Chuyên đề luyện thi học sinh giỏi và ôn thi vào 10 - Phần Hình học - Chuyên đề 10: Vẽ hình phụ để giải toán trong chương đường tròn

Nội dung text: Chuyên đề luyện thi học sinh giỏi và ôn thi vào 10 - Phần Hình học - Chuyên đề 10: Vẽ hình phụ để giải toán trong chương đường tròn

1. Chuyên đề 10. VẼ HÌNH PHỤ ĐỂ GIẢI TOÁN TRONG CHƯƠNG ĐƯỜNG TRÒN A. Đặt vấn đề Có nhiều bài toán trong chương đường tròn, muốn giải được ta phải vẽ thêm hình phụ. Vẽ hình phụ để tạo điều kiện vận dụng các định lí trong chương này. Có nhiều cách vẽ hình phụ. 1. Vẽ đường kính vuông góc với một dây Nếu bài toán yêu cầu so sánh độ dài của hai dây, ta có thể so sánh khoảng cách từ tâm đến hai dây. Khi đó ta vẽ đường kính vuông góc với mỗi dây để so sánh hai khoảng cách. Để tính toán độ dài của một dây ta vẽ đường kính vuông góc với dây đó rồi dùng định lí Py-ta-go tính độ dài của một nửa dây, từ đó suy ra độ dài của cả dây. 2. Vẽ bán kính của đường tròn đi qua tiếp điểm Các bài toán có tiếp tuyến của đường tròn ta thường vẽ thêm bán kính đi qua tiếp điểm. Khi đó bán kính này vuông góc với tiếp tuyến. 3. Vẽ tiếp tuyến chung tại tiếp điểm của hai đường tròn tiếp xúc Nếu bài toán có hai đường tròn tiếp xúc ta có thể vẽ thêm một tiếp tuyến chung tại tiếp điểm. Từ đó ta có thể vận dụng được tính chất của hai tiếp tuyến cắt nhau và một số tính chất khác. 4. Vẽ dây của hai đường tròn cắt nhau Nếu bài toán có hai đường tròn cắt nhau, ta có thể vẽ thêm dây chung để được dây chung vuông góc với đường nối tâm và bị đường nối tâm chia đôi. Dây chung đóng vai trò trung gian để chuyển từ đường tròn này sang đường tròn khác. B. Một số ví dụ Ví dụ 1. Cho hai đường tròn (O; R) và (O’; R) ngoài nhau. Một đường thẳng d // OO’ cắt đường tròn (O; R) tại A và B, cắt đường tròn (O’; R) tại C và D sao cho B và C nằm giữa A và D. Chứng minh rằng: a) AB CD ; b) AC BD OO . Giải * Tìm hướng giải Muốn chứng minh hai dây AB và CD bằng nhau ta chứng minh chúng cách đều tâm. Muốn vậy ta vẽ OH  AB,O K  CD rồi chứng minh OH O K . * Trình bày lời giải
2. a) Vẽ OH  AB,O K  CD . Ta có OH // O’K. Mặt khác, HK // OO’ nên tứ giác HKO’O là hình bình hành. Hình bình hành này có Hµ 90 nên là hình chữ nhật. Suy ra OH O K . Do đó AB CD (hai dây cách đều tâm thì bằng nhau). b) Ta có HA HB, KC KD (tính chất đường kính vuông góc với dây). Do AB CD nên HA HB KC KD . Ta có AC AH HC KC HC HK OO ; BD BK KD BK HB HK OO . Do đó AC BD OO Nhận xét: Bài toán vẫn đúng nếu hai đường tròn cắt nhau hoặc tiếp xúc nhau. Ví dụ 2. Cho đường tròn (O; 34cm) và đường tròn (O’; 20cm) cắt nhau tại A và B sao cho AB = 32cm. Qua A vẽ đường thẳng d cắt đường tròn (O) tại một điểm thứ hai là M, cắt đường tròn (O’) tại một điểm thứ hai là N. Tính độ dài lớn nhất của MN. Giải Vẽ OH  MA,O K  AN và O E  OH 1 1 Ta có AH AM , AK AN , 2 2 Do đó MN 2HK 2O E . Suy ra MN 2OO (Dấu “=” xảy ra khi E  O hay khi d // OO ). Vậy max MN 2OO khi d // OO . Gọi F là giao điểm của AB với OO . 1 Ta có AB  OO và FA AB 16cm . 2 Áp dụng định lí Py-ta-go vào các tam giác vuông AFO và AFO’ ta tính được: OF 2 OA2 AF 2 342 162 900 OF 30(cm) ;
3. O F 2 O A2 AF 2 202 162 144 O F 12(cm) . * Nếu điểm F nằm giữa O và O thì max MN 2OO 2 30 12 84cm . * Nếu điểm F không nằm giữa O và O thì max MN 2OO 2 30 12 36cm . Nhận xét: Khi đề bài có hai đường tròn cắt nhau, cần xét hai trường hợp của hình vẽ: - Trường hợp hai tâm nằm trên hai nửa mặt phẳng đối nhau bờ chứa dây chung; - Trường hợp hai tâm thuộc cùng một nửa mặt phẳng bờ chứa dây chung. Ví dụ 3. Cho hai đường tròn đồng tâm O có bán kính là R và r (R > r). Trên đường tròn nhỏ lấy một điểm A cố định và một điểm M di động. Qua A vẽ dây BC của đường tròn lớn vuông góc với AM. Chứng minh rằng: a) Tổng AB2 AC 2 AM 2 không phụ thuộc vào vị trí của điểm M. b) Trọng tâm G của tam giác MBC là một điểm cố định. Giải a) Gọi D là giao điểm thứ hai của BC với đường tròn nhỏ. Vẽ OH  AD ta có: HA HD, HB HC (đường kính vuông góc với dây). Xét MAD có OH là đường trung bình. Suy ra AM 2OH . 2 2 Ta có: AB2 AC 2 HB HA HC HA 2HA2 2HB2 Xét HOB vuông tại H ta có: OH 2 HB2 OB2 R2 . Xét HOA vuông tại H ta có: OH 2 HA2 OA2 r 2 Do đó AB2 AC 2 AM 2 2HA2 2HB2 4OH 2 2 HA2 OH 2 2 HB2 OH 2 2r 2 2R2 (không đổi)
4. b) MAD và MBC cùng có chung đường trung tuyến MH nên có cùng trọng tâm G. Xét 1 MAD có OG OA , mà OA cố định nên G cố định. 3 Vậy trọng tâm G của MBC là một điểm cố định. Ví dụ 4. Cho đường tròn (O) nội tiếp tam giác ABC vuông tại A, tiếp xúc với các cạnh BC, CA và AB lần lượt tại D, E, và F. Gọi r là bán kính của đường tròn. S là diện tích của tam giác ABC. Chứng minh rằng: AB AC BC a) r 2 b) S BD.CD Giải * Tìm hướng giải Trong câu a) ta phải chứng minh một hệ thức liên hệ giữa r với các cạnh của tam giác. Trên hình vẽ chưa có bán kính của đường tròn. Vì thế ta cần vẽ các bán kính đi qua các tiếp điểm để vận dụng tính chất của tiếp tuyến. * Trình bày lời giải a) Theo tính chất tiếp tuyến cắt nhau ta có: AE AF, BD BF,CE CD . Tứ giác AEOF là hình vuông nên AE AF r . Ta có AB AC BC AF BF AE CE BD CD AF BD AE CD BD CD AF AE 2r AB AC BC Suy ra r . 2 b) Diện tích tam giác ABC là 1 1 1 S AB.AC AF BF AE CE AF.AE AF.CE BF.AE BF.CE 2 2 2 1 1 AF.r r.CE BD.r BD.CD r AF CE BD BD.CD 2 2 1 AB BC CA 1 r. BD.CD S BD.CD (Vì S p.r ). 2 2 2 Suy ra 2S S BD.CD do đó S BD.CD .
5. Ví dụ 5. Cho hai đường tròn (O1; R1) và (O2; R2) tiếp xúc ngoài tại A. Vẽ tiếp tuyến chung ngoài BC trong đó B O1 ,C O2 . a) Chứng minh rằng tam giác ABC là tam giác vuông. b) Tính độ dài BC theo R1, R2. Giải a) Qua A vẽ tiếp tuyến chung trong cắt BC tại M. Ta có MA MB;MA MC . BC Suy ra MA MB MC . 2 Xét ABC có đường trung tuyến AM và 1 AM BC nên ABC vuông tại A. 2 b) Ta có MO1 là tia phân giác của góc AMB, MO2 tia phân giác của góc AMC. Suy ra MO1  MO2 . Xét MO1O2 vuông tại M có MA  O1O2 . 2 Suy ra MA AO1.AO2 R1.R2 . Do đó MA R1R2 Vậy BC 2 R1R2 . Ví dụ 6. Hai đường tròn (O; 17cm) và ( O ; 10cm) cắt nhau tại A và B. Biết OO = 21cm. Tính diện tích tứ giác OAO B . Giải Vẽ dây chung AB cắt OO tại H thì AB  OO và HA HB . Xét AOO có OO 2 OA2 O A2 (vì 212 172 102 ) nên góc OAO là góc tù. Do đó điểm H nằm giữa O và O’. Đặt OH x thì O H 21 x .
6. Xét các HOA và HO A vuông tại H ta có: OA2 OH 2 O A2 O H 2 AH 2 2 Suy ra 172 x2 102 21 x x 15. Do đó AH 2 172 152 => AH 8 và AB 16cm . Diện tích tứ giác OAO B là: 1 1 S AB.OO .16.21 168 cm2 . 2 2 Nhận xét: Việc vẽ dây chung AB giúp ta xác định được tứ giác OAO B có hai đường chéo vuông góc. Do đó diện tích của tứ giác này bằng nửa tích của hai đường chéo. Đã biết OO = 21cm nên chỉ cần tính AB. C. Bài tập vận dụng * Vẽ đường kính vuông góc với một dây 10.1. Cho đường tròn (O; R) và một dây AB bất kì. Từ B vẽ tiếp tuyến xy. Vẽ AH  xy . Chứng AB2 minh rằng tỉ số luôn không đổi. AH 10.2. Cho hai đường tròn ( O ) và (O ) cắt nhau tại A và B. Gọi M là trung điểm của OO , gọi N là điểm đối xứng của A qua M. Vẽ một đường thẳng qua A cắt đường tròn ( O ) và (O ) lần lượt tại C và D. Chứng minh rằng tam giác NCD là tam giác cân. 10.3. Cho đường tròn ( O ) và hai dây song song AB, CD cách nhau 6cm, tâm O nằm ở miền trong của hai dây này và AB = 10cm, CD = 14cm. Một dây MN song song với hai dây này và cách đều chúng. Tính độ dài của dây MN. 10.4. Cho đường tròn (O; 3cm) và một điểm M cách O là 5cm. Qua M vẽ đường thẳng d cắt đường tròn tại A và B phân biệt hoặc trùng nhau. Tính giá trị lớn nhất, nhỏ nhất của tổng MA + MB. 10.5. Cho hai đường tròn ( O ) và (O ) cắt nhau tại A và B. Hãy dựng qua A một đường thẳng cắt đường tròn (O ) và (O ) lần lượt tại một điểm thứ hai là C và D sao cho A là trung điểm của CD. 1 10.6. Cho hai đường tròn đồng tâm O, bán kính lần lượt là R và r trong đó R r R . Hãy dựng 3 dây AB của đường tròn lớn cắt đường tròn nhỏ tại C và D (C nằm giữa A và D) sao cho AC CD DB .
7. * Vẽ bán kính đi qua tiếp điểm 10.7. Cho đường tròn (O) và đường thẳng xy tiếp xúc với nhau tại A. Từ một điểm B trên đường tròn vẽ BH  xy . Cho biết BH = 9cm, AH = 15cm. Tính bán kính của đường tròn. 10.8. Cho đường tròn (O; r) nội tiếp tam giác ABC vuông tại A. Qua O vẽ đường thẳng d cắt hai cạnh AB, AC lần lượt tại M và N. Tính diện tích nhỏ nhất của tam giác AMN. 10.9. Cho tam giác ABC vuông tại A có tổng hai cạnh góc vuông là 34cm. Biết bán kính R của đường tròn ngoại tiếp hơn bán kính r của đường tròn nội tiếp là 9cm. Tính R và r. 10.10. Hình bên vẽ đường tròn (O 2; x) tiếp xúc ngoài với đường tròn (O1; a) và (O3; b) và tiếp xúc với hai cạnh của góc nhọn xOy a) Chứng minh rằng bốn điểm O, O1, O2, O3 thẳng hàng. b) Tìm độ dài x. * Vẽ tiếp tuyến chung 10.11. Cho đoạn thẳng AB = 2a. Trên cùng một nửa mặt phẳng bờ AB ta vẽ đường tròn ( O ) tiếp xúc với AB tại A, đường tròn ( O ) tiếp xúc với AB tại B và hai đường tròn này tiếp xúc ngoài với nhau. Gọi R và R’ lần lượt là bán kính của đường tròn (O ) và (O ). Chứng minh rằng R.R a2 10.12. Cho hai đường tròn ( O ) và (O ) tiếp xúc với nhau tại A. Qua A vẽ một cát tuyến cắt đường tròn (O ) và (O ) tại B và C. Vẽ tiếp tuyến Bx của đường tròn ( O ) và tiếp tuyến Cy của đường tròn (O ). Chứng minh rằng Bx // Cy. 10.13. Cho đường tròn (O1; 3cm) và đường tròn (O2; 1cm) tiếp xúc ngoài tại A. Vẽ tiếp tuyến chung ngoài BC với B O1 và C O2 . Tính các độ dài AB, AC. 10.14. Cho đường tròn (O1; R1) và đường tròn (O2; R2) tiếp xúc ngoài với nhau tại A. Vẽ tiếp tuyến chung ngoài BC trong đó B O1 và C O2 . Vẽ đường tròn (O) tiếp xúc ngoài với đường tròn (O1) và đường tròn (O2) đồng thời tiếp xúc với đường thẳng BC tại một điểm nằm giữa B và C. Gọi R là bán kính của đường tròn (O). 1 1 1 a) Chứng minh rằng . R R1 R2
8. b) Bây giờ giả sử đường tròn (O; R) cố định còn đường tròn (O1; R1) và (O2; R2) thay đổi. Tìm giá trị nhỏ nhất của tích P R1.R2 theo độ dài R cho trước. * Vẽ dây chung 10.15. Cho hai đường tròn ( O ) và (O ) có bán kính khác nhau cắt nhau tại A và B. Vẽ hình bình hành OBO M . Chứng minh rằng bốn điểm M , A,O ,O cùng nằm trên một đường tròn. 10.16. Cho hai đường tròn (O ) và (O ) cắt nhau tại A và B. Vẽ các đường kính AOC và AO D . Qua A vẽ đường thẳng d cắt đường tròn ( O ) và đường tròn ( O ) lần lượt tại một điểm thứ hai là M và N. Xác định vị trí của đường thẳng d để tổng MC + ND đạt giá trị lớn nhất HƯỚNG DẪN GIẢI - ĐÁP SỐ 10.1. 1 Vẽ OK  AB ta có KB AB . 2 Nối OB thì OB  xy Suy ra OB // AH (vì cùng vuông góc xới xy). Do đó O· BA B· AH (so le trong). Vậy KBO ∽ HAB g.g . Suy ra 1 AB KB OB R AB2 2 2R (không AH AB AH AB AH đổi). 10.2.
9. Vẽ OH , O K và MI cùng vuông góc với CD. Ta có: HC HA; KD KA. Xét hình thang HKO O có: MI // OH // O K và MO MO nên IH IK Xét MHK có MI vừa là đường cao vừa là đường trung tuyến nên MHK cân => MH MK . (1) Xét ACN có MH là đường trung bình nên NC 2MH . (2) Xét ADN có MK là đường trung bình nên ND 2MK . (3) Từ (1), (2), (3) suy ra NC ND do đó NCD cân. 10.3. Qua O vẽ một đường thẳng vuông góc với ba dây song song cắt AB, CD và MN lần lượt tại H, K, I. Ta đặt OH x,OK y . Gọi R là bán kính của đường tròn. Theo tính chất đường kính vuông góc với dây ta có: 1 1 HA AB 5cm; KC CD 7cm 2 2 1 và IM . 2MN Áp dụng định lí Py-ta-go ta được x2 52 R2 ; y2 72 R2 . Suy ra x2 52 y2 72 x2 y2 24 x y x y 24 . Vì x y 6 nên x y 4. Suy ra x 5; y 1. Do đó R2 52 52 50 . Xét IOM vuông tại I có: IM 2 OM 2 OI 2 50 22 46 .
10. Suy ra IM 46 , do đó MN 2 46 cm . 10.4. Vẽ OH  AB ta được HA HB Ta có MA MB MH HA MH HB 2MH . Mặt khác, MH MO nên: MA MB 2MO 2.5 10 cm Vậy giá trị lớn nhất của tổng MA MB là 10cm khi d đi qua O. * Vẽ tiếp tuyến MT thì MT 2 MO2 OT 2 52 32 16 MT 4cm . Ta có MH 2 MO2 OH 2 (1). MT 2 MO2 OT 2 (2) Mặt khác, OH 2 OT 2 nên từ (1) và (2) Suy ra MH 2 MT 2 . Do đó MH MT 4cm . Ta có MA MB 2MH 2MT 8cm . Vậy giá trị nhỏ nhất của tổng MA MB là 8cm khi d là tiếp tuyến của đường tròn (O) 10.5. * Phân tích Giả sử đã dựng được cát tuyến CAD sao cho AC AD . Vẽ OH  AC,O K  AD . Ta có HC HA KA KD . Gọi M là trung điểm của OO , AM là đường trung bình của hình thang HKO O => AM // OH do đó AM  CD .
11. * Cách dựng - Dựng trung điểm M của OO - Qua A dựng một đường thẳng vuông góc với AM cắt đường tròn (O) và (O ) lần lượt tại C và D. Khi đó AC AD . * Chứng minh Vẽ OH  AC và O K  AD , ta được HC HA; KA KD . Hình thang HKO O có MO MO và MA // OH nên AH AK . Do đó AC AD . * Biện luận: Bài toán luôn có một nghiệm hình. 10.6. * Phân tích Giả sử đã dựng được dây AB sao cho AC CD DB . Vẽ OM  AB MA MB và MC MD . 1 Do đó MC MA. 3 Vẽ CN // OM N OA ta được: 1 CN  AB và ON OA . 3 * Cách dựng - Dựng bán kính OA của đường tròn lớn. 1 - Dựng điểm N trên OA sao cho ON OA . 3 - Dựng đường tròn đường kính AN cắt đường tròn (O; r) tại C. - Dựng dây AB của đường tròn lớn đi qua C cắt đường tròn nhỏ tại điểm thứ hai là D. Khi đó AC CD DB . * Chứng minh và biện luận: Dành cho bạn đọc. 10.7.
12. Vẽ bán kính OA ta được OA  xy . Vẽ BK  OA, tứ giác AKBH là hình chữ nhật nên KB AH 15cm . Xét KOB vuông tại K ta có: OB2 OK 2 KB2 . 2 Do đó r 2 r 9 152 r 2 r 2 18r 81 225 r 17cm 10.8. Gọi D, E lần lượt là tiếp điểm của đường tròn (O) trên các cạnh AB, AC. Ta có OD  AB,OE  AC và OD OE r Gọi S là diện tích của AMN . Ta có 1 1 1 S S S AM.OD AN.OE r AM AN AOM AON 2 2 2 Mặt khác, AM AN 2 AM.AN 2 2S . 1 Do đó S r.2 2S S 2 r 2 .2S . 2 Suy ra S 2r 2 (dấu “=” xảy ra AM AN AMN cân MN  OA ). Vậy min S 2r 2 khi d  OA. 10.9. Gọi O là tâm đường tròn nội tiếp ABC và D, E, F lần lượt là các tiếp điểm của đường tròn (O) trên các cạnh AB, BC, CA. Dễ thấy tứ giác AFOD là hình vuông. Suy ra AD AF OD OF r . Đường kính của đường tròn ngoại tiếp ABC là
13. BC 2R . Ta có BD BE,CF CE BD CF BE CE BC 2R . Mặt khác, AB AC AD BD AF CF AD AF BD CF 2r 2R . Vì AB AC 34 nên 2R 2r 34 hay R r 17 . Mặt khác R r 9 nên R 13cm;r 4cm . 10.10. a) Vẽ các bán kính đi qua các tiếp điểm. Mỗi điểm O 1, O2, O3 cách đều hai cạnh của góc xOy nên chúng nằm trên tia phân giác của góc xOy do đó các điểm O, O1, O2, O3 thẳng hàng. b) Vẽ O1D  OB,O2 E  O3C . Ta có O2 D x a;O3E b x . O2 D O1O2 x a x a O1DO2 ∽ O2 EO3 g.g . Suy ra . Do đó . O3 E O2O3 b x b x Suy ra x ab 10.11. Gọi C là tiếp điểm của hai đường tròn. Qua C vẽ tiếp tuyến chung cắt AB tại M. AB Ta có MA MC MB a . 2 Tia MO và tia MO là hai tia của góc CMA và góc CMB. Do đó MO  MO . Áp dụng hệ thức lượng trong tam giác vuông MOO ta có:
14. 2 2 AB OC.O C MC 2 Do đó R.R' a2 . 10.12. * Trường hợp hai đường tròn tiếp xúc ngoài Qua A vẽ một tiếp tuyến chung của hai đường tròn cắt Bx và Cy lần lượt tại M và N. Ta có MA MB; NA NC . µ µ ¶ ¶ Suy ra B1 A1;C2 A2 µ ¶ µ ¶ Mà A1 A2 nên B1 C2 . Do đó Bx // Cy (vì có cặp góc so le trong bằng nhau) * Trường hợp hai đường tròn tiếp xúc trong: Chứng minh tương tự. 10.13. Ta có ABC vuông tại A và BC 2 3.1 2 3cm (xem ví dụ 5). Vẽ đường kính BOD thì B· AD 90 . Mặt khác, B· AC 90 nên ba điểm C, A, D thẳng hàng. Ta có BD  BC (tính chất của tiếp tuyến). 1 1 1 Xét BCD vuông tại B, có BA là đường cao nên , BA2 BD2 BC 2 1 1 1 Suy ra 2 2 2 . BA 6 2 3 1 1 Do đó BA 3 cm . BA2 9 2 AC 2 BC 2 AB2 2 3 32 3 Suy ra AC 3 cm .
15. 10.14. a) Ta có BC 2 R1.R2 ; BD 2 R1.R;CD 2 R2 .R (xem ví dụ 5). Vì D nằm giữa B và C nên BC BD CD Hay 2 R1.R2 2 R1.R 2 R2 .R R1.R2 R1.R R2 .R Chia cả hai vế cho R1.R2 .R ta được 1 1 1 . R R1 R2 1 1 1 1 b) Theo bất đẳng thức Cô-si ta có 2 . R1 R2 R1 R2 1 2 1 4 2 hay R1.R2 4R R1.R2 16R 4 R R1.R2 R R1.R2 (dấu “=” xảy ra khi R1 R2 4R ). 2 Vậy min R1R2 16R khi R1 R2 4R 10.15. Vẽ dây chung AB. Gọi H và K lần lượt là giao điểm của OO với AB và MB. Theo tính chất dây chung ta có: HA HB . Theo tính chất của hình bình hành ta có KM KB . Do đó HK là đường trung bình của tam giác BAM. Suy ra HK // AM hay OO // AM, dẫn tới tứ giác có bốn đỉnh M , A,O ,O là hình thang. Ta có O M OB (cạnh đối hình bình hành) mà OA OB nên O M OA . Do đó bốn điểm M , A,O ,O là bốn đỉnh của một hình thang cân.
16. Suy ra bốn điểm M , A,O ,O cùng nằm trên một đường tròn (xem ví dụ 1, chuyên đề 6) 10.16. Vẽ dây chung AB. Vì AC, AD là đường kính nên ·AMC 90; ·AND 90; ·ABC ·ABD 90 . Do đó ba điểm C, B, D thẳng hàng và đoạn thẳng CD cố định. Ta có CM // DN (vì cùng vuông góc với d). Suy ra tứ giác MNDC là hình thang. Gọi E, F lần lượt là trung điểm của MN và CD. Ta được AF là một đoạn thẳng cố định. Đoạn thẳng EF là đường trung bình của hình thang MNDC. Do đó MC ND 2EF 2AF (dấu “=” xảy ra khi E  A MN  AF ). Vậy max MC ND 2AF khi d  AF .