SKKN Sử dụng công thức tính diện tích để chứng minh hình học THCS

SKKN Một số kinh nghiệm ứng dụng đường thẳng Simson và đường thẳng Steiner trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi hình học lớp 9 1 1 MỞ ĐẦU 1 1 Lí do chọn đề tài Trong giai đoạn hiện nay, với sự phát triể[.]

1 MỞ ĐẦU 1.1 Lí do chọn đề tài

Trong giai đoạn hiện nay, với sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin thì giáo dục luôn được coi là quốc sách hàng đầu Cùng với việc đổi mới chương trình giáo dục, đổi mới sách giáo khoa thì việc đổi mới phương pháp dạy học cũng là yêu cầu cấp thiết Việc dạy học không chỉ

là cung cấp kiến thức, kỹ năng cho học sinh mà còn phải tạo được phương pháp

tự học, nâng cao tính chủ động, tích cực và sáng tạo cho người học

Mục tiêu cao nhất của giáo dục nói chung và giáo dục Quảng Xương nói riêng là đào tạo ra những con người được phát triển toàn diện Trong chương trình giáo dục THCS, bên cạnh việc đảm bảo chất lượng đại trà, giúp đỡ học sinh yếu kém thì việc bồi dưỡng học sinh giỏi cũng có vai trò hết sức quan trọng nhằm phát huy tối đa khả năng cá nhân của học sinh

Toán học là một bộ phận khoa học có tầm hết sức quan trọng trong phát triển khoa học kỹ thuật và đời sống Việc bồi dưỡng học sinh giỏi môn toán để đào tạo ra những người giỏi toán là việc rất cần thiết

Một trong các nội dung khó của phân môn hình học đó là các bài toán liên quan đến những điểm đặc biệt, các đường đặc biệt Đây là loại toán được xuất hiện trong các đề thi học sinh giỏi và thường là khó giải

Trong các đường thẳng đặc biệt đó , đường thẳng Simson và đường thẳng Steiner với nhiều tính chất hay, đẹp có nhiều ứng dụng không chỉ trong việc giải toán mà còn giúp giáo viên sáng tạo trong việc ra đề bài theo mức độ khó dễ khác nhau,giúp nâng cao năng lực tư duy cho học sinh không chỉ ở cấp THCS

mà còn ở các cấp học cao hơn

Qua kinh nghiệm giảng dạy thực tế ở trường học, tôi nhận thấy học sinh tiếp cận các bài toán dạng này chưa hiệu quả, thiếu định hướng Các tài liệu về chủ đề này có nhiều nhưng chủ yếu dành cho học sinh Trung học phổ thông

Chính vì các lí do đó, tôi chọn đề tài “Một số kinh nghiệm ứng dụng đường thẳng Simson và đường thẳng Steiner trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi hình học lớp 9” để nghiên cứu

1.2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu khái niệm, các tính chất hình học của đường thẳng Simson và đường thẳng Steiner, mối liên hệ giữa các đường này với các điểm, đường đặc biệt khác và liên hệ với các tính chất hình học Qua đó khảo sát ứng dụng của các đường thẳng này trong việc giải các dạng toán hình học lớp 9 Cụ thể là các chủ đề hình học về : quan hệ thẳng hàng, đồng quy, vuông góc, song song, các điểm và đường cố định, các đẳng thức hình học

Thông qua việc nghiên cứu để góp phần nâng cao chất lượng, hiệu quả dạy và học môn hình học trong nhà trường, giúp giáo viên và học sinh có thêm tài liệu tham khảo

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Phần kiến thức: Lý thuyết về đường thẳng Simson và đường thẳng Steiner, bài tập ứng dụng trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi hình học 9

- Học sinh: Học sinh khá giỏi khối 9 tại trường THCS Nguyễn Du – Quảng Xương

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp quan sát: Thực trạng về công tác chỉ đạo, công tác bồi dưỡng học sinh khá, giỏi, quá trình học tập, chất lượng học tập của học sinh khá, giỏi

Phương pháp nghiên cứu tài liệu như nghiên cứu sách, giáo trình có liên quan đến kiến thức, bài tập, các đề thi có liên quan các điểm và đường đặc biệt trong hình học Nghiên cứu chất lượng học sinh Nghiên cứu công tác chỉ đạo của nhà trường đối với công tác bồi dưỡng học sinh khá, giỏi

Phương pháp tổng kết kinh nghiệm

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2.1 Cơ sở lý luận của vấn đề:

Trong quá trình giảng dạy toán cần thường xuyên rèn luyện cho học sinh các phẩm chất trí tuệ có ý nghĩa lớn lao đối với việc học tập, rèn luyện và tu dưỡng trong cuộc sống của học sinh Đối với học sinh khá giỏi, việc rèn luyện cho các em tính linh hoạt, tính độc lập, tính sáng tạo, tính phê phán của trí tuệ là những điều kiện cần thiết vô cùng quan trọng trong việc học toán

Với mục đích thứ nhất là rèn luyện khả năng sáng tạo toán học, trước mỗi bài tập tôi đã cho học sinh tìm hiểu cách giải, đồng thời người thầy giáo cũng phải gợi ý và cung cấp cho học sinh nhiều cách giải Trên cơ sở đó học sinh tự tìm ra cách giải hợp lí nhất Phát hiện ra những cách giải tương tự và khái quát đường lối chung Trên cơ sở đó với mỗi bài toán cụ thể các em có thể khái quát hóa bài toán thành bài toán tổng quát và xây dựng bài toán tương tự. 4

2.2 Thực trạng vấn đề:

Qua nhiều năm giảng dạy bộ môn toán ở trường THCS, rồi tham khảo các tài liệu, học hỏi kinh nghiệm của đồng nghiệp và sự tích lũy trau dồi của bản thân, đặc biệt qua quá trình bồi dưỡng học sinh khá, giỏi bộ môn toán, bồi dưỡng học sinh giỏi cấp trường, cấp huyện, cấp tỉnh Tôi nhận thấy khả năng xử lí các bài toán hình học của học sinh còn hạn chế, các em thường lúng túng, thiếu định hướng và bế tắc khi gặp các bài hình học lạ

Kết quả khảo sát đánh giá học sinh

Trước khi viết đề tài , tôi đã khảo sát về chủ đề này ở 20 học sinh lớp 9 là học sinh giỏi cấp huyện, kết quả như sau

0  4,9 5  6,4 6,5  7 9 8  10

Điểm

2.3 Giải pháp và tổ chức thực hiện:

2.3.1Kế hoạch và thời gian nghiên cứu

Chủ đề này tôi áp dụng trong trường THCS Nguyễn Du trong thời gian từ đầu năm học 2017 - 2018 và tiếp trong những năm học sau với tinh thần rút ra những bài học kinh nghiệm và có sửa chữa, bổ sung cho phù hợp với các đối tượng và giai đoạn cụ thể:

* Năm 2016 – 2017 : Tìm hiểu, xây dựng khung chương trình, nghiên cứu tài liệu và xây dựng đề cương

* Năm học 2017 – 2018 : Thực nghiệm và so sánh kết quả

2.3.2 Giải pháp thực hiện

Phần 1: Lý thuyết về đường thẳng simson và đường thẳng steiner

1) Đường thẳng simson

Bài toán 1 Cho tam giác ABC nội tiếp đường tròn (O), gọi M là một điểm trên

cung BC không chứa điểm A Gọi A’, B’, C’ lần lượt là hình chiếu của điểm M trên BC, AC, AB Khi đó: ba điểm A’, B’, C’ nằm trên một đường thẳng (gọi là đường thẳng simson của điểm M đối với tam giác ABC, kí hiệu dM)  3

Chứng minh

Ta có A’BC’M là tứ giác nội tiếp

MA'C' MBC' (1)

Do tứ giác ABMC nội tiếp nên

MBC' ACM (2)

Do tứ giác A’B’CM nội tiếp nên

MA'B' B'Cx (3)

Từ (1), (2) và (3) ta có: ·MA'C' MA'B' ACM B'Cx 180· · ·  0

Vì thế A’, B’, C’ cùng nằm trên một đường thẳng

Xét định lý đảo của bài toán 1, ta có bài toán 2 như sau

Bài toán 2

Cho tam giác ABC nội tiếp (O), lấy M là một điểm nằm trong góc ·BAC Gọi A’, B’, C’ lần lượt là hình chiếu của điểm M trên BC, AC, AB Khi đó nếu A’, B’, C’ thẳng hàng (cùng nằm trên đường thẳng dM) thì M nằm trên BC» không chứa điểm A  3

Chứng minh

Do tứ giác A’B’CM nội tiếp nên:

A'MC A'B'A (1)

Do tứ giác A’BC’M nội tiếp nên

A'MB A'C'B (2)

Ta có:

x

M d

C'

B' A'

O

A

M

x

M

d

C'

B' A'

O

A

· · · · ·

BAC BMC BAC A'MC A'MB   

Kết hợp với (1) và (2) thì: BAC BMC BAC A'B'A A'C'B 180· · · ·  ·  0

(định lý tổng 3 góc của một tam giác)

Vì thế ABMC là tứ giác nội tiếp Suy ra M BC»

Kết luận:

Người ta gọi dM là đường thẳng Simson của điểm M đối với đỉnh A của tam giác ABC nội tiếp đường tròn (O)

2) Đường thẳng steiner

Bài toán 3

Cho tam giác ABC và một điểm M nằm trên đường tròn ngoại tiếp tam giác đó Gọi M1, M2 , M3 lần lượt là các điểm đối xứng của M qua BC, CA, AB Khi đó

ba điểm M1, M2 , M3 thẳng hàng và đường thẳng đi qua ba điểm M1, M2 , M3 được gọi là đường thẳng steiner  3

Chứng minh

Gọi A’, B’, C’ lần lượt là hình chiếu của M trên BC,CA,AB , khi đó ta có đường thẳng simson dM đi qua các điểm A’, B’, C’

Vì B’C’ là đường trung bình của MM M2 2 nên M M / /d2 3 M (1)

Vì A’C’ là đường trung bình của MM M1 3 nên M M / /d1 3 M (2)

Từ (1) và (2) suy ra ba điểm M ;1 M ;2 M3 nằm trên cùng một đường thẳng và đường thẳng đó song song với đường thẳng dM

Khai thác thêm về đường thẳng simson ta có một số tính chất

Tính chất 1 Cho điểm M thuộc đường tròn (ABC) Khi đó đường thẳng

Steiner và đường thẳng Simson cuả M với tam giác ABC song song nhau  3

Tính chất 2 Cho tam giác ABC nội tiếp đường tròn tâm O và điểm M thuộc

(O) Khi đó đường thẳng Steiner của M với tam giác ABC luôn đi qua một điểm

cố định là trực tâm của tam giác ABC  3

Chứng minh

Giả sử tam giác ABC nội tiếp

đường tròn tâm (O),

các đường cao AD,BE,CFcắt nhau tại H

M 2

M 1

3 M

M

d

B'

A' O

M

A

C'

M 2

M 1

H F D

E

B A

C

Gọi M1 và M2 là các điểm đối xứng với M Qua AC và AB Khi đó M1M2 là đườngthẳng steiner của điểm M đối với tam giác ABC

Ta có · · ( Tính chất đối xứng ) mà ( góc nội tiếp

1

chắn cung AC ) nên · ·

1

AM C ABC Lại có · · 0 · · 0 => tứ giác AHCM1 nội tiếp

1

AHC ABC 180  AHC AM C 180 

M HC M AC MAC (1) 

Chứng minh tương tự ta có tứ giác AHBM2 nội tiếp và

M HB M AB MAB (2) 

Từ (1) và (2) ta có

M HB M HC BHC MAB MAC BHC BAC BHC BAC EHF 180          nên M1, H, M2 thẳng hàng hay đường thẳng M1M2 đi qua điểm H cố định

Từ các bài toán cơ bản trên ta có thể hướng dẫn học sinh giải nhiều dạng bài tập

có liên quan đến các điểm và đường đặc biệt

Phần 2 Một số ứng dụng của đường thẳng simson và đường thẳng steiner vào giải các dạng toán hình học

1) Các bài toán về đẳng thức hình học và quan hệ hình học

Bài 1 Cho đường tròn tâm O ngoại tiếp tam giác ABC, M là một điểm thuộc

cung BC không chứa A Gọi E, F là hình chiếu của M lên các cạnh AC và AB Xác định vị trí của M để EF lớn nhất  6

Phân tích

Từ việc khai thác, phân tích giả thiết và kết luận HS

có thể cễ dàng nhận ra EF là đường thẳng Simson

của điểm M đối với tam giác ABC

Từ đó dẫn đến ý thưởng vẽ thêm điểm

D là hình chiếu của M trên BC

và tìm lời giải của bài toán

Lời giải

Gọi D là hình chiếu của M trên BC, ta có D,E,F thẳng hàng

( đường thẳng simson)

Bốn điểm F,D,B,M cùng thuộc một đường tròn nên MBD MFD·  ·

Bốn điểm E,D,C,M cùng thuộc một đường tròn nên MCD MED·  ·

Từ đó ta có MBC đồng dạng với MFE (g.g)  

F B

A

C M

Đẳng thức xảy ra khi F trùng với B và E trùng với C, khi đó

MBA MCA 90 

 AM là đường kính của đường tròn tâm O => M là điểm đối xứng với A qua O

Nếu khai thác thêm về quan hệ giữa đường thẳng simson và đường thẳng steiner thì có thể dễ dàng giải quyết thêm bài toán như sau

Bài toán 2: Cho đường tròn tâm O ngoại tiếp tam giác ABC, M là một điểm

thuộc cung BC không chứa A Gọi M1, M2 là các điểm đối xứng của M qua AC

và AB Xác định vị trí của M để M1M2 lớn nhất  5

Phân tích

Từ việc nhận biết M1M2 là đường thẳng steiner

của M với tam giác ABC và vận dụng tính

chất đường thẳng Steiner song song với

đường thẳng Simson, học sinh có

thể đưa bài toán này về bài toán 1 để

giải quyết

Lời giải

Gọi D, E, F là hình chiếu của M trên BC,AC, AB ta có D,E,F thẳng hàng ( đường thẳng simson) và EF là đường trung bình của tam giác MM1M2 nên ta có

1 2

1

EF

2M M



 M1M2 lớn nhất khi EF lớn nhất <=> M là điểm đối xứng của A qua O (theo kết quả bài toán 1)

Bài toán 3

Cho tam giác ABC nội tiếp đường tròn, M là điểm thuộc cung BC không chứa

A Gọi H, K, I lần lượt là hình chiếu của M lên các cạnh BC, CA,AB

Chứng minh BC AC AB

MH  MK MI  5

Phân tích

M 2

M 1

F B

A

C M

2

1 1

1

I B

A

C M

Dễ dàng nhận thấy đường thẳng Simson là (IHK), theo kinh nghiệm giải toán thì các bài toán về tỉ số thường liên quan đến tỉ số đồng dạng, diện tích hoặc tỉ số lượng giác

Từ việc phân tích bài toán, sử dụng tính chất các tứ giác nội tiếp để có các góc bằng nhau, có thể nghĩ đến việc chứng minh tam giác đồng dạng hoặc tỉ số

lượng giác đều giải quyết được bài toán

Lời giải

Giả sử AC ABta có AB AC AI BI AK CK AI BI AK CK

Do MBI MCK· · cot MBI cot MCK· · BI CK (1)

Từ (1), (2), (3) suy ra AC AB CH BH BC

MK MI  MH MH  MH

Qua các bài toán trên ta thấy việc ứng dụng các đường thẳng đặc biệt để biến đổi

về tam giác đồng dạng hoặc dùng tỉ số lượng giác sẽ giúp học sinh có định

hướng dễ dàng hơn khi gặp các bài toán tương tự

2) Các bài toán về quan hệ thẳng hàng và đồng quy

Bài toán 1

Cho tam giác ABC nhọn nội tiếp đường tròn (O), D là mọt điểm trên cung BC khong chứa A Dựng hình bình hành ADCE Gọi H và K lần lượt là trực tâm của tam giác ABC và ACE Gọi P và Q lần lượt là hình chiếu của K trên BC, gọi I là giao điểm của EK và AC

a Chứng minh rằng ba điểm P, I, Q thẳng hàng

b Chứng minh rằng PQ đi qua trung điểm của KH  7

Phân tích bài toán

a) Từ quan sát hình vẽ và nghiên cứu giả thiết, có thể thấy được EK vuông góc với AC, vậy P,I, Q chính là các hình chiếu của K trên ba cạnh của tam giác ABC , từ đó liên tưởng đến đường thẳng simson Vậy việc còn lại chỉ cần chứng minh K thuộc đường tròn (O) hay tứ giác ADCK nội tiếp

Để ý thấy ADC AKC AKC AEC 180·  ·  · ·  0 nên tứ giác ADCK nội tiếp b) Từ tính chất đường thẳng Steiner song song với đường thẳng Simson và

đi qua trực tâm của tam giác ABC có thể hình thành ý tưởng để giải quyết bài toán Nếu gọi M và N lần lượt là điểm đối xứng của K qua AB và BC

thì M,N,H thẳng hàng Khi đó PQ là đường trung bình của tam giác KMN

và từ đó suy ra PQ đi qua trung điểm của HK

Lời giải

a) Trước hết ta chứng minh điểm K

thuộc đường tròn (O)

Ta có K là trực tâm tam giác ACE nên tứ giác

KJEF nội tiếp ·AKC AEC 180·  0

Lại có tứ giác ADCE là hình bình hành nên

AEC ADC

ADC AKC AKC AEC 180

Tứ giác ADCK có ·ADC AKC 180·  0

Nên là tứ giác nội tiếp , suy ra điểm

K thuộc đường tròn (O)

Chứng minh I,P,Q thẳng hàng

Do K là trực tâm của tam giác AEC nên KI vuông góc với AC, lại có P, Q là hình chiếu của K trên BC và AB nên suy ra I, P, Q thẳng hàng ( đường thẳng simson của điểm K với tam giác ABC )

b) Gọi M và N lần lượt là các điểm đối xứng của K qua AB và BC, khi đó MN

là đường thẳng steiner của điểm K đối với tam giác ABC

Áp dụng tính chất đường thẳng Steiner đi qua trực tâm tam giác ta có M,H,N thẳng hàng

Xét tam giác KMN có PQ là đường trung bình nên QM=QK

Tam giác MHK có QM=QK mà PQ // MH nên PQ đi qua trung điểm của HK

Bài toán 2

Cho tam giác nhọn ABC có đường cao CE (E thuộc AB) nội tiếp đường tròn (O)

có đường kính AD, Gọi F là hình chiếu vuông góc của C lên AD, M là trung điểm của BC Chứng minh E, M, F thẳng hàng  2

Phân tích

Vì có E,N,F là các hình chiếu của C

Trên các cạnh của tam giác ABC nên

Có thể dễ dàng nhận ra đường thẳng

Simson ở bài toán này

Khi có E,N,F thẳng hàng thì

chỉ cần chứng minh E,M,N thẳng hàng

bài toán sẽ được giải quyết

M F

N D

E

O B

A

C

Lời giải

Xét tam giác ABD nội tiếp đường tròn (O) , C là điểm thuộc đường tròn (O) và

E, F, N

lần lượt là hình chiếu vuông góc của C lên trên đường thẳng chứa ba cạnh của tam giác

ABD, do đó E, F, N thẳng hàng (đường thẳng simson của điểm C của tam giác ABD)

Xét tứ giác BECN có ·BEC EBN BNC 90 ·  ·  0

nên tứ giác BECN là hình chữ nhật , suy ra hai đường chéo BC và EN cắt nhau tại trung điểm mỗi đường

Vì M là trung điểm BC nên M cũng là trung điểm EN hay E, M, N thẳng hàng Vậy E, M, F thẳng hàng

Bài toán 3

Cho tam giác ABC nhọn nội tiếp đường tròn ( O ) M là một điểm trên cung BC không chứa điểm A Đường tròn ( I ) đường kính MB và đường tròn (J) đường kính MC cắt nhau tại N

a) Chứng minh N thuộc đường thẳng BC

b) Đường tròn ( I ) cắt AB tại P (P khác B), đường tròn (J) cắt AC tại Q (Q khác C) Chứng minh P, N, Q thẳng hàng

c) Qua A vẽ đường thẳng d song song với PQ và d cắt (O) tại K Chứng minh

M, N, K thẳng hàng  2

Phân tích

Câu a học sinh có thể dễ dàng sử dụng

tính chất của tứ giác nọi tiếp

để chứng minh các điểm thẳng hàng

Câu b nhận thấy P và Q là hình chiếu

của M trên AB và AC, vậy cần chứng minh

MN vuông góc với BC để có

đường thẳng simson

Câu c, nếu trực tiếp chứng minh

Ba điểm thẳng hàng sẽ gặp khó khăn

Tuy nhiên nếu vẽ giao điểm của MN với

(O) thì có thể sử dụng tính chất của tứ giác

Nội tiếp khá dễ dàng

Vì thế có thể nghĩ đến việc chứng minh

Giao điểm của MN với đường tròn

(O) trùng với điểm K

Lời giải

K

Q

P

N O A

M

a) Chứng minh N thuộc đường thẳng BC

Vì N thuộc đường tròn đường kính MB nên ·MNB 90 0

N thuộc đương tròn đường kính MC nên ·MNC 90 0

Ta có MNB MNC 180· ·  0 B,N,C thẳng hàng

b) Chứng minh P,Q, N thẳng hàng

Vì P thuộc đường tròn đường kính MB nên ·MPB 90 0 MPAB

Q thuộc đương tròn đường kính MC nên MQC 90·  0MQAC

Mà MNBC

Suy ra P,N, Q thẳng hàng ( đường thẳng simson của điểm M với tam giác ABC)

a) Chứng minh M, N , K thẳng hàng

Gọi K’ là giao điểm của đường thẳng MN với đường tròn (O), ta chứng minh K trùng với K’

Ta có K ' AC K ' MC·  · ( Hai góc nội tiếp cùng chắn cung AC)

Tứ giác MNQC nội tiếp K ' MC AQN·  ·

K ' AC AQN AK '/ /NQ

Mà AK//NQ và K thuộc (O) nên K trùng với K’ => ĐPCM

Bài toán 4

Cho hai đường tròn cùng bán kính (O) và (O’) cắt nhau tại hai điểm A, B (O, O’ khác phía nhau đối với đường thẳng AB) Qua A vẽ cát tuyến cắt (O) tại C, cắt (O’) tại D (C, D khác A và CD không vuông góc với AB) Gọi E, F lần lượt

là hình chiếu vuông góc của B lên hai tiếp tuyến tại C của (O) và tại D của (O’) Chứng minh E, F đi qua trung điểm M của CD  2

Phân tích

P

M

E

F D

B

A

O C