TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA TOÁN
NGUYỄN THỊ HẢI HƯỜNG
PHÉP ĐỒNG DẠNG VỚI BÀI TOÁN
QUỸ TÍCH
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên nghành: Hình học
Người hướng dẫn khoa học
ĐINH VĂN THUỶ
HÀ NỘI – 2012
1
LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới thầy giáo Đinh Văn Thủy
đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ em hoàn thành khóa luận này.
Em cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu của
các thầy cô trong khoa Toán, đặc biệt các thầy cô trong tổ Hình Học đã góp
phần làm cho khóa luận thêm hoàn thiện.
Trong quá trình nghiên cứu, với sự hạn chế về mặt thời gian cũng như
về mặt kiến thức của bản thân, khóa luận khó tránh khỏi những thiếu sót, kính
mong được sự chỉ bảo của các thầy cô cùng những ý kiến đóng góp của các
bạn sinh viên.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên
Nguyễn Thị Hải Hường
2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan khóa luận này hoàn thành do sự cố gắng, tìm hiểu,
nghiên cứu của bản thân cùng với sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo
Đinh Văn Thủy cũng như các thầy cô trong tổ Hình Học khoa Toán trường
ĐHSP Hà Nội 2.
Một lần nữa tôi xin cam đoan rằng khóa luận này chưa từng được công
bố tại bất kì khóa luận nào khác.
Hà Nội, tháng 5 năm 2012
Sinh viên
Nguyễn Thị Hải Hường
3
4
MỤC LỤC
Mở đầu....................................................................................................... 5
Nội dung .................................................................................................... 7
Chương 1: Cơ sở lý luận............................................................................. 7
§1: Bổ túc về vấn đề định hướng ................................................................ 7
1. Mặt phẳng định hướng ......................................................................... 7
2. Góc định hướng giữa hai tia ................................................................. 7
3. Góc định hướng giữa hai đường thẳng.................................................. 7
4. Định hướng trong không gian............................................................... 8
§2: Đại cương về phép biến hình trong En (n=2, 3) .................................... 9
1. Phép biến hình và một số khái niệm liên quan...................................... 9
2. Phép biến hình afin............................................................................... 9
3. Phép biến hình đẳng cự ...................................................................... 10
4. Phép vị tự ........................................................................................ 13
5. Phép đồng dạng .................................................................................. 13
Chương 2: Ứng dụng phép đồng dạng để giải bài toán quỹ tích ............... 16
§1: Bài toán quỹ tích ................................................................................ 16
1. Định nghĩa ........................................................................................ 16
2. Chứng minh quỹ tích.......................................................................... 16
3. Giới hạn quỹ tích và biện luận quỹ tích .............................................. 16
§2: Ứng dụng phép đồng dạng để giải bài toán quỹ tích và ví dụ.............. 17
1. Phương pháp chung............................................................................ 17
2. Phát triển bài toán quỹ tích nhờ phép đồng dạng ................................ 18
3. Ví dụ ............................................................................................... 18
§3: Một số bài toán luyện tập ................................................................... 36
Hướng dẫn ............................................................................................... 38
Kết luận.................................................................................................... 46
Tài liệu tham khảo.................................................................................... 47
5
MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Hình học là một môn học có vị trí quan trọng trong toán học. Theo
quan điểm của toán học hiện đại hình học nghiên cứu các tính chất của các
hình bất biến đối với nhóm biến hình nào đó của không gian hình học. Học
hình học giúp học sinh rèn luyện tư duy, nâng cao khả năng tưởng tượng
không gian. Tuy vậy trong trường phổ thông hình học chưa được quan tâm
xứng đáng với vai trò của nó.
Phép biến hình là nội dung khá quan trọng trong chương trình toán phổ
thông. Đây là công cụ khá mạnh để giải các bài toán đồng thời còn nâng cao,
phát triển năng lực trí tuệ chung cho học sinh. Nhưng trên thực tế việc vận
dụng phép biến hình vào giải toán trong mặt phẳng và trong không gian học
sinh mới chỉ làm quen bước đầu.
Với mục đích làm sáng tỏ hơn việc vận dụng phép biến hình trong việc
giải toán tôi chọn đề tài : “ Phép đồng dạng với bài toán quỹ tích ”
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu phép đồng dạng trong phẳng và trong không gian. Ứng
dụng giải bài toán quỹ tích trong phẳng và trong không gian.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Đối tượng: Phép đồng dạng, bài toán quỹ tích.
Phạm vi nghiên cứu: Trong E2 và trong E3.
4. Nhiệm vụ
Trình bày cơ sở lý thuyết.
Nghiên cứu hệ thống kiến thức cơ bản về phép đồng dạng.
6
Xây dựng hệ thống ví dụ và bài tập về ứng dụng phép đồng dạng giải
bài bài toán quỹ tích.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu sách giáo khoa, sách tham khảo và tài liệu có liên quan.
Tổng kết từ kinh nghiệm giải toán.
7
NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN
§1: BỔ TÚC VỀ VẤN ĐỀ ĐỊNH HƯỚNG
1. Mặt phẳng định hướng
Định nghĩa
Xung quanh mỗi điểm của mặt phẳng có hai chiều quay: Chiều kim
đồng hồ và chiều ngược lại. Nếu gọi một trong hai chiều đó là chiều thuận thì
chiều kia sẽ là chiều nghịch, và như thế ta nói rằng mặt phẳng đã được định
hướng. Thông thường người ta gọi chiều ngược kim đồng hồ là chiều thuận.
2. Góc định hướng giữa hai tia
Định nghĩa
Trong mặt phẳng định hướng cho hai tia Ox và Oy, góc định hướng
giữa hai tia đầu là Ox, tia cuối là Oy được ký hiệu là (Ox, Oy) là góc thu được
khi quay Ox xung quanh O tới trùng với Oy.
Hệ thức Chales
Nếu trong mặt phẳng định hướng cho các tia OA1,…, OAn. Khi đó:
(OA1, OA2) + (OA2, OA3) +…+ (OAn-1, OAn) = (OA1, OAn) + K2Π
K Z
3. Góc định hướng giữa hai đường thẳng
Định nghĩa
Trong mặt phẳng được định hướng, cho hai đường thẳng a và b. Nếu
a∩b = {O} thì mỗi đường thẳng bị O chia làm hai tia và ta định nghĩa: Góc
định hướng giữa hai đường thẳng a và b là góc định hướng giữa hai tia ai và bi
(i=1, 2). Kí hiệu: ( a, b )
8
a1
b2
O
b1
a2
Hệ thức Chales:
Trong mặt phẳng định hướng cho các đường thẳng a1, a2, …, an. Khi
đó:
( a1 , a2 ) + ( a2 , a3 ) +… + ( an1 , an ) = ( a1 , an ) + KΠ , K Z
4. Định hướng trong không gian
a) Không gian định hướng theo trục
Trong không gian cho trục a. Khi đó xung quanh trục a có hai chiều
quay. Đặt vặn nút chai theo trục a sao cho mũi của vặn nút chai chỉ hướng
dương. Chiều quay của vặn nút chai tiến theo chiều dương của a được gọi là
chiều dương của không gian còn chiều ngược lại gọi là chiều âm của không
gian. Khi đó không gian được gọi là định hướng theo trục a.
b) Nhị diện định hướng
Cho nhị diện [α, a, β]. Nhị diện định hướng có diện đầu α, diện cuối β,
[ a , ] là nhị diện thu được khi quay diện đầu α quanh a tới trùng diện cuối β.
c) Định hướng góc tam diện
Cho góc tam diện O.ABC đỉnh O. Nếu nhìn từ O chiều quay từ A đến
B, từ B đến C là ngược chiều kim đồng hồ thì ta nói góc tam diện O.ABC có
hướng dương, ngược lại được gọi là góc tam diện có hướng âm.
9
§2: ĐẠI CƯƠNG VỀ PHÉP BIẾN HÌNH TRONG En (n=2, 3)
1. Phép biến hình và một số khái niệm liên quan
Định nghĩa
Một song ánh từ không gian En vào chính nó là một phép biến hình của En.
Phép biến hình đảo ngược
Cho phép biến hình f: En En. Khi đó ánh xạ ngược f-1 của f cũng là
một song ánh nên cũng là một phép biến hình của En. Ta gọi phép biến hình
đó là phép biến hình đảo ngược của phép biến hình f.
Phép biến hình tích
Cho f và g là hai phép biến hình của En. Dễ thấy ánh xạ tích của f và g
cũng là một song ánh của En nên nó cũng là một phép biến hình của En. Ta
gọi phép biến hình đó là phép biến hình tích của f và g.
Phép biến hình đối hợp
Phép biến hình f : En En được gọi là phép biến hình đối hợp nếu
f2 = IdEn
Điểm bất động, hình kép, hình bất động trong phép biến hình
Cho phép biến hình f: En En ta có:
Điểm MEn được gọi là điểm bất động của phép biến hình f nếu
f(M)=M.
Hình H được gọi là hình kép đối với phép biến hình f nếu f(H)= H.
Hình H được gọi là hình bất động đối với phép biến hình f nếu mọi
điểm của hình H đều bất động đối với f.
2. Phép biến hình afin
a) Định nghĩa
Phép biến hình của không gian En biến đường thẳng thành đường thẳng
được gọi là phép biến hình afin (gọi tắt là phép afin).
10
b) Tính chất
Phép afin bảo tồn tính song song của đường thẳng.
Phép afin bảo tồn sự bằng nhau của các đoạn thẳng định hướng.
Phép afin biến vectơ tổng thành tổng các vectơ tương ứng.
Phép afin bảo tồn tỉ số đơn của ba điểm thẳng hàng.
c) Định lý về sự xác định phép afin
Trong E2, cho hai tam giác ABC và A’B’C’, khi đó tồn tại duy nhất
một phép afin biến A, B, C tương ứng thành A’, B’, C’.
Trong E3, cho hai tứ diện ABCD và A’B’C’D’, khi đó tồn tại duy nhất
phép afin của E3 biến A, B, C, D tương ứng thành A’, B’, C’, D’.
d) Khái niệm hai hình cùng chiều (ngược chiều)
Trong E2, hai tam giác ABC và A’B’C’ được gọi là cùng chiều (ngược
chiều) nếu trên đường tròn ngoại tiếp chúng, chiều quay từ A tới B, từ B tới
C, từ C tới A cùng chiều (ngược chiều) quay từ A’ tới B’, từ B’ tới C’, từ C’
tới A’.
Trong E3, hai tứ diện ABCD và A’B’C’D’ được gọi là cùng chiều nếu
các góc tam diện đỉnh A cạnh AB, AC, AD và đỉnh A’ cạnh A’B’, A’C’,
A’D’ cùng chiều. Trong trường hợp ngược lại hai tứ diện được gọi là ngược
chiều nhau.
e) Phân loại
Phép afin trong En được gọi là phép afin loại 1 nếu hai hình xác định nó
cùng chiều, ngược lại ta có phép afin loại 2.
3. Phép biến hình đẳng cự
a) Định nghĩa
Phép biến hình của En bảo tồn khoảng cách giữa hai điểm bất kỳ được
gọi là phép biến hình đẳng cự (còn gọi là phép đẳng cự hay phép dời).
11
b) Tính chất
Phép đẳng cự là phép afin.
Phép đẳng cự bảo tồn độ lớn của góc.
Phép đẳng cự biến đường tròn thành đường tròn cùng bán kính, biến
mặt cầu thành mặt cầu bằng nó.
c) Sự xác định phép biến hình đẳng cự
Trong E2, cho hai tam giác bằng nhau ABC và A’B’C’, khi đó tồn tại
duy nhất một phép đẳng cự biến A, B, C tương ứng thành A’, B’, C’.
Trong E3, cho hai tứ diện ABCD và A’B’C’D’ có cạnh tương ứng bằng
nhau, khi đó tồn tại duy nhất phép đẳng cự của E3 biến A, B, C, D thành A’,
B’, C’, D’.
d) Phân loại
Phép đẳng cự được gọi là phép dời hình nếu là phép afin loại 1.
Phép đẳng cự được gọi là phép phản chiếu nếu là phép afin loại 2.
e) Một số phép đẳng cự đặc biệt
Các định nghĩa
Phép đối xứng trục
Trong E2, cho đường thẳng d. Phép biến hình của E2 cho tương ứng
mỗi điểm M M’ được xác định như sau:
- Nếu Md thì d là trung trực của đoạn thẳng MM’
- Nếu Md thì MM’
được gọi là phép đối xứng trục với trục d. Kí hiệu: Sd hay Đd
Phép đối xứng tâm
Trong En cho điểm O cố định. Phép biến hình của En biến mỗi điểm
M M’ sao cho OM ' OM được gọi là phép đối xứng tâm.
Kí hiệu: Xo hay Đo
Phép tịnh tiến
12
Trong En cho vectơ a . Phép biến hình của En biến mỗi điểm M M’
sao cho MM ' a được gọi là phép tịnh tiến theo vectơ a . Kí hiệu: Ta
Phép quay
- Trong E2, cho điểm O cố định và góc định hướng .
Phép biến hình của E2 cho tương ứng với mỗi điểm M M’ sao cho:
OM OM’
(OM , OM ')
được gọi là phép quay quanh điểm O với góc quay . Kí hiệu: Qo
- Trong E3, cho trục a và góc định hướng . Phép biến hình biến
M M’ xác định như sau: Qua M dựng mặt phẳng (P) vuông góc với a, cắt a
tại O. Định hướng mặt phẳng (P) sao cho chiều dương của không gian theo
trục a sinh ra chiều dương trên mặt phẳng (P) thì M’ là ảnh của M qua phép
quay Qo được gọi là phép quay quanh trục a với góc quay . Kí hiệu: Qa
Một số tính chất
Phép đối xứng trục Đd là phép phản chiếu, có tập điểm bất động là
đường thẳng d.
Phép đối xứng tâm Đo là phép dời hình, là phép biến hình đối hợp có
điểm bất động duy nhất là O.
Phép tịnh tiến Ta là phép dời hình, không có điểm bất động nếu
vectơ a 0 .
Phép quay là phép dời hình, luôn có điểm bất động là tâm O. Ngoài
ra :+ (Qo)-1 = Qo-
+ Nếu Qo(a)=a’ thì ( a , a ' )=
Phép quay Qo là phép dời hình, luôn có a là đường thẳng bất động.
13
4. Phép vị tự
a) Định nghĩa
Trong En cho điểm O cố định và một số k0. Phép biến hình của Encho
tương ứng mỗi điểm M thành điểm M’ sao cho OM ' kOM được gọi là
phép vị tự tâm O tỉ số k. Kí hiệu: Vok hay V(O, k)
b) Một số tính chất
+ Với k0, phép vị tự Vok có duy nhất O là điểm bất động.
+ (Vok)-1=Vo1/k
+ Phép vị tự Vok bảo tồn phương của đường thẳng.
5. Phép đồng dạng
a) Định nghĩa
Phép biến hình của không gian En (n=2, 3) biến mỗi điểm M thành
điểm M’ sao cho với cặp điểm bất kỳ M, N và cặp ảnh tương ứng M’, N’ thì
M’N’=kMN, trong đó k là một số dương xác định, được gọi là phép đồng
dạng tỉ số k. Kí hiệu: Zk
b) Các tính chất cơ bản
Phép đồng dạng bảo tồn tính thẳng hàng của ba điểm và thứ tự của
chúng trên đường thẳng chứa ba điểm đó. Cụ thể: Biến ba điểm A, B, C thẳng
hàng theo thứ tự thành A’, B’, C’ thẳng hàng cũng theo thứ tự đó.
Phép đồng dạng bảo tồn góc giữa hai đường cong trong E2.
Phép đồng dạng biến đường trong thành đường tròn, biến mặt cầu
thành mặt cầu có bán kính nhân lên với tỷ số đồng dạng.
c) Sự xác định của phép đồng dạng
Định lý 1
Trong E2, phép đồng dạng được xác định hoàn toàn duy nhất bởi một
cặp tam giác đồng dạng tương ứng.
Hệ quả
14
Phép đồng dạng là phép afin đặc biệt.
Định lý 2
Trong E3, tích một phép dời hình và một phép vị tự tỷ số k, hoặc theo
thứ tự ngược lại là một phép đồng dạng tỷ số k. Phép đồng dạng là thuận hay
nghịch tùy theo k âm hay dương.
Ngược lại, mọi phép đồng dạng tỷ số k trong E3 luôn có thể phân tích
thành tích của một phép dời hình và một phép vị tự mà tâm vị tự tùy ý, tỷ số
vị tự là k hoặc –k tùy theo phép đồng dạng là thuận hay nghịch.
Hệ quả
Trong E2, tích của một phép vị tự và một phép dời hình là phép đồng
dạng thuận. Tích của một phép vị tự và một phép phản chiếu là phép đồng
dạng nghịch.
Định lý 3
Trong E3, một phép đồng dạng Zk đều có thể phân tích thành tích của
một phép vị tự và một phép quay quanh trục với tỉ số vị tự là k tùy theo Zk là
thuận hay nghịch.
Hệ quả
Trong E2, một phép đồng dạng thuận đều là tích của một phép quay và
một phép vị tự với tâm quay và tâm vị tự trùng nhau, tỉ số vị tự bằng tỉ số
đồng dạng.
Một phép đồng dạng nghịch có thể phân tích thành tích của một phép
phản chiếu và một phép vị tự có tâm là điểm bất động của phép phản chiếu và
tỉ số vị tự bằng tỉ số đồng dạng.
d) Phân loại phép đồng dạng và hai hình đồng dạng
Phân loại
Phép đồng dạng xác định bởi hai đơn hình cùng hướng được gọi là
phép đồng dạng thuận.
15
Phép đồng dạng xác định bởi hai đơn hình ngược hướng gọi là phép
đồng dạng nghịch.
Hai hình đồng dạng
Hai hình H và H’ gọi là đồng dạng với nhau nếu có một phép đồng
dạng Z biến hình này thành hình kia: Z(H)= H
e) Điểm bất động và dạng chính tắc của phép đồng dạng
Định lý
Mọi phép đồng dạng khác đẳng cự đều có điểm bất động duy nhất.
Định lý về dạng chính tắc của phép đồng dạng
Trong E2, mọi phép đồng dạng thuận đều có thể biểu diễn được dưới
dạng tích giao hoán được của phép vị tự và phép quay.
Trong E2, phép đồng dạng nghịch biểu diễn duy nhất thành tích giao
hoán được của một phép vị tự và một phép đối xứng trục.
Trong E3, phép đồng dạng hoặc là phép đẳng cự hoặc là phép vị tự
hoặc là tích giao hoán được của một phép vị tự và một phép quay quanh trục.
16
CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG PHÉP ĐỒNG DẠNG ĐỂ GIẢI
BÀI TOÁN QUỸ TÍCH
§1: BÀI TOÁN QUỸ TÍCH
1. Định nghĩa
Bài toán quỹ tích là bài toán tìm một tập hợp những điểm (còn gọi là
một hình) có tính chất α cho trước (bởi những điều kiện nhất định).
2. Chứng minh quỹ tích
Bước 1: Tìm hiểu kĩ, nắm được các yếu tố đặc trưng của bài toán.
Bước 2: Đoán nhận quỹ tích
Hình dung được hình dạng, vị trí, kích thước của quỹ tích và có thể đi
đến được dự đoán “quỹ tích K của những điểm M có tính chất α là hình H”
Để chứng minh K={ M / M có tính chất α} là hình H, ta cần chứng
minh 2 mệnh đề:
+ K H: Tức mọi điểm có tính chất α đều nằm trên hình H (đảm bảo
tính chất không thiếu của quỹ tích)
+ H K: Tức mọi điểm nằm trên hình H đều có tính chất α (đảm bảo
tính chất không thừa của quỹ tích)
3. Giới hạn quỹ tích và biện luận quỹ tích
Trong khi chứng minh phần thuận của nhiều bài toán quỹ tích ta thường
tìm được môt hình H1 chứa tất cả các điểm M có tính chất α. Nhưng do điều
kiện hạn chế của bài toán, tập các điểm cần tìm là hình H lại chỉ là bộ phận
thực sự của hình H1. Khi đó ta cần tiến hành bước giới hạn quỹ tích nhằm loại
bỏ đi từ hình H1 những điểm có tính chất α nhưng không thỏa mãn điều kiện
bài toán để được hình H.
17
Khi một số yếu tố của bài toán chưa được xác định hoàn toàn về vị trí,
kích thước… hay trường hợp bài toán có tham số thì ta phải tiến hành biện
luận quỹ tích, tức cần phải đề cập đến tất cả các trường hợp có thể xảy ra của
quỹ tích.
§2: SỬ DỤNG PHÉP ĐỒNG DẠNG ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN QUỸ TÍCH
VÀ VÍ DỤ
1. Phương pháp chung
Giả sử Zk: En En (n=2, 3)
M M’
là một phép biến hình đồng dạng của En thì do tính chất 1-1 của phép biến
hình ta có :
-
Nếu quỹ tích của điểm M là hình H thì quỹ tích những điểm M’ là
hình H’=Zk(H).
-
Ngược lại nếu quỹ tích những điểm M’ là hình H’ thì quỹ tích
những điểm M là hình Zk-1(H’)=H.
Do đó nếu sử dụng phép biến hình vào bài toán quỹ tích thì cùng lúc cả
hai phần thuận và đảo đều được khẳng định.
Nguyên tắc chung để áp dụng phép biến hình đồng dạng vào bài toán
tìm quỹ tích những điểm M thỏa mãn một tính chất α nào đó là: lựa chọn phép
đồng dạng Zk thích hợp biến điểm M thành M’=Zk(M) sao cho quỹ tích
những điểm M’ là hình H’ tìm được dễ dàng. Khi đó do tính chất 1-1 của
phép đồng dạng ta suy ra được quỹ tích các điểm M là Zk-1(H). Ta xét ngay
phép đồng dạng Zk-1 để suy ra quỹ tích của điểm M khi biết điểm M’ chạy
trên hình H nào đó.
18
2. Phát triển bài toán quỹ tích nhờ phép đồng dạng
Từ bài toán quỹ tích tìm những điểm M có tính chất α đã giải được là
quỹ tích (C) bằng phép biến hình f hoặc tích những phép biến hình, ta biến
điểm M thành M’ rồi chuyển tính chất α của điểm M thành tính chất α’ của
điểm M’ sao cho M có tính chất α khi và chỉ khi M’ có tính chất α’. Lúc đó ta
sẽ được bài toán quỹ tích mới: Tìm quỹ tích những điểm M’ có tính chất α’
mà kết quả quỹ tích của những điểm M’ là f(C).
3. Ví dụ
Ví dụ 1
Cho một hình vuông ABCD. Một đường thẳng ∆ đi qua A cắt
đường thẳng CD ở E, đường thẳng ∆’ đi qua A vuông góc với ∆ cắt đường
thẳng BC tại F. Tìm tập hợp trung điểm I của đoạn thẳng EF.
Lời giải
Ta có : DAB EAF 90 0
900
Xét phép quay QA
: D B AD AB
’
Suy ra DC ( AD) có ảnh là BC ( AB) (do tính chất bảo toàn góc)
Từ đó ∩ DC = E ’ ∩ BC = F, vậy nên ∆ AEF vuông cân tại A.
19
∆
D
E
C
O
B
A
I
F
∆'
EF AE 2
2
2
AI
2
AE
2
AI
2
AE
AI
2
Ta có :
IAE 450
Xét phép đồng dạng Z(A,
2
, -450) : E I
2
Mặt khác, ta có E chạy trên đường thẳng CD nên I chạy trên ảnh của
đường thẳng CD qua phép đồng dạng Z(A,
2
, -450)
2
Suy ra tập hợp trung điểm I của đoạn thẳng EF là ảnh của đường thẳng
CD qua phép đồng dạng Z(A,
2
, -450)
2
20
Vậy tập hợp trung điểm I của đoạn thẳng EF là đường thẳng BD
Ví dụ 2
Cho tam giác ABC và đường thẳng d quay xung quanh A cắt BC ở
M. Gọi O, O’ thứ tự là tâm các đường tròn ngoại tiếp tam giác ABM và
ACM. Tìm tập hợp trung điểm của đoạn OO’.
Lời giải
Trên (O), ABC
1
sđ AM = AOO '
2
Trên (O’), ACB
1
sđ AM AO ' O
2
Do đó trong tam giác AOO’ và ABC đồng dạng và cùng hướng.
d
t
A
Q
O'
O
C
P
M
B
( AB, AO) ( AC, AO')
AO AO'
k1
AB AC
21
Vậy phép đồng dạng:
Z1=Z(A, -, k1) : B O , C O’, [BC] [OO’]
Khi đó gọi P, Q lần lượt là trung điểm của các đoạn BC và OO’ thì
Z1 : P Q
( AO, AQ) ( AB, AP)
AQ AP
k2
AO AB
Với và k2 không đổi
Z2=Z(A, , k2) : O Q
Mà O là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác ABM nên khi M di chuyển
trên đường thẳng BC thì O di chuyển trên đường trung trực t của đoạn AB.
Vậy tập hợp Q là đường thẳng ảnh của đường trung trực đoạn AB qua
phép đồng dạng Z2 đó là đường thẳng t’ đi qua Q và hợp với t một góc
Nhận xét
Chúng ta có thể giữ nguyên giả thiết và thay toàn bộ kết luận của bài
toán trên bằng kết luận “ Tìm tập hợp trọng tâm G của tam giác AOO’ ”.Lời
giải bài toán này cũng tương tự bài toán đã giải trên chỉ khác là xét phép đồng
dạng :
( AB, AG0 )
(G0 là trọng tâm ∆ABC)
Z3=Z(A, , k3) với k AG0
3
AB
Do đó Z3 : O G
Khi đó tập hợp trọng tâm G của tam giác AOO’ là đường thẳng t’’
=Z3(t) ảnh của đường trung trực t của đoạn AB qua phép đồng dạng Z3.
22
Ví dụ 3
Cho đường tròn tâm O và hai điểm B, C cố định nằm trên nó, A là
một điểm di động trên (O). Gọi H là trực tâm tam giác ABC.
a) Tìm tập hợp trọng tâm tam giác AOH.
b) Tìm tập hợp giao điểm của đường phân giác góc A của tam giác
ABC với đường thẳng OH.
Lời giải
A
G
J
O
K
H
C
I
B
A'
D
a)
Kẻ đường kính AA’ của đường tròn (O) và gọi R là bán kính của
đường tròn (O).
Gọi I, J lần lượt là trung điểm của các đoạn BC và AH.
Dễ thấy tứ giác BHCA’ là hình bình hành.
I là trung điểm của HA’
OI
1
AH .
2
Do B và C cố định nên I cố định, do đó vectơ OI hoàn toàn xác định.
Suy ra J T
( A)
OI
23
Gọi G là trọng tâm tam giác AOH.
2
2
Suy ra OG OJ hay G VO 3 ( J )
3
2
Như vậy G VO 3 .T
( A) tức G là ảnh của A qua phép đồng dạng
OI
2
Z1=VO 3 .T
OI
Khi A B hoặc A C thì tam giác ABC không tồn tại nên nếu kí hiệu
(C)=(O)\{B, C} thì tập hợp trọng tâm G của tam giác AOH là (C1), ảnh của (C)
qua phép đồng dạng Z1
2
Đó là đường tròn (O1, r1) bỏ đi hai điểm B1, C1 với O1=Z1(O), r1= R ,
3
B1=Z1(B), C1=Z1(C).
b)
Kéo dài OI cắt cung BC tại D thì AD là phân giác góc BAC
Ta có ODA HAD (OI // AH)
Mà ODA OAD ( tam giác OAD cân ở O) nên HAD OAD hay AD
chính là phân giác của góc HAO
Gọi K=AD HO
Theo tính chất đường phân giác ta có:
HK AH 2OI
KO AO
R
OH 2OI R
R
OK
OH
KO
R
2OI R
R
K VO2OI R ( H )
Mà AH 2OI H T
( A)
OI
R
( A)
Do đó K VO2OI RT
OI
R
Vậy K là ảnh của A qua phép đồng dạng Z 2 VO2OI RT
OI
24
Mà A chạy trên đường tròn (O) bỏ đi hai điểm B và C nên tập hợp giao
điểm K của phân giác góc BAC với đường thẳng OH là đường
(C2)=Z2((C2))=(O2, r2) \ {B2, C2} ảnh của (C) qua phép đồng dạng Z2.
Trong đó O2=Z2(O), r2
R
R , B2=Z2(B), C2=Z2(C)
2OI R
Nhận xét
Nếu không dùng phép biến hình, quỹ tích là một đường tròn hay cung
tròn thì cần phải đưa về tập hợp các điểm cách một điểm cố định một khoảng
không đổi. Việc này thường rất khó khăn.
Với bài toán trên việc phát hiện ra phép đồng dạng Z1, Z2 và sử dụng
tính chất phép đồng dạng biến đường tròn thành đường tròn đã giúp cho lời
giải của bài toán trở nên gọn gàng, dễ hiểu hơn.
Ví dụ 4
Trong mặt phẳng cho hai đường thẳng l, l’ cắt nhau tại O và một
điểm M tùy ý. Trên l, l’ lần lượt lấy các điểm P. Q sao cho M là trung
điểm của đoạn PQ. Hạ PP’ l’, QQ” l. Tìm tập hợp trung điểm của
đoạn P’Q’ khi M di động trên đường tròn (C)=(I, R) không qua O.
Lời giải
P
I
Q'
l
M
O
I'
l'
P'
Q
25