HAI BÀI HÌNH THI CHỌN ĐỘI TUYỂN VIỆT NAM 2015
2. Bài hình ngày thứ hai
Cũng trong đề chọn đội tuyển Việt Nam ngày thứ 2, có bài hình học như sau:
Bài toán 11. Cho tam giác ABC nhọn không cân và có điểm P nằm trong tam giác sao cho =APB ==APC =α ą180˝ ´=BAC.
Đường tròn ngoại tiếp tam giác APB cắt AC ở Ekhác A. Đường tròn ngoại tiếp tam giác APC cắt AB ở F khác A. Gọi Q là điểm nằm trong tam giác AEF sao cho =AQE = =AQF = α. Gọi D là điểm đối xứng vớiQ quaEF, phân giác góc =EDFcắtAP tạiT. a) Chứng minh rằng =DET ==ABC,=DFT ==ACB.
b) Đường thẳng PA cắt các đường thẳng DE,DF lần lượt tại M,N. Gọi I,J lần lượt là tâm đường tròn nội tiếp các tam giác PEM,PFNvàKlà tâm đường tròn ngoại tiếp tam giácDIJ. Đường thẳng DT cắt (K) tại H. Chứng minh rằng đường thẳng HK đi qua tâm đường tròn nội tiếp của tam giác DMN.
Nhận xét.Đây là bài toán hay. Câu a) dùng gợi ý hướng giải cho câu b). Nếu để ý kỹ thực chất bài toán này là sự ghép nối của hai bài toán khác. Sau đây chúng tôi xin giới thiệu lại với các bạn cả hai bài toán đó cùng với nguồn gốc của nó.
Trước hết ta nhắc lại hai bài toán quan trọng về tứ giác ngoại tiếp.
Bài toán 12. Cho tứ giác ABCD.
a) Tứ giác ABCD ngoại tiếp khi và chỉ khi AB+CD = AD+BC.
Tứ giác ABCD gọi là ngoại tiếp tức là tồn tại đường tròn (I) tiếp xúc các cạnh AB,BC,CD,DA.
b) Tứ giácABCDbàng tiếp gócA,Ckhi và chỉ khiAB+AD=CB+
CD. Tứ giácABCD gọi là bàng tiếp tức là tồn tại một đường tròn (I)chứa trong gócAhoặcCtiếp xúc với các cạnhAB,BC,CD,DA kéo dài.
Bài toán trên là kết quả cơ bản có trong nhiều tại liệu. Để chứng minh, ta chỉ cần dựng các tam giác cân và chỉ ra các phân giác của các góc đồng quy, chi tiết lời giải xin dành cho bạn đọc.
Tạp chí onl ine của cộng đồng những người yêu T oán
D I B
A
C
I
D B
A
C
Chúng ta bắt đầu từ bài toán đầu tiên tham khảo [3] là đề chọn đội tuyển Indonesia năm 2007:
Bài toán 13. Cho tứ giác ABCD nội tiếp đường tròn (O). Hai đường chéo AC và BD cắt nhau tại S. Đường tròn ngoại tiếp tam giác SAD,SBC cắt tại tại T khác S. Dựng ra ngoài tứ giác tam giác ABR đồng dạng với DCT. Chứng minh rằng tứ giác AT BR là tứ giác ngoại tiếp.
Đây là bài toán hay có rất nhiều cách tiếp cận khác nhau. Tuy vậy chúng tôi chọn lời giải sau gần như là ngắn gọn nhất và cũng chính là sử dụng hướng đi trong bài toán 11.
A
D C
O B
S
T R
K
Tạp chí onl ine của cộng đồng những người yêu T oán
Lời giải. GọiK đối xứng R quaBC. Ta thấy
=KAS==BAS´=BAK==BDC´=RAB
==BDC´=T DC==SDT ==SAT.
Từ đó, AS là phân giác =KAT. Tương tự, BS là phân giác =KBT.
Dễ thấy T Slà phân giác =AT B.
Từ đó, đường tròn (S) tiếp xúc với KA,KB,T A,T B suy ra AK´ AT =BK´BT. Theo tính đối xứng, suy raAR´AT =BR´BT hay AR+BT =BR+AT suy ra tứ giácARBT ngoại tiếp.
Ta có điều phải chứng minh.
Nhận xét. Trong [3] cũng có một lời giải khác và ngoài ra bài toán cũng có thể giải bằng phép nghịch đảo hoặc tính chất phương tích. Ta dễ chứng minh được tâm nội tiếp tứ giác AT BR là đẳng giác của K trong tam giácSABđó chính là nội dung bài toán 11 phần a). Để tiếp tục chúng tôi xin nhắc lại và chứng minh bài toán G8 trong IMO Shortlist 2009 trong [4] như sau:
Bài toán 14. Cho tứ giác ABCD ngoại tiếp đường tròn (I). Một đường thẳng đi qua A cắt đoạn thẳng BC và cắt tia đối tia CD tại N. Gọi J,K,L là tâm nội tiếp tam giác CNM,MAB và NAD.
Chứng minh rằng trực tâm tam giác JKL nằm trênMN.
Đây là một kết quả đẹp, bao hàm trong đó nhiều ý tưởng. Chúng tôi xin giới thiệu lời giải sử dụng bài toán 12 như sau:
I A
C D
B
M
N K L
J P Q
Tạp chí onl ine của cộng đồng những người yêu T oán
Lời giải. Gọi tiếp tuyến của đường tròn (L) nội tiếp tam giác NADcắt AM,ABtại P,Q. Như vậy tứ giácAPCD nội tiếp.
Kết hợp ABCD nội tiếp suy ra
PA´PC=DA´DC=BA´BC.
Từ đó tứ giác APCB bàng tiếp hay tứ giác BQPM ngoại tiếp vậy CP tiếp xúc (K).
Từ đó
2=LCK==BCD ==CMN+=CNM=2=JMN+2=JNM=2=MJL.
Từ đó, tứ giác CJKL nội tiếp. Theo định lý đường thẳng Steiner thì đường thẳng nối đối xứng của C qua JK,JL đi qua trực tâm tam giác JKL.
Chú ý theo tính chất phân giác thì đường thẳng đó chính là MN. Vậy MNđi qua trực tâm tam giác JKL.
Ta có điều phải chứng minh.
Nhận xét. Bài toán này có kết cấu chặt chẽ và ý tưởng hay. Chú ý điều kiện N thuộc tia đối tia CD cần thiết để bài toán đúng.
Để ý rằng CI K CJ nên nếu CI cắt đường tròn (X) ngoại tiếp tứ giác CJKLtại Y thì JY là đường kính của(X).
Phần nhận xét này chính là kết quả câu b) bài toán 11. Nếu để ý kỹ thi mô hình bài toán IMO shortlist này cũng đã xuất hiện một lần trong đề thi VMO năm 2011 xem [5]
I A
C D
B
M
N K L
J P Q
X Y
Tạp chí onl ine của cộng đồng những người yêu T oán
Trở lại bài toán 11, ta chú ý rằng do điều kiện chặt chẽ của bài toán Shortlist nên ta cần bổ sung thêm điều kiện cho bài toán 11 là M,N phải luôn cùng phía với P trên đường thẳng AP. Từ đó chú ý tứ giác BCEF nội tiếp. Bài toán chỉ là sự kết hợp một cách cơ học của bài toán 13 và bài toán 14.
Chú ý rằng ta hoàn toàn có thể thay thế AP thành một đường thẳng bất kỳ đi qua P. Và khi đó, ta có thể phát biểu lại bài toán này đẹp hơn như sau:
Bài toán 15. Cho tam giác ABC và có điểm P nằm trong tam giác sao cho =APB ==APC =α.Đường tròn ngoại tiếp tam giác PAB,PAC lần lượt cắt CA,AB tại E,E khác A. Điểm Q là điểm nằm trong tam giác AEF sao cho =AQE = =AQF = α. Gọi D là điểm đối xứng vớiQ quaEF.
Một đường thẳng đi qua P cắt các đường thẳng DE,DF lần lượt tại M,N sao cho M,N cùng phía với P. Gọi I,J lần lượt là tâm đường tròn nội tiếp các tam giác PEM,PFN và K là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giácDIJ. Phân giác =EDF cắt(K) tạiH.
Chứng minh rằng đường thẳng HK đi qua tâm đường tròn nội tiếp của tam giác DMN.
Nhận xét. Do bài toán chỉ là một cách kết hợp cơ học hai bài toán trên nên một khi giải và phân tích rõ hai bài toán trên thì bài toán kết hợp không còn mang nhiều ý nghĩa. Tuy vậy việc sử dụng cả hai bài toán lớn trong cùng một bài toán làm độ khó của bài toán thi tăng nhiều lần và chính vì vậy nó được đánh giá cao và phân loại tốt học sinh.
Tác giả Nguyễn Văn Linh phát hiện rằng bài toán G8 trong IMO Shortlist 2009 có một mở rộng đã có trên diễn đàn AoPS trước đó xem [6,7]. Cũng rất thú vị là tác giả Trần Quang Hùng cũng đề nghị độc lập một vấn đề tương tự trong cuộc thi kỷ niệm 45 tạp chí Toán học và Tuổi trẻ, xem [8] và lời giải của tác giả được đăng trong [9].
Bài toán có phát biểu như sau:
Bài toán 16. Cho tứ giácABCD ngoại tiếp và điểmP nằm trong tứ giác sao cho các đường thẳngAP,DP tương ứng cắt đoạnBC tại S,R theo thứ tự. Chứng minh rằng tâm đường tròn nội tiếp của các tam giác ABS,DCR,PAD,PSR cùng thuộc một đường tròn.
Tạp chí onl ine của cộng đồng những người yêu T oán
B
D C
A
P R S
I1
I2
X
Y I4
I3
M N
Z U
V K
L T
Lời giải. Gọi(I1),(I2),(I3),(I4)theo thứ tự là đường tròn nội tiếp của các tam giác ABS,DCR, PAD,PSR. Gọi X,Y là tiếp điểm của tiếp tuyến chung khác BC của (I1),(I2) với (I),(I). Gọi M,N là giao của XY với PA,PD. Gọi Z,K,U là tiếp điểm của (I1) với AS,AB,SB.
Gọi T,L,V là tiếp điểm của (I2) với DR,DC,RC. Dễ thấy (1)BU=BK,CV =CL,
(2)XY =UV,AZ=AK,DT =DL, (3)MX=MZ,NY =NT
Ta có các biến đổi tương đương sau của cạnh: Tứ giác ABCD ngoại tiếp khi và chỉ khi
CB+AD=AB+CD
ôBU+UV +VC+AD=AK+KB+DL+LC ôUV +AD=AK+DL, theo(1)
ôXY+AD=AZ+DT, theo (2)
ôXM+MN+NY+AD=AM+MZ+DN+NT ôMN+AD=AM+DN, theo(3)
Từ đó suy ra AMND ngoại tiếp và đường tròn nội tiếp AMDN chính là (I3). Do đó,
=MI3N=180˝´=AI3D=180˝´(90˝´ 1
2=APD) =90˝´1
2=APD
Tạp chí onl ine của cộng đồng những người yêu T oán
nên
=I1I3I2 =180˝´(90˝ ´1
2=SPR) =180˝´=I1I4I2. Vậy I1I2I3I4 nội tiếp, ta có điều phải chứng minh.
Chúng ta tiếp tục với một mở rộng thú vị sau cho bài toán 13.
Bài toán 17. Cho tứ giác ABCD nội tiếp đường tròn (O). Các điểm E,F thuộc cạnh CB,AD sao cho EF k AB. DE cắt CF tại S. Đường tròn ngoại tiếp tam giác ASD và BSC cắt nhau tại T khác S. Dựng điểm R ở ngoài tứ giác ABCD sao cho =RAB =
=ASF+=T DC và =RBA = =BSE+=T CD. Chứng minh rằng tứ giác AT BR ngoại tiếp.
O A
B
D C F
E
S
T Q R
Lời giải. Ta dễ thấy tứ giácCDFE nội tiếp nên
=ST A==SDF==SCE==ST B.
Từ đó, T S là phân giác =AT B. Ta lại có
=QAS==SAB´=QAB==DAB´=DAS´=RAB
==DFE´(=DFS´=FSA)´(=ASF+=T DC)
==SFE´=T DC==SDC´=T DC==SDT ==SAT.
Tạp chí onl ine của cộng đồng những người yêu T oán
Do đó, AS là phân giác =QAT. Tương tự, ta cũng có BS là phân giác =QBT. Từ đó, suy ra đường tròn (S) tiếp xúc với QA,QB,T A,T Bhay AQ´AT =BQ´BT.
Theo tính đối xứng suy ra AR´AT = BR´BT hay AR+BT = BR+AT, ta suy ra tứ giác ARBT ngoại tiếp.
Ta có điều phải chứng minh.
Nhận xét. Việc phát biểu bài toán dùng góc hình học trong nhiều trường hợp chưa thật chính xác xong phần nào giúp cho bài toán nhìn đẹp hơn, việc phát biểu một cách chặt chẽ bằng khái niệm góc có hướng các bạn có thể tự tìm hiểu thêm. Khi EF trùngAB ta thu được bài toán 13. Nếu việc kết hợp bài toán 13 và bài toán 14 cho ta bài toán TST thì việc kết hợp bài toán 17 và bài toán 14 sẽ cho ta một mở rộng của bài toán đã dùng trong kỳ thi TST, nhưng rõ ràng việc kết hợp một cách cơ học như các bạn đã thấy nó cũng không còn mang nhiều ý nghĩa nữa.
Tuy vậy, để thú vị hơn chúng tôi xin đưa ra một ý tưởng như sau từ đề bài toán 11. Những điểm P nằm trong tam giác ABC sao cho =APB = =APC thì các điểm P đó có gì đặc biệt hay nói cách khác, quỹ tích P là gì. Bài toán sau sẽ giải đáp thắc mắc đó, chúng ta sẽ không cố gắng tìm quỹ tíchP mà sẽ tìm quỹ tích điểm đẳng giác của P. Đó là một quỹ tích đẹp và chứng minh đơn giản, các bạn hãy làm như một bài luyện tập:
Bài toán 18. Cho tam giác ABC có đường tròn Apollonius ứng với A là (K). P là một điểm thuộc (K). Q đẳng giác với P trong tam giác ABC. Chứng minh rằng =AQB ==AQC.
Tài liệu tham khảo
[1] Đề thi chọn đội tuyển Việt Nam thi IMO năm 2015 [2] Facebook Bài toán hay - Lời giải đẹp
https://www.facebook.com/BÀI TOÁN HAY - LỜI GIẢI ĐẸP - ĐAM MÊ TOÁN HỌC
[3] Indonesia IMO 2007 TST, Stage 2, Test 5, Problem 1 http://www.artofproblemsolving.com/community/c6h312083
Tạp chí onl ine của cộng đồng những người yêu T oán
[4] IMO Shortlist 2009 - Problem G8
http://www.artofproblemsolving.com/community/
c6h355795p1932940
[5] A, M, N, P are concyclic iff d passes through I- [VMO 2011]
http://www.artofproblemsolving.com/community/
c6h386167p2144390
[6] Vietnam TST 2015 Problem 5
https://nguyenvanlinh.wordpress.com/2015/03/28/
vietnam-tst-2015-problem-5/
[7] Tangential quadrangle
http://www.artofproblemsolving.com/community/c6h247411 [8] Tạp chí THTT số 381 tháng 3 năm 2009
[9] Tạp chí THTT số 385 tháng 7 năm 2009
T ạ p c h í online của cộng đồng
những n g ư ờ i y ê u T o á n
Tạp chí onl ine của cộng đồng những người yêu T oán CÁC VẤN ĐỀ