6. △ABCの内部に1点を勝手にとり、その点をPとする。このとき、3つの角∠PAB,∠PBC,∠PCAのうち少なくともひとつの角は30゜以下であることを証明せよ
上記3つの角度が30°より大きいとする・・・・・・・・・・・・・・・・・☆
(i)
Bを通りBCとのなす角が30°である直線をL_B
Cを通りCAとのなす角が30°である直線をL_Cとする
L_B,L_Cとの交点をD、L_CとABとの交点をFとする
このとき三角形ABC内部でPが動ける範囲は三角形BDF内部である
ここに周上は除く
ここでBAD≦30°であることを示す
(ii)
∠BCDを固定してたとき∠BADが最大になるのは△BADの外接円の中心をOとおくときOA⊥ACのときである
(証明)
△BADの外接円が直線ACと交わるA以外の交点をA'とする
AA’の中点をNとおくと
sin(∠BAD)=BD/2OAまた∠BCDは固定されているのでBDは一定
ゆえにOAが最小になるとき∠BADが最大になる
ここにOA=OA'≧ON 等号が成立するのは外接円がACと接するときすなわち
N=AかつOA=ON⊥AC
(iii)
∠BADが最大になるのはOA⊥ACかつOB⊥BCのときである
(証明)
△ABDの外接円がBCと交わるB以外の点をB'とし,BB'の中点をMとすると
(ii)と同様の議論によりOB⊥BCを得る
(ii),(iii)を同時に満たすのは∠BAD=30°のときでたしかに存在する
ここに(i)より∠BAP<∠BAD_{max}=30°であるから☆に矛盾する
よって3つの角∠PAB,∠PBC,∠PCAのうち少なくともひとつの角は30゜以下である