Một số bài toán cực trị hình học trong các đề thi học sinh giỏi phổ thông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌCQUÁCH THỊ TẤM MỘT SỐ BÀI TOÁN CỰC TRỊ HÌNH HỌC TRONG CÁC ĐỀ THI HỌC SINH GIỎI PHỔ THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC Chuyên ngành: Phương pháp Toán sơ cấp Mã số: 60 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

QUÁCH THỊ TẤM

MỘT SỐ BÀI TOÁN CỰC TRỊ HÌNH HỌC TRONG CÁC ĐỀ THI HỌC SINH

GIỎI PHỔ THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC

Chuyên ngành: Phương pháp Toán sơ cấp

Mã số: 60 46 01 13

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌCPGS.TS.TRỊNH THANH HẢI

Thái Nguyên - 2016

Mục lục

0.1 Lý do chọn đề tài 1

0.2 Cấu trúc của luận văn 1

1 KIẾN THỨC CHUẨN BỊ 3 1.1 Bài toán cực trị hình học 3

1.1.1 Bài toán cực trị hình học 3

1.2 Một số hướng giải bài toán cực trị hình học 3

1.2.1 Sử dụng phương pháp véctơ 3

1.2.2 Sử dụng phương pháp tọa độ 3

1.2.3 Sử dụng phương pháp đại số 3

1.2.4 Sử dụng phương pháp hình học tổng hợp 3

2 MỘT SỐ BÀI TOÁN CỰC TRỊ HÌNH HỌC 4 2.1 Các bài toán cực trị hình học liên quan đến tính chất cơ bản trong hình học phẳng 4

2.2 Các bài toán cực trị hình học liên quan đến tam giác 7

2.3 Các bài toán cực trị hình học liên quan đến đường tròn 17

2.4 Các bài toán cực trị hình học liên quan đến hình học giải tích 28 2.5 Các bài toán cực trị trong hình học không gian 42

MỞ ĐẦU

0.1 Lý do chọn đề tài

Trong chương trình toán THPT nói chung, trong các dạng toán dànhcho học sinh giỏi nói riêng các bài toán tìm giá trị nhỏ nhất, lớn nhất, đặcbiệt là các bài toán tìm giá trị lớn nhất, nhỏ nhất liên quan đến hình họcđều là những bài toán thú vị và tương đối khó đòi hỏi học sinh không chỉ

có một hệ thống kiến thức cơ bản mà còn phải có kỹ năng giải toán ở mức

độ nhất định

Hiện nay, cũng có một số tài liệu toán dành cho bồi dưỡng học sinhgiỏi đã đề cập đến các bài toán cực trị hình học nhưng chưa có một tài liệuchuyên khảo nào viết về chủ đề này Với mong muốn nghiên cứu, sưu tầmmột số dạng bài toán tìm giá trị lớn nhất, nhỏ nhất liên quan đến hìnhhọc để trực tiếp sử dụng trong công tác giảng dạy hằng ngày và bồi dưỡnghọc sinh giỏi, chúng tôi chọn chủ đề về bài toán cực trị hình học trong các

đề thi học sinh giỏi phổ thông để làm hướng nghiên cứu cho luận văn thạc

sĩ của mình

Luận văn có nhiệm vụ

(1) Sưu tầm một số bài toán cực trị liên quan đến hình học trong các đềthi học sinh giỏi toán quốc tế, quốc gia và trên tạp chí Toán học tuổi trẻ;(2) Nghiên cứu các lời giải để đưa ra một sự gợi ý về các hướng giải bàitoán cực trị thường gặp;

(3) Đưa ra lời giải hoặc đưa ra lời giải chi tiết hơn đối với một số bài toán

mà trong tài liệu gốc chưa có lời giải hoặc mới chỉ có lời giải tóm tắt

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn gồm haichương

- Chương 1: Kiến thức chuẩn bị

Nội dung chương 1 bao gồm quan niệm về bài toán cực trị hình học

và một số hướng giải quyết bài toán cực trị hình học thường gặp trongchương trình THPT;

- Chương 2: Một số bài toán cực trị hình học

Nội dung chương 2 lần lượt trình bày các bài toán cực trị hình họctrong các đề thi học sinh giỏi quốc tế, quốc gia và tạp chí Toán học tuổitrẻ và đã được em cố gắng phân loại một cách tương đối.

Do hạn chế về mặt thời gian, năng lực bản thân nên các dạng toánđược trình bày trong luận văn mới chỉ là một phần rất nhỏ, minh họa chocác bài toán cực trị hình học

Em rất mong nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của các Thầy, các

Cô để bản thân em hoàn thiện nội dung luận văn để có thể tổ chức mộtchuyên đề về bài toán cực trị hình học để bồi dưỡng học sinh trong côngviệc giảng dạy của mình

Sau cùng em chân thành cảm ơn trường ĐHKH Thái Nguyên, khoaToán - Tin, thầy giáo PGS.TS Trịnh Thanh Hải, cùng các thầy cô giáo vàcác bạn đẫ giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Học viênQuách Thị Tấm

có giá trị lớn nhất hoặc nhỏ nhất Đó là các bài toán cực trị hình học, nóhấp dẫn học sinh bởi vấn đề đặt ra mang tính thực tiễn: Đi tìm cái lớnnhất, nhỏ nhất, nhiều nhất, ít nhất , chính là những cái tối ưu thườnggặp trong đời sống và kĩ thuật.

Đường lối tổng quát giải bài toán cực trị hình học: Để tìm vị trí củahình H trên miềm D sao cho biểu thức f có giá trị lớn nhất (hoặc nhỏnhất), ta phải thực hiện 2 bước sau:

Bước 1 Chứng tỏ rằng với mọi vị trí của hình H trên miền D thì f ≥ m

(hoặc f ≤ m), với m là hằng số

Bước 2 Xác định vị trí của hình H trên miền D sao cho f = m

1.1.2 Ví dụ về bài toán cực trị hình học

Ví dụ 1.1 (Đề thi IMC, THCS, 2015)

E là một điểm nằm trên cạnh BC của hình vuông ABCD sao cho

nhỏ nhất của độ dài PE + PC là bao nhiêu cm?

Ví dụ 1.2 (Dựa theo Đề thi IMO)

Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’ cạnh bằng 1 Các điểm M, N, I theothứ tự di động trên AA’, BC, C’D’ sao cho A’M=BN=C’I=a (0 ≤ a ≤ 1).1) (α) là mặt phẳng qua M, N, I Chứng minh rằng (α) luôn tự song song;2) Tính d(A, (α)) (khoảng cách từ A đến (α)) theo a;

3) Tính diện tích tam giác MNI theo a và xác định vị trí điểm M để diệntích đó nhỏ nhất;

4) Chứng minh rằng trọng tâm G của tam giác MNI thuộc một đường thẳng

Định nghĩa 1.1 Giả sử A1, A2, , Am là một hệ m điểm sắp xếptùy ý trong không gian không phân biệt thứ tự Điểm G được gọi là trọngtâm của hệ điểm trên nếu có Pm

i=1

−−→

Dễ thấy trọng tâm một hệ điểm luôn tồn tại và duy nhất Hơn nữa, nếu

G được gọi là trọng tâm của hệ điểm A1, A2, , Am thì với mọi điểm Mtrong không gian, có −−→MG = 1

tâm S’ (hình 1.1) của tam giác ABC và có hệ thức

Để giải bài toán cực trị trong hình học giải tích ta có thể xét chúngtrong hệ trục tọa độ afin hoặc hệ tọa độ Descartes vuông góc để giải toántheo các bước sau:

-Bước 1 Thiết lập hệ trục tọa độ thích hợp, từ đó suy ra tọa độ của cácđiểm cần thiết

-Bước 2 Thiết lập biểu thức điều kiện (nếu có) Thiết lập biểu thức giảitích cho đối tượng cần tìm cực trị

-Bước 3 Lựa chọn phương pháp tìm cực trị, thông thường là:

+ Sử dụng đánh giá biểu thức

+ Phương pháp tam thức bậc hai

+ Sử dụng bất đẳng thức như BĐT tam giác, BĐT Cauchy, + Sử dụng đạo hàm

Ví dụ 1.5 Trong không gian với hệ tọa độ Decasters vuông góc Oxyzcho hai điểm M(3; 1; 1) và N(4;3; 4) và đường thẳng d có phương trình

Tìm điểm I thuộc d sao cho IM + IN nhỏ nhất

Ví dụ 1.6 Trong không gian với hệ tọa độ Decasters vuông góc Oxyzcho đường thẳng d và các điểm M(x1; y1; z1); N (x2; y2; z2) không thuộc d.Tìm điểm I trên đường thẳng d sao cho IM +IN nhỏ nhất

Lời giải

Trường hợp 1 I, M, N và d nằm trong một mp, khi đó ta thực hiệnbài toán trong mp: nếu đoạn MN cắt d thì giao điểm đó chính là điểm Icần tìm Nếu đoạn MN không cắt d thì lấy M’ đối xứng với M qua d khi

đó IM=IM’ Ta có IM + IN = IM′ + IN ≥ M′N Đẳng thức xảy ra khi

và chỉ khi I, M’, N thẳng hàng, khi đó IM +IN nhỏ nhất Từ đó I là giaođiểm của M’N và d, suy ra tọa độ điểm I

Trường hợp 2 Các đường thẳng MN và d chéo nhau Có hai khảnăng:

a, Nếu MN ⊥d thì ta làm như sau:

MJ⊥d; N J⊥d và MJ+NJ=k (không đổi);

Với mọi I ∈ d thì IM ≥ JM; IN ≥ JN nên IM + IN ≥ JM + JN.Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi I ≡ J, từ đó tìm được tọa độ điểm I, giaocủa (P) và d

b, Nếu MN không vuông góc với d ta chuyển bài toán về mặt phẳng đểgiải như sau:

- Xác định hình chiếu vuông góc H của N xuống d

- Gọi (R) là mặt phẳng chứa d và điểm N; (P) là mặt phẳng qua H vuônggóc với d; (Q) là mặt phẳng chứa d và điểm M; ∆là giao tuyến của (P) và(Q) thì∆⊥dtại H Trên∆lấy K sao cho KH=NH và K, M nằm về hai phíacủa mặt phẳng (R) (hình 1.3) Khi đó với mọiJ ∈ dthì∆N JH = ∆KJH

Q

P

∆

R d

Đẳng thức xảy ra khi J, M, K thẳng hàng từ đó tìm được tọa độ điểm

Ví dụ 1.7 Cho hai điểm A(1;2); B(0;-1) và đường thẳng d có phươngtrình tham số

- Nếu A, B nằm về một phía đối với d và B’ là điểm đối xứng của B qua

d thì : MA+MB nhỏ nhất ⇔ M là giao điểm của AB’ và d

- Nếu A, B nằm về một phía đối với d mà AB cắt d thì: |MA-MB| lớn nhấtkhi và chỉ khi M là giao điểm của AB và d

- Nếu A, B nằm về hai phía đối với d và B” là điểm đối xứng của B qua d

mà AB” cắt d thì: |MA-MB| lớn nhất ⇔ M là giao điểm của AB” và d

Dựa vào kết quả đã biết trong hình học phẳng, ta có thể giải đượcbài toán Tuy nhiên việc tính toán sẽ khá phức tạp vì:

- Nếu phương trình của d được cho dưới dạng tham số thì ta buộc phảichuyển về dạng tổng quát để có thể kiểm tra được A và B nằm về mộtphía hay hai phía đối với d

- Nếu phải tìm tọa độ điểm B’ (trong câu a) hoặc B” (trong câu b) thì việctính toán còn phức tạp hơn nữa

Để khắc phục tình trạng trên, luận văn sẽ đưa ra một lời giải mới.Lời giải

a, Vì M ∈ d nên M có tọa độ (t; 2t+1) Khi đó ta có

theo tỉ số −1



b, Tương tự như câu a, ta có



3

15



Khi đó |MA − MB| = √5 |MA − MB|

Vì M” chạy trên trục hoành x’Ox và A”, B” nằm về một phía đối với x’Oxnên |MA-MB| lớn nhất ⇔ |M”A”-M”B”| lớn nhất ⇔ M” là giao điểm củaA”B” và x’Ox

1525

đi rất nhiều Tương tự ta sẽ thấy rõ ý tưởng này trong bài toán sau:

Ví dụ 1.8 Trong không gian cho hai điểm A(a; 0; a)

Nếu giải theo ý tưởng trên thì việc tìm tọa độ điểm B’ (trong câu a,)hoặc B” (trong câu b,) buộc ta phải thực hiện những phép tính rất phứctạp Ta tiếp tục vận dụng ý tưởng trên để đưa ra lời giải

!

√2a3

!

Khi đó MA + MB = √

Vì M’ chạy trên x’Ox và A’, B’ nằm về hai phía đối với x’Ox nên

MA+MB nhỏ nhất⇔ M’A’ + M’B’ nhỏ nhất ⇔M’ là giao điểm của A’B’

và x’Ox

√2a3



b, Tương tự như câu a, ta có

≤ 1

Chẳng hạn có

... data-page="31">

Bài toán 2.12.1’ (Bài toán Torricelli): Đại lượng Pn

i=1

MAi đạt giá trị bénhất

Bài toán 2.12.2’ (Bài toán Torricelli):... AB K, DN ⊥ KE N (hình 2.5)

đều hình bình hành MA = MB

Vậy điểm M trung điểm cạnh AB độ dài đoạn DE đạt giá trịnhỏ

Bài toán 2.7 (Đề thi HSG Bulgari, 1997)

Cho... tốn 2.12 2’ và2.12 3’ ta thấy toán 2.12.1’ với toán 2.12.2’ 2.12.3’khơng liên quan với

1) Một tính chất đẹp tam giác đều: Trong tam giác đều, tổng cáckhoảng cách (đoạn thẳng vuông góc) từ