2)

三角形の外心
 三角形の外心は、三角形の外接円の中心です。
同じ弦に対する中心角と円周角
したがってDEFDEFの外接円OOにおいて、DOFDOFは弦DFDFに対する中心角、DEFDEFは弦DFDFに対する円周角なので、円周角の定理より
DOF=2DEFDOF=2DEF
が成り立ちます。
DOF=y,DEF=38°DOF=y,DEF=38°なので
y=238°=76°y=238°=76°
と求められます。

別解

 (1)と似たような解き方もできます。
三角形の外心と各頂点を結ぶ
OODEFDEFの外接円の中心なので、線分EOEOを引くとDO=EO=FODO=EO=FOが成り立ち、ODE,OEF,OFDODE,OEF,OFDは二等辺三角形となります。
このことから、ODE=OED=δ,ODE=OED=δ, OEF=OFE=ε,OEF=OFE=ε, OFD=ODF=ζOFD=ODF=ζとおくことができます。
すると、DEFにおいて
D+E+F=180°(ODE+ODF)+(OED+OEF)+(OFD+OFE)=180°(δ+ζ)+(δ+ε)+(ζ+ε)=180°2δ+2ε+2ζ=180°2(δ+ε+ζ)=180°
となり、両辺を2で割ると
δ+ε+ζ=90°
が導かれます。
また、E=38°より
δ+ε=38°
なので、これを(c)に代入すると
38°+ζ=90°ζ=52°
であることがわかります。
OFDにおいて
DOF+OFD+ODF=180°y+2ζ=180°
であり、(d)を代入してyについて解くと
y+252°=180°y+104°=180°y=76°
と求められます。
(2024/11)(2)の解法に加筆しました。
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