解答

(2) BA の延長線上に E を
EC と AD が平行となるようにとる。
∠AEC = ∠BAD = ∠DAC = ∠ACE
なので 僊CE は二等辺三角形である。
つまり AC = AE である。
AD と EC が平行なので
 AB : AE = BD : DC
以上より AB : AC = BD : DC を得る。

(2) BD : DC = AB : AC = 2 : 4 = 1 : 2 なので
x = BD とおくと DC = 2x である。
F を AC の中点とする。
 僊BD と 僊FD において
 ∠BAD = ∠FAD, AB = 2 = AC/2 = AF, AD は共通なので
この二つは合同である。
よって DB = DF である。
F は AC の中点なので
DA2 + DC2 = 2(DF2+FA2)
これより
1 + 4x2 = 2(x2+4)
これより x = root(14)/2 を得て
BC = 3 root(14)/2 を得る。
∠BAD を θ とおくと、余弦公式より
4 cos θ = 4 + 1 - 7/2 つまり cos θ = 3/8; を得る。
よって sin θ = root(55)/8 を得る。
僊BC の面積は
僊BD の面積と 僊DC の面積の和に等しい。
(2×1×sin θ)/2 + (4×1×sin θ)/2 を計算 して
僊BC の面積 3 root(55)/8 を得る。  
これは 2003年に千葉大学前にでた問題です。 (参照)  
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