Các chuyên đề hình học dành cho các bạn THCS - Chuyên đề 3: Hệ thức lượng trong đường tròn và hàng điểm điều hòa dưới góc nhìn kiến thức THCS

Nội dung text: Các chuyên đề hình học dành cho các bạn THCS - Chuyên đề 3: Hệ thức lượng trong đường tròn và hàng điểm điều hòa dưới góc nhìn kiến thức THCS

1. Các chuyên đề hình học dành cho các bạn THCS(Số 3) Nguyễn Duy Khương-khoá 1518 chuyên Toán-THPT chuyên Hà Nội Amsterdam Đôi điều về chuyên mục: Ở chuyên mục mới mở này tôi sẽ trình bày các chuyên đề liên quan tới hình học phẳng qua các kì thi vào lớp 10, thi chọn HSG TP lớp 9. Mỗi tháng tôi sẽ viết một chuyên đề như vậy. Mong các bạn ủng hộ, đặc biệt là các bạn lớp 9 sắp chuẩn bị bước vào kì thi chuyên cam go. Do giới hạn kiến thức cho học sinh lớp 9 rất khó tránh việc các lời giải có lúc sẽ khá là dài(do phải xét nhiều trường hợp hình vẽ khác nhau) mong các bạn, thầy cô thông cảm. Chuyên đề số 3: Hệ thức lượng trong đường tròn và hàng điểm điều hoà dưới góc nhìn kiến thức THCS I) Một số hệ thức lượng trong đường tròn : Ở lớp 9 trong chương tứ giác nội tiếp có xuất hiện một số bài tập liên quan tới tứ giác nội tiếp và các hệ thức trong lượng trong đường tròn. Sau đây tôi sẽ nêu lại chúng và bổ sung thêm một số hệ thức khác về hàng điểm điều hoà cần thiết và quan trọng. 1) Cho tứ giác ABCD nội tiếp (O). Gọi giao điểm của AD, BC là điểm M. Thế thì MA.MD = MB.MX = OM 2 − R2. Giả M nằm ngoài (O) nếu ta kẻ các tiếp tuyến MS, MT đến (O)(S, T lần lượt là các tiếp điểm) thì MS2 = MT 2 = MA.MD = MB.MC. 2) Cho tứ giác ABCD nội tiếp (O). Gọi AC ∩ BD = N. Thế thì NA.ND = NB.NC = R2 − ON 2(đây là trường hợp N nằm trong tứ giác ABCD). 3) Từ 1 điểm E ngoài đường tròn kẻ cát tuyến EF K đến (O). Kẻ các tiếp tuyến 1
2. EX, EY đến (O). Gọi XY ∩ EF = I. Chứng minh các hệ thức sau: IF FE +) = IK EK +) Gọi M là trung điểm IE. Khi đó: ME2 = MI2 = MF.MK(Hệ thức Newton). +) Gọi N là trung điểm FK. Chứng minh rằng: EI.EN = EF.EK(Hệ thức Maclaurin). Cũng cần chú ý hệ thức sau cũng gọi là hệ thức Maclaurin: IE.IN = IF.IK. Chứng minh: Các hệ thức ở 1) 2) đều khá cơ bản do đó ở đây tôi sẽ nêu chứng minh các hệ thức ở 3). Lưu ý là nếu có 1 trong ba hệ thức ở 3)(không nhất thiết là có các giả thiết về tứ giác nội tiếp) thì ta sẽ có hai hệ thức còn lại. Ta đi chứng minh các hệ thức trên là tương đương nhau. Giả sử ta có hệ thức Maclaurin, thế thì: ME2 = MF.MK ⇔ ME2 = (EF −ME)(EK −ME) ⇔ ME2 = EF.EK +ME2 −ME(EF +EK) ⇔ EF.EK = EI EI (EF + EK) = 2EN. = EN.EI(đúng). Do đó nếu có hệ thức Maclaurin thì 2 2 ta có hệ thức Newton. Ta quay lại hệ thức thứ nhất, giả sử nếu ta cũng có sẵn hệ 2
3. IF FE thức Maclaurin thế thì: = ⇔ IK.EF = EK.IF ⇔ (EK − EI)EF = IK EK (IK + EI)IF ⇔ EI.EN − EI.EF = EI.IF + IK.IF ⇔ EI(EN − EF − IF ) = IK.IF ⇔ IE.IN = IF.IK(đúng theo hệ thức Maclaurin). Như vậy là cả ba hệ thức trên tương đương nhau miễn là mình có sẵn một hệ thức đúng. Hệ bốn điểm thoả mãn hệ thức thứ nhất người ta thường gọi là hàng điểm điều hoà. Do vấn đề về độ dài đại số chưa được trình bày tường minh ở cấp THCS do đó tôi chỉ nêu cách chứng minh trên phụ thuộc hình vẽ, mong bạn đọc thông cảm. Bây giờ ta quay lại bài toán chứng minh ở hệ thức số 3, ta có được cả ba điều bởi: Gọi S là trung điểm XY . Hiển nhiên do N là trung điểm FK thế thì tứ giác NISO nội tiếp áp dụng hệ thức 1) thì ta có: EI.EN = ES.EO = EX2 = EF.EK tức là có được hệ thức Maclaurin luôn đúng do đó hiển nhiên như đã chứng minh ở trên nếu có 1 trong 3 hệ thức đúng thì đương nhiên hệ thức còn lại cũng đúng. Nhận xét: Các hệ thức trên đều có chiều ngược lại tức là cũng đồng thời là các cách chứng minh các điểm đồng viên, cách chứng minh tiếp tuyến đường tròn, Bây giờ để các bạn hiểu rõ hơn ý nghĩa của các hệ thức lượng trong đường tròn tôi sẽ giới thiệu một số bài toán luyện tập. Việc có được nền tảng các hệ thức lượng trong đường tròn rất quan trọng không chỉ đối với các học sinh cấp 2 mà còn cả với các học sinh cấp 3 khi bắt đầu tiếp xúc với các khái niệm mới. Chính vì lẽ đó mà càng ngày thì các hệ thức lượng trong đường tròn càng được các trường lấy làm nội dung thi vào chuyên, cũng như xuất hiện nhiều trong các kì thi HSG lớp 9. II) Các bài toán ứng dụng: Bài toán 1(Tuyển sinh vào chuyên Toán các THPT chuyên TPHCM): Cho điểm M nằm ngoài đường tròn (O). Kẻ các tiếp tuyến MA, MB đến (O) với các tiếp điểm A, B. Gọi H là giao của AB và OM, I là trung điểm MH. AI ∩ (O) = K, A. a) Chứng minh rằng: HK ⊥ AI. ◦ b) Chứng minh rằng: ∠MKB = 90 . 3
4. Lời giải: a) Gọi MO ∩ (O) = D, E(như trên hình vẽ). Áp dụng hệ thức Newton 2 2 ◦ thì: IH = IM = ID.IE = IK.IA hiển nhiên là ∠IHA = 90 , do đó theo hệ thức lượng trong tam giác vuông đảo thì: HK ⊥ AI(đpcm). b) Từ a) suy ra: ∠KHI = ∠KAB = ∠MBK(do MB tiếp xúc (O)). Vậy là tứ giác ◦ MKHB nội tiếp do đó ∠MKB = 90 (đpcm). Nhận xét: Có thể thấy việc sử dụng các hệ thức trong 3) đã giúp làm ngắn gọn đi lời giải rất nhiều xong tôi rất lưu ý các bạn là cần phải chứng minh lại các hệ thức này lúc bước vào phòng thi. Bài toán 2(Thi vào lớp chuyên Toán chuyên ĐHSP 2016-2017): Cho tam giác ABC nhọn có AB < AC. Kẻ đường cao AH. Đường tròn đường kính AH cắt AB, AC tương ứng tại điểm D, E. Đường thẳng DE cắt BC tại điểm S. a) Chứng minh rằng: BDEC nội tiếp. b) Chứng minh rằng: SB.SC = SH2. c) Đường thẳng SO cắt AB, AC tại M, N tương ứng, đường thẳng DE cắt HM, HN lần lượt tại các điểm P, Q tương ứng. Chứng minh rằng: BP, CQ, AH đồng quy. 4
5. Lời giải: a) Gọi (I) là đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC. Ta thấy rằng theo hệ thức lượng cho các tam giác vuông AHB và AHC thế thì: AD.AB = AE.AC(= AH2). Do đó thu được: B, D, E, C đồng viên. 2 b) Ta để ý thấy: ∠SHD = ∠HED(do SH tiếp xúc (O)) vậy SH = SE.SD = SB.SC vậy ta có: SH2 = SB.SC. BM BS BS c) Gọi K là điểm đối xứng H qua S. Ta có: SOkAK do đó = = , lại MA SK SH SB BH có: SB.SC = SH2 nên SB.HC = SH(SH − SB) = SH.BH do đó = do SH HC BM HB đó = do đó MHkAC. Điều đó dẫn tới BDHP nội tiếp hay là BP ⊥ MH MA HC suy ra BP ⊥ AC. Hoàn toàn tương tự CQ ⊥ AB. Vậy ta có: BP, CQ, AH lần lượt là các đường cao của tam giác ABC nên chúng đồng quy tại 1 điểm(đpcm). Bài toán 3: Cho tam giác ABC và các điểm D, E, F lần lượt thuộc BC, CA, AB sao DB SB cho AD, BE, CF đồng quy. Giả sử EF ∩ BC = S. Chứng minh rằng: = . DC SC Lời giải(Bạn đọc tự vẽ hình): Áp dụng định lí Ceva cho AD, BE, CF đồng quy DB EA FB thì: . . = 1. Áp dụng định lí Menelaus cho cát tuyến S, E, F của tam DC EC FA SC EA FB giác ABC thì: . . = 1. Chia vế cho vế dĩ nhiên ta được đpcm. SB EC FA 5
6. Nhận xét: Bài toán trên cực kì quan trọng và là một gạch nối lớn để ta có được cách làm các bài toán khác. Bài toán 4(Tuyển sinh vào chuyên Toán chuyên Vĩnh Phúc 2013-2014): Cho tam giác ABC nhọn(AB < AC). Gọi D, E, F lần lượt là chân đường cao hạ từ A, B, C. Gọi P = BC ∩ EF . Đường thẳng qua DkEF cắt AB, AC, CF lần lượt tại Q, R, S. Chứng minh rằng: a) Tứ giác BQCR nội tiếp. b) D là trung điểm QS. c) (P QR) chia đôi BC. ◦ Lời giải: a) Ta có: ∠CFB = ∠BEC = 90 do đó tứ giác BF EC nội tiếp. Vậy là ∠QBC = ∠F EC = ∠QRC do đó BQCR nội tiếp. DQ DB SD DC b) Theo định lí T hales thì: = và = do đó đpcm tương đương với: PF BP PF CP PB DB = (đúng theo bài toán 3). PC DC 6
7. c) Gọi M là trung điểm BC. Do tứ giác BQCR nội tiếp nên DB.DC = DQ.DR. Áp dụng hệ thức Maclaurin cho hàng điểm điều hoà DP BC(đã chứng minh ở bài toán 3) thì hiển nhiên là DP.DM = DB.DC = DQ.DR do đó ta thu được đpcm. Nhận xét: Cả hai ý b) c) của bài toán này đều có thể mở rộng lên cho ba đường đồng quy chứ không nhất thiết cứ phải là đường cao. Bài toán 5(China TST 2012): Cho tứ giác bàng tiếp ABCD đường tròn (O) và nội tiếp đường tròn (J). CD tiếp xúc đường tròn (O) tại điểm T . Hai đường chéo gặp nhau ở P . Dựng 1 đường tròn qua A, B và tiếp xúc (O) tại điểm S. ◦ Chứng minh rằng: ∠P ST = 90 . Lời giải: Gọi X, Y, Z, T lần lượt là các tiếp điểm của ABCD và (O) như hình vẽ. Ta gọi tiếp tuyến từ S của (O) cắt AB tại điểm I, YZ cắt AB tại điểm M. Do tứ giác ABCD bàng tiếp nên có hàng điểm điều hoà ABMX(bạn đọc thử chứng minh như một bài tập) mà ta lại có: IS2 = IX2 = IB.IA nên theo hệ thức Newton thì I là trung điểm của MX. Do đó thu được MP SX nội tiếp đường tròn tâm I. Đến đây ta thực hiện biến đổi góc bình thường ,có: ∠P ST = ∠P SX − ∠T SX = ◦ ∠AMP − ∠PXM = 90 (đpcm). 7
8. Nhận xét: Ở đây ta thường không biết cách dựng 2 giả thiết tiếp xúc đặc biệt đó là tứ giác bàng tiếp đồng thời nội tiếp. Sau đây là cách dựng: +) Ta biết tính chất về việc các đường nối tiếp điểm tương ứng của tứ giác bàng tiếp và nội tiếp vuông góc với nhau do đó ta sẽ dựng đường tròn tiếp xúc trước(bàng tiếp tứ giác). Dựng 1 đường tròn (I) và 2 dây cung XY, ZT vuông góc phân biệt. +) Sau đó vẽ các tiếp tuyến tại X, Y, Z, T của (I) giao nhau tại 4 điểm thoả mãn tính chất. Cuối cùng để các bạn luyện tập xin đề nghị một số bài tập: Bài toán 6(Đề dự bị chuyên Trần Phú-Hải Phòng 2016-2017) Cho tam giác ABC nội tiếp đường tròn (O). AA1, BB1 là các đường cao của tam giác ABC. Gọi M là trung điểm AB. CM cắt (CA1B1), (O) lần lượt tại P, Q. Chứng minh rằng: MP = MQ. Bài toán 7(trích VMO 2016-ngày 1): Cho tam giác ABC nội tiếp (O) và M là trung điểm của BC. (AM = 2R) cắt AB và AC lần lượt tại E và F khác A. Tiếp tuyến tại E và F của (AEF ) cắt nhau tại T . Chứng minh rằng: TB = TC. Bài toán 8(Trần Quang Hùng-T12/466-THTT): Cho tam giác ABC nhọn không cân nội tiếp đường tròn (O). Lấy P là 1 điểm thuộc tam giác ABC sao cho AP vuông góc BC. Kẻ P E, P F lần lượt vuông góc AB, AC( E, F thuộc AB và AC). Đường tròn ngoại tiếp tam giác AEF cắt lại (O) tại G. Chứng minh rằng GP, BE, CF đồng quy tại 1 điểm. Mình lưu ý là có rất nhiều các hệ thức lượng trong đường tròn quan trọng khác(đặc biệt là định lí P tolemey). Xong để rõ ràng và chi tiết mình sẽ đề cập tới chúng trong các chuyên đề sau. 8