第6回『算法少女』(えすとれ)

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「算法さんぽう少女しょうじょ」に出でてくる問題もんだいを解といてみよう!

問題もんだい

半円はんえんに直角三角形ちょっかくさんかくけいを内接ないせつさせ、この直角三角形ちょっかくさんかくけいの内接円ないせつえんと、弓形きゅうけい内ないにえがいた最大さいだいの円えんがあいひとしいときの外接円がいせつえんと小円しょうえんの半径はんけいの関係かんけいを問とう問題もんだいである。

えすとれ先輩
えすとれ先輩

外側そとがわにある大おおきな円えん(外接円がいせつえん)の半径はんけいRラージアールと、等ひとしい2つの内接円ないせつえん(小円しょうえん)の半径はんけいrスモールアールの関係かんけいを数式すうしきで表あらわすように求もとめている問題もんだいですね。

えすとれの解法かいほう

1.内接円ないせつえんの半径はんけいを求もとめる公式こうしきを使つかってゴールを決きめる
えすとれ先輩
えすとれ先輩

せっかく「内接円ないせつえん」と書かかれているので、公式こうしきを使つかって表あらわしてみましょう。

『三角形さんかくけいの面積めんせきの2倍ばい = 内接円ないせつえんの半径はんけい × 三角形さんかくけいの三辺さんぺんの総和そうわ』 です。
公式こうしきの証明しょうめいはリンク先さきを参考さんこうにしてください。

以降いこう、線分せんぶんBCビーシーの長ながさをa、ACエーシーの長ながさをb、ABエービーの長ながさをcと表あらわす。

三角形さんかくけいABCエービーシーは直角三角形ちょっかくさんかくけいであるから、
三角形さんかくけいの面積めんせきの2倍ばい = a × b

三角形さんかくけいの辺へんのうち、cは円えんの直径ちょっけいに等ひとしいので
c = 2Rラージアールの2倍

aba × b = r ( a + b + 2R )a + b + ラージアールの2倍に、スモールアールを掛ける

えすとれ先輩
えすとれ先輩

aとbを求もとめて、この式しきに代入だいにゅうすれば答こたえが出だせそうです!

2.aの長ながさをRラージアールとrスモールアールで表あらわす
えすとれ先輩
えすとれ先輩

次つぎは、三角形さんかくけいの外側そとがわにある小円しょうえんに注目ちゅうもくします。

外接円がいせつえんの中心ちゅうしんOから、円周えんしゅうにむかって線分せんぶんBCビーシーと平行へいこうな直線ちょくせんを引ひく。線分せんぶんACエーシーとの交点こうてんをD、円周えんしゅうとの交点こうてんをEとする。

三角形さんかくけいABCエービーシーと三角形さんかくけいAODエーオーディーは、角かくAを共有きょうゆうしBCビーシーとODオーディーが平行へいこうであるから、相似そうじである。また、点てんOが円えんの中心ちゅうしんであることにより、AOエーオー = OBオービー = Rラージアールとわかり、AOエーオー :対 ABエービー = 1 :対 2が導みちびかれる。

三角形さんかくけいAODエーオーディーと三角形さんかくけいABCエービーシーの相似比そうじひが 1 :対 2 であるから、
OD線分オーディーの長さ = a ÷ 2

線分せんぶんDEディーイーは内接円ないせつえんの直径ちょっけいであるから、
DE線分ディーイーの長さ = 2rスモールアールの2倍

線分せんぶんOEオーイーは外接円がいせつえんの半径はんけいでもあるため、
OE線分オーイーの長さ = Rラージアール

Rラージアール = 2rスモールアールの2倍 + ( a ÷ 2 )
全体ぜんたいに2をかけて、2Rラージアールの2倍 = 4rスモールアールの4倍 + a
aを求もとめる式しきになるよう移項いこうして、

a = 2Rラージアールの2倍 –ひく 4rスモールアールの4倍

3.bの長ながさをRラージアールとrスモールアールで表あらわす
えすとれ先輩
えすとれ先輩

再ふたたび、三角形さんかくけいの内接円ないせつえんに注目ちゅうもくします。

内接円ないせつえんの中心ちゅうしんをPとおく。頂点ちょうてんAと頂点ちょうてんB、それぞれからPまで角かくの二等分線にとうぶんせんを引ひく。Pから線分せんぶんABエービーへ垂直すいちょくに線せんを引ひき、交点こうてんをFとする。BCビーシー、ACエーシーについても同様どうように行おこない、交点こうてんをG、Hとする。

三角形さんかくけいAFPエーエフピーと三角形さんかくけいAHPエーエイチピーは合同ごうどうであり、三角形さんかくけいBFPビーエフピーと三角形さんかくけいBGPビージーピーもまた合同ごうどうである。四角形しかくけいPGCHピージーシーエイチは、すべての角かくが直角ちょっかくであり、隣となり合あう辺へんのPGピージー、PHピーエイチがどちらも内接円ないせつえんの半径はんけいrスモールアールに等ひとしいことから、正方形せいほうけいである。

2.の計算結果けいさんけっかより、
a = 2Rラージアールの2倍 –ひく 4rスモールアールの4倍 = rスモールアール + GB線分ジービーの長さ
GB線分ジービーの長さ = 2Rラージアールの2倍 –ひく 5rスモールアールの5倍

合同ごうどうな三角形さんかくけいの性質せいしつよりGBジービー = BFビーエフであるから
2Rラージアールの2倍 = AF線分エーエフの長さ + 2Rラージアールの2倍 –引く 5rスモールアールの5倍
AF線分エーエフの長さ = 5rスモールアールの5倍

同様どうように、AFエーエフ = AHエーエイチであるから
b = 5rスモールアールの5倍 + rスモールアール

b = 6rスモールアールの6倍

4.答こたえを求もとめる
えすとれ先輩
えすとれ先輩

必要ひつようなピースはすべて揃そろいました! 代入だいにゅうして答こたえを求もとめましょう!

1.より aba × b = r ( a + b + 2R )a + b + ラージアールの2倍に、スモールアールを掛ける
2.より a = 2Rラージアールの2倍 –ひく 4rスモールアールの4倍
3.より b = 6rスモールアールの6倍

(2R – 4r) × 6r = r ( 2R – 4r + 6r + 2R)1の式に2と3を代入
全体ぜんたいをrスモールアールで割わってから計算けいさん
12Rラージアールの12倍 –引く 24rスモールアールの24倍 = 4Rラージアールの4倍 + 2rスモールアールの2倍
8Rラージアールの8倍 = 26rスモールアールの26倍

4Rラージアールの4倍 = 13rスモールアールの13倍

答こたえは『外接円がいせつえんの半径はんけいの4倍ばいが、内接円ないせつえんの半径はんけいの13倍ばいに等ひとしくなる』

別解べつかい:ゴールを三平方さんへいほうの定理ていりにする
えすとれ先輩
えすとれ先輩

1.で設定せっていするゴールの式しきは、三平方さんへいほうの定理ていりを使つかっても解とくことができます。直角三角形ちょっかくさんかくけいならば、直角ちょっかくを挟はさむ2辺へんをそれぞれ2乗じょうしたものの和わが、斜辺しゃへんの2乗じょうに等ひとしくなるというものですね。内接円ないせつえんの半径はんけいの公式こうしきの方ほうが、表現ひょうげんが簡素かんそになったのでそちらを選択せんたくしました。

「算法さんぽう少女しょうじょ」には、他ほかにもユニークな問題もんだいが登場とうじょうします。是非ぜひ読よんで、取とり組くんでみてくださいね。

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