Chuyên đề luyện thi học sinh giỏi và ôn thi vào 10 - Phần Hình học - Chuyên đề 11: Chứng minh một điểm di động trên một đường tròn hoặc một đường thẳng cố định

Nội dung text: Chuyên đề luyện thi học sinh giỏi và ôn thi vào 10 - Phần Hình học - Chuyên đề 11: Chứng minh một điểm di động trên một đường tròn hoặc một đường thẳng cố định

1. CHƯƠNGChuyên đề 11. CHỨNG MINH MỘT ĐIỂM DI ĐỘNG TRÊN MỘT ĐƯỜNG TRÒN HOẶC MỘT ĐƯỜNG THẲNG CỐ ĐỊNH A. Đặt vấn đề Các yếu tố trong một hình thường liên quan chặt chẽ với nhau. Khi một điểm nào đó của hình di động khỏi vị trí ban đầu thì những yếu tố của hình sẽ biến đổi, kéo theo một điểm khác cũng di động theo. Việc xác định xem một điểm di động trên đường nào là một phần của bài toán quỹ tích sẽ học ở chương sau. Trong chuyên đề này ta chỉ xét phần đầu của bài toán quỹ tích, tức là xét xem một điểm có tính chất nào đó thì nó chuyển động trên đường nào? Trong chương đường tròn ta quan tâm tới hai đường cơ bản là đường tròn và đường thẳng. 1. Muốn chứng minh một điểm M di động trên một đường tròn ta phải làm hai việc: - Xác định một điểm cố định trong hình - Chứng minh điểm M cách điểm cố định này một khoảng không đổi. 2. Muốn chứng minh một điểm M di động trên một đường thẳng ta có thể: - Chứng minh điểm M cách đều hai đầu của một đoạn thẳng cho trước Khi đó điểm M sẽ di động trên đường trung trực của đoạn thẳng ấy - Chứng minh điểm M cách đều hai cạnh của một góc cho trước Khi đó điểm M sẽ di động trên tia phân giác của góc ấy. - Chứng minh điểm M cách đều một đường thẳng song song với một đường thẳng cho trước và cách đường thẳng ấy một khoảng cho trước. Khi đó điểm M sẽ di động trên một đường thẳng song song với một đường thẳng cho trước và cách đường thẳng ấy một khoảng cho trước. Ngoài ra, còn có thể vận dụng tính chất: qua một điểm cho trước có thể vẽ được một và chỉ một đường thẳng vuông góc (hoặc song song) với một đường thẳng cho trước. B. Một số ví dụ Ví dụ 1. Cho đường tròn O;37cm , dây AB 70cm . Khi dây AB di động trong đường tròn thì trung điểm M của nó di động trên đường nào? Giải Tìm cách giải
2. Trong hình đã có một điểm O cố định. Ta chỉ cần xác định xem điểm M cách điểm O một khoảng là bao nhiêu? Trình bày lời giải Ta có MA MB 70 : 2 35cm Suy ra OM  AB (định lí đường kính đi qua trung điểm của một dây) Xét AOM vuông tại M ta có: OM2 OA2 AM2 372 352 144 OM 12 cm Vậy điểm M di động trên đường tròn O;12cm Ví dụ 2. Cho đường tròn O;R và một dây AB cố định. Lấy điểm M di động trên đường tròn. Vẽ hình bình hành ABMN. Hỏi điểm N di động trên đường nào? Giải Vẽ hình bình hành ABOK Vì A, B, O cố định nên K cố định. Ta có MN // OK (vì cùng song song với AB) MN=OK (vì cùng bằng AB) Vậy tứ giác MNKO là hình bình hành. Suy ra KN OM R (không đổi) Vì K cố định nên N di động trên đường tròn K;R Nhận xét: Trong hình có ba điểm cố định là A, B, O. Điểm N không cách đều điểm nào trong ba điểm đó. Vì thế ta vẽ hình phụ để tìm điểm cố định thứ tư là điểm K. Khi đó chỉ còn phải chứng minh KN có độ dài không đổi. AB Ví dụ 3. Cho trước đoạn thẳng AB. Đường tròn O thay đổi có bán kính R . Vẽ các tiếp 2 tuyến AC và BD. Cho biết AC BD , hỏi tâm O di động trên đường nào? Giải Tìm cách giải
3. Vẽ vài vị trí của điểm O, ta thấy chúng tẳng hàng và các điểm O này luôn cách đều hai đầu của đoạn thẳng cố định nên ta nghĩ đến đường trung trực của đoạn thẳng AB. Trình bày lời giải Ta có:OC  AC , OD  BD (tính chất của tiếp tuyến). AOC và BOD có: AC BD ; Cµ Dµ 90 ; OC OD Nên AOC BOD c.g.c Suy ra OA OB Điểm O cách đều hai đầu của đoạn thẳng AB cố định nên điểm O di động trên đường trung trực của AB Ví dụ 4. Cho hai đường thẳng song song xy và x y cách nhau một khoảng 2a . Một đường tròn O tiếp xúc với xy và x y . Hỏi điểm O di động trên đường nào? Giải Tìm cách giải Vẽ vài vị trí của điểm O ta thấy chúng thẳng hàng và nằm trên một đường thẳng song song với hai đường thẳng đã cho. Trình bày lời giải Gọi H và H là các tiếp điểm của đường tròn O trên xy và x y . Ta có OH  xy ,OH  x y Vì xy // x y nên ba điểm H, O, H thẳng hàng Ta có OH OH 2a : 2 a Điểm O cách đều hai đường thẳng song song xy và x y một khoảng bằng a nên O di động trên đường thẳng d // xy // x y và cách mỗi đường đó một khoảng bằng a Ví dụ 5. Cho đường tròn O;R và một điểm A cố định không trùng với tâm O. Qua A vẽ một đường thẳng không đi qua tâm cắt đường tròn tại B và C. Các tiếp tuyến B và C của đường tròn cắt nhau tại M. Hỏi điểm M di động trên đường nào? Giải
4. Từ M vẽ đường thẳng m  OA, cắt OA tại H. Ta có MB MC và MO là tia phân giác của góc BMC Từ đó suy ra MO  BC AOK ∽ MOH g.g OK OA Suy ra OH OM Do đó OH.OA OK.OM 1 Xét COM vuông tại C, có CK là đường cao, ta có: OK.OM OC2 R2 2 R2 Từ 1 và 2 suy ra OH.OA R2 OH (không đổi) OA Vậy H là một điểm cố định trên tia OA. Suy ra điểm M di động trên đường thẳng m  OA tại H C. Bài tập vận dụng Điểm di động trên đường tròn 11.1. Cho đoạn thẳng AB và điểm K nằm giữa A và B. Một tia Kx quay quanh K, trên Kx lấy đểm M sao cho ·AMK A· BM . Hỏi điểm M di động trên đường nào? 11.2. Cho đường tròn O;R . Từ một điểm M di động nằm ngoài đường tròn vẽ các tiếp tuyến MA, MB với đường tròn tạo thành một góc bằng cho trước. Hỏi điểm M di động trên đường nào? 11.3. Cho đường tròn O;R . Trên đường tròn lấy một điểm A cố định và một điểm B di động. Từ A vẽ tiếp tuyến xy. Đường thẳng vẽ từ B vuông góc với xy và đường thẳng vẽ từ O vuông góc với AB cắt nhau tại M. Hỏi điểm M di động trên đường nào? 11.4 Cho tam giác ABC, cạnh BC 6cm cố định và AB 3cm . Tia phân giác của góc B cắt cạnh AC tại M. Hỏi điểm M di động trên đường nào?
5. 11.5. Cho đường tròn O . Trên đường tròn lấy một điểm A cố định và một điểm B di động. Gọi C là điểm đối xứng của O qua AB. Hỏi trọng tâm G của tam giác ABC di động trên đường nào? 11.6 Cho đường tròn O đường kính AB. Từ A vẽ tiếp tuyến xy với đường tròn. Từ một điểm C di động trên đường tròn vẽ CH  AB và CK  xy . Hỏi trung điểm M của HK di động trên đường nào? 11.7. Cho đường tròn O;3cm và một điểm A cố định cách O là 6cm . Gọi B là một điểm di động trên đường tròn sao cho ba điểm A, O, B không thẳng hàng. Gọi OM và ON là các đường phân giác trong và ngoài tại điểm O của tam giác AOB. Hỏi điểm M và điểm N di động trên đường nào? Điểm di động trên đường thẳng 11.8. Cho xOy góc khác góc bẹt. Đường tròn K tiếp xúc với hai cạnh Ox và Oy. Hỏi điểm K di động trên đường nào? 11.9. Cho đường tròn O;R và một điểm A cố định. Gọi B là một điểm di động trên đường tròn sao cho A, O, B không thẳng hàng. Qua O vẽ một đường thẳng vuông góc với AB cắt tiếp tuyến Bx của đường tròn tại M. Hỏi điểm M di động trên đường nào? . 11.10. Cho đường tròn O đường kính AB. Trên tia đối của tia BA lấy một điểm C. Vẽ đường tròn C; CO . Tiếp tuyến chung của hai đường tròn tiếp xúc với đường tròn O tại D, tiếp xúc với đường tròn C tại E. Chứng minh rằng C di động trên tia đối của tia BA thì điểm E di động trên một đường thẳng cố định. 11.11. Cho hai điểm cố định A và B. Vẽ các đường tròn O và O cùng nhau đi qua A và B. Vẽ dây AC của đường tròn O tiếp xúc với đường tròn O tại A. Vẽ dây AD của đường tròn
6. O tiếp xúc với đường tròn O tại A. Qua O vẽ một đường thẳng vuông góc với AB. Qua O vẽ một đường thẳng vuông góc với AD, hai đường thẳng này cắt nhau tại M. Hỏi khi hai đường tròn O và O thay đổi nhưng luôn đi qua A và B thì điểm M di động trên đường nào? 11.12. Cho đường tròn O;R và một điểm A cố định trên đường tròn đó. Từ A vẽ tiếp tuyến xy, trên đó lấy điểm M di động. Từ M vẽ tiếp tuyến thứ hai với đường tròn O;R với tiếp điểm B. a) Gọi K là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác MAB. Hỏi khi điểm M di động trên xy thì điểm K di động trên đường nào? b) Gọi H là trực tâm của tam giác MAB. Hỏi khi điểm M di động trên xy thì điểm H di động trên đường nào? HƯỚNG DẪN GIẢI - ĐÁP SỐ 11.1. AMK ∽ ABM (g.g) AM AK AB AM AM2 AB.AK AM AB.AK (không đổi) Vì A cố định nên điểm M di động trên đường tròn A; AB.AK 11.2. Vẽ bán kính OA, ta có OA  MA 1 Theo tính chất tiếp tuyến cắt nhau, ta có A· MO ·AMB 2 2 Xét AOM vuông tại A ta có: OA R OM (không đổi) AMB sin sin 2 2
7. Vì điểm O cố định nên điểm M di động trên đường tròn R O; sin 2 11.3. Vì xy là tiếp tuyến nên OA  xy Mặt khác BM  xy , nên OA // BM Suy ra O· AB A· BM (so le trong). Gọi H là giao điểm của OM và AB Ta có HOA HMB (g.c.g) OA MB Tứ giác AOBM có OA // BM và OA=MB nên là hình bình hành Suy ra AM=OB=R (không đổi) Vì điểm A cố định nên điểm M di động trên đường tròn A;R 11.4. XétVABC có BM là đường phân giác nên CM BC 6 2 AM BA 3 1 CM 2 CM 2 Suy ra hay CM AM 2 1 CA 3 Từ M vẽ MK // AB K BC KM CK CM 2 Ta có BA CB CA 3 KM CK 2 Do đó 3 6 3 Suy ra KM 2 cm ; CK 4 cm Vậy K là một điểm cố định trên tia CB Suy ra điểm M di động trên đường tròn K;2cm Nhận xét: Từ hai điểm cố định trong đề bài là B và C ta đã tạo ra một điểm K cố định rồi tính khoảng cách KM từ đó suy ra điểm M di động trên đường tròn K;2cm
8. 11.5. Gọi H là giao điểm của OC và AB Vì C và O đối xứng qua AB nên HC HO nên OC  AB . Suy ra HA HB Ta có G là trọng tâm của ABC nên ba điểm C,G,H thẳng hàng và HG 1 HC 3 Vẽ GD // AB (D thuộc tia đối của tia AO) AD HG 1 1 Theo định lí Ta-lét ta có . Vậy AD AO (không AO HO 3 3 đổi) Do AO cố định nên D cố định, đoạn thẳng OD cố định. Xét GOD vuông tại G, cạnh huyền OD cố định nên điểm G di động trên đường tròn đường kính OD. 11.6. Ta có OA  xy (tính chất của tiếp tuyến), CH  AB , CK  xy Tứ giác AKMH có ba góc vuông tạo nên hình chữ nhật Suy ra hai đường chéo AC và HK cắt nhau tại trung điểm mỗi đường. Do đó trung điểm M của HK cũng là trung điểm M của AC. Suy ra OM  AC Xét MAO vuông tại M có AO là cạnh huyền nên điểm M di động trên đường tròn đường kính AO 11.7. Xét AOB có OM là đường phân giác trong nên MA OA 6 2 MB OB 3 1 Theo tính chất của tỉ lệ thức ta có: MA 2 MA 2 hay MA MB 2 1 AB 3 Vẽ MC và ND song song với OB (C và D thuộc đường thẳng AO)
9. AC AM 2 AC 2 Xét AOB có CM // OB nên . Do đó AC 4 cm AO AB 3 6 3 Vậy C là một điểm cố định trên tia AO. CM AC Áp dụng hệ quả của định lí Ta-lét ta có OB AO CM 4 Vậy CM 2 cm 3 6 Vì điểm C cố định nên điểm M di động trên đường tròn C;2cm Dùng tính chất đường phân giác ngoài, ta tính được AD 12cm suy ra điểm D cố định trên tia AO Dùng hệ quả định lí Ta-lét ta tính được DN=6cm Do đó điểm N di động trên đường tròn D;6cm 11.8. Gọi H và H ' là các tiếp điểm của đường tròn (K) trên các cạnh Ox, Oy. Ta có KH  Ox ; KH  Oy và KH KH nên điểm K cách đều hai cạnh của góc xOy do đó điểm K di động trên tia phân giác của góc xOy do đó điểm K di động trên tia phân giác của góc xOy 11.9. Từ M vẽ đường thẳng m  OA đường thẳng cắt OA tại H AOK ∽ MOH (g.g) OA OK Suy ra OA.OH OK.OM OM OH Xét OBM có OB  MB (tính chất của tiếp tuyến), BK là đường cao nên: OK.OM OB2 R Từ 1 và 2 suy ra OA.OH R2 R2 OH (không đổi) OA Do đó H là điểm cố định trên tia OA cố định Vậy M di động trên đường thẳng m đi qua H và m  OA
10. 11.10. Vẽ bán kính OD, CE ta được OD // CE (vì cùng vuông góc với DE) Suy ra: D· OE C· EO (so le trong) Mà C· OE C· EO ( vì COE cân) Nên D· OE C· OE Do đó: DOE BOE (c.g.c) Suy ra O· BE O· DE 90 EB  OB Vì OB cố định nên điểm E di động trên một đường thẳng cố định là đường thẳng vuông góc với OB tại B. 11.11. Ta có O A  AC (tính chất của tiếp tuyến), OM  AC , suy ra O A // OM Chứng minh tương tự ta được O M // OA , do đó tứ giác AO MO là hình bình hành. Suy ra OO và AM cắt nhau tại trung điểm của mỗi đường. Vậy KA KM Mặt khác HA HB và OO  AB (tính chất dây chung) Do đó KH là đường trung bình của tam giác ABM KH // MB dẫn tới MB  AB tại B Vậy M di động trên đường thẳng xy  AB tại B 11.12. a) Ta có OA  xy ; OB  MB (tính chất của tiếp tuyến) Gọi K là trung điểm của OM Các AOM và BOM vuông tại A và B nên KA KB KO KM Vậy K là tâm đường tròn ngoại tiếp MAB Điểm K cách đều hai đầu đoạn thẳng OA nên điểm K di động trên đường trung trực d của OA
11. b) Ta có OA // BH (vì cùng vuông góc với xy); OB // AH (vì cùng vuông góc với MB). Suy ra tứ giác OAHB là hình bình hành. Hình bình hành này có OA OB R nên là hình thoi Do đó AH AO R Vì điểm A cố định nên điểm H di động trên đường tròn A;R