Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →
48
S. Ovchinnikov
Điểm thuộc một đường thẳng và một mặt phẳng
Đối với lời giải hình học bài toán người ta thường sử dụng điều kiện là các điểm thuộc đường thẳng hoặc mặt phẳng. Việc sử dụng vectơ cho phép chúng ta viết các điều kiện này ở dạng đơn giản và nhỏ gọn. Đồng thời, trong lời giải bài toán thường không cần đến những công trình xây dựng bổ sung khá xảo quyệt.
Trong lưu ý này, chúng ta sẽ rút ra các điều kiện để các điểm thuộc một đường thẳng và một mặt phẳng, đồng thời xem xét các ví dụ về ứng dụng của chúng. Hãy bắt đầu với lời giải tiếp theo bài toán.
Bài toán 1 (Khoa Kinh tế, Đại học Tổng hợp Matxcơva, 1975). Cho tam giác ABC. Trên cạnh AB và BC lần lượt lấy điểm M và N; ∣AB∣=5∣AM∣, ∣BC∣=3∣BN∣. Đoạn thẳng AN và CM cắt nhau tại điểm O. Tìm tỉ số diện tích của các tam giác AOC và ABC.
Lưu ý rằng phần lớn người nộp đơn không thể tìm ra cách xây dựng bổ sung ME || AN và do đó đã không giải quyết được điều này bài toán.
Xét lời giải khác dựa trên kết quả bài toán 254 của sách giáo khoa Hình học 9. Chúng ta hãy xây dựng kết quả này như sau:
Định lý 1. Với mọi cách chọn điểm O, đẳng thức
OC=αOA+(1−α)OB
(1)
đối với một số α điều cần thiết và đủ điều kiện là các điểm A, B và C (A=B) thuộc cùng một đường thẳng. Đồng thời BC=αBA.
Hình 1.
Hình 2.
49
Hình 2 minh họa Định lý 1. Lưu ý rằng giá trị của hệ số α xác định vị trí của điểm trên đường (AB). Nếu 0⩽α⩽1 thì điểm C nằm giữa A và B; nếu α>1 thì điểm A nằm giữa C và B và cuối cùng, nếu α<0 thì điểm B nằm giữa A và C. Hệ số α đóng vai trò nhận biết tọa độ trên đường thẳng (AB): gốc tọa độ là điểm B và thang đo được cho bởi đoạn BA sao cho điểm A có tọa độ một.
Hãy quay lại bài toán 1 và biểu thị BA=p và BC=q. Sau đó BM=54p và BN=31q. Vì điểm O thuộc các đường thẳng AN và CM nên BO=α1BM+(1−α1)BC=α2BA+(1−α2)BN,
tức là 54α1p+(1−α1)q=α2p+31(1−α2)q,
Ở đâu {54α1=α2,1−α1=31(1−α2).
Giải hệ thu được, ta tìm được α1=1110,α2=118. Theo Định lý 1 CO=α1CM=1110CM,
Ở đâu
Hình 3.
Hình 4.
50
=310. Ký hiệu BCD bằng φ, từ tam giác ECF ta tìm được cosφ=101 bằng cách sử dụng định lý cosine. Cho giá trị của cosф, chúng ta tính các đường chéo ∣AC∣=45 và ∣BD∣=37 bằng định lý cosine.
Bài toán 3*). Cho một hình tam giác ABC và một điểm M trên cạnh BC. Chứng minh rằng ∣AM∣⋅∣BC∣≤∣AB∣⋅∣MC∣+∣AC∣⋅∣BM∣.
Lời giải (Hình 4). Chúng tôi có AM=αAB+(1−α)AC.
Vì α=∣BC∣∣MC∣, nên 1−α=∣BC∣∣BM∣. Tiếp theo, AM=αAB+(1−α)AC≤αAB+(1−α)AC=∣BC∣∣MC∣⋅∣AB∣+∣BC∣∣BM∣⋅∣AC∣, từ đó phát biểu bài toán.
Định lý 1 cho phép khái quát hóa sau đây cho trường hợp không gian.
Định lý 2. Cho A,B và C là các điểm phân biệt theo từng cặp không nằm trên cùng một đường thẳng. Với mọi lựa chọn điểm O đẳng thức OD=αOA+βOB+(1−α−β)OCявляетсянеобходимымидостаточноусловиемпринадлежноститочкиA,B,CиDоднойплоскости.
Chứng minh 1) Tính đầy đủ. Giả sử (2) được thỏa mãn. Chúng tôi tìm thấy OD−OC=α(OA−OC)+β(OB−OC), từ đâu CD=αCA+βCB. Do đó, các vectơ CA,CB và CD là đồng phẳng và do đó, các điểm A,B,C và D thuộc cùng một mặt phẳng.
Sự cần thiết. Nếu A,B,C và D thuộc cùng một mặt phẳng thì các vectơ CA,CB và CD là đồng phẳng. Vì các điểm A,B và C phân biệt theo từng cặp và không nằm trên cùng một đường thẳng nên các vectơ CA và CB không thẳng hàng.
*) bài toán này được đề xuất bởi I. Sharygin.
Hình 5.
52
Trừ thể tích của kim tự tháp LAFN và DB1KM. Gọi V là thể tích của lăng kính. Từ các tính toán trước đây, chúng ta biết sự tương ứng giữa các độ cao ∣LA1∣, ∣DB1∣, ∣LA∣ của các kim tự tháp LA1EM, LAFN, DB1KM và chiều cao của lăng kính, cũng như sự tương ứng giữa các diện tích của các đáy. Điều này giúp bạn dễ dàng tìm thấy VLA1EM=83V, VLAFN=721V và VMKB1D=481V, từ đó thể tích của khối đa diện AEKB1DNAF bằng 83V−721V−481V=14449V. Vì vậy, mặt phẳng cắt chia thể tích của lăng kính theo tỷ lệ 49:95.
Trước tiên, hãy lưu ý rằng trong lời giải của chúng tôi, điều kiện lăng kính đúng không được sử dụng ở bất kỳ đâu. Thứ hai, phương pháp lời giải của chúng tôi cũng phù hợp trong trường hợp các điểm E và N không phải là trung điểm của các cạnh A1C1 và AB, trong khi lời giải với các cấu trúc bổ sung *) sử dụng đáng kể trường hợp này (prima EP cắt BB1 tại điểm D vì ∣A1E∣=∣EC1∣).
Một độc giả chú ý có thể đã nhận thấy khi so sánh Định lý 1 và Định lý 2 rằng trong Định lý 1, hệ số α chỉ đơn giản là dado có nguồn gốc hình học, trong khi ý nghĩa hình học của các hệ số α và β trong Định lý 2 vẫn chưa rõ ràng. Chúng tôi đã tận dụng khoảng trống này trong một trường hợp cụ thể quan trọng, để lại cho người đọc phần khái quát hóa.
Định lý 3. Nếu theo điều kiện của Định lý 2, điểm D nằm trong tam giác ABC thì từ đẳng thức OD=αOA+βOB+(1−α−β)OCследует ⎩⎨⎧α=SBDC:SABC,β=SADC:SABC,1−α−β=SADB:SABC.
*) So sánh lời giải của bài toán này với điều được đưa ra trong cuốn sách của G.V. Dorofeev, M.K. Potapov, N.Kh. Rozov “Sổ tay toán học để xây dựng bài toán”, Moscow, 1976, phần 3, § 6, bài toán 7 (tr. 514).
53
Hình 8.
Chứng minh (Hình 8). Như sau từ chứng minh Định lý 2 CD=αCA+βCB. Hãy đặt CK=αCA, CL=βCB. Từ Hình 8 có thể thấy rằng SADC:SABC=β và SBDC:SABC=α. Từ những đẳng thức này dễ dàng suy ra SADB:SABC=1−α−β.
Nhiệm vụ và
(Geofak, Đại học quốc gia Mátxcơva, 1966). Điểm K chia đường trung tuyến AD của tam giác ABC theo tỷ lệ 3:1, tính từ đỉnh. Đường thẳng BK chia mặt phẳng của tam giác ABC theo tỷ lệ nào?
(Geofak, Đại học quốc gia Mátxcơva, 1974). Cho một đường thẳng tứ giác đều PABCD có đỉnh P. Trên các cạnh PA và PC lần lượt lấy các điểm K và M và ∣AK∣:∣KP∣=1:3, ∣CM∣=∣PM∣. Tìm tỉ lệ mà cạnh PB được chia cho mặt phẳng vẽ qua các điểm D, K và M.
(Khoa Hóa học, Đại học Tổng hợp Matxcova, 1970). Mặt phẳng đi qua đỉnh A của đáy của đường thẳng tam giác SABC, chia đôi đường trung tuyến SK của tam giác SAB và cắt đường trung bình SL của tam giác SAC tại điểm D sao cho ∣SD∣=21∣DL∣. Mặt phẳng này chia thể tích của một đường thẳng theo tỉ lệ nào?
Sửa đổi. Có lỗi đánh máy trong điều kiện bài toán M483, mô tả bài toán «Kvant» («Kvant», 1978, Số 1). Dưới đây chúng tôi đặt điều kiện chính xác của bài toán này. Thời hạn gửi lời giải được kéo dài đến ngày 1 tháng 5 năm 1978.
(Geofak, Đại học quốc gia Mátxcơva, 1976). Trong hình bình hành ABCD có các đường chéo bằng ∣AC∣=6 và ∣BD∣=24, vẽ một đoạn EF nối điểm E của đường chéo AC với điểm F của cạnh BC. Điểm E và F được chọn sao cho ∣BF∣∣FC∣=21,∣EF∣∣EA∣=31. Được biết, điểm M giao điểm của đường chéo BD với đoạn EF chia nó theo tỷ lệ ∣MF∣∣EM∣=21. Tìm các cạnh của hình bình hành.
Cho một hình tam giác ABC. Ở bên AB chúng ta lấy điểm D, và ở bên BC chúng ta lấy điểm E và F sao cho ∣AD∣:∣DB∣=3:2,∣BE∣:∣EC∣=1:3 và ∣BF∣:∣FC∣=4:1. Đường (AE) chia đoạn DF theo tỷ lệ nào?
(Mekhmat, Đại học quốc gia Mátxcơva, 1964). Cho một khối lập phương ABCDA1B1C1D1, trong đó AA1,BB1,CC1,DD1 là các cạnh bên. Thể tích của hình lập phương chia cho mặt phẳng đi qua đỉnh A, giữa cạnh BC và tâm của mặt DCC1D1 theo tỷ lệ nào?
(Mekhmat, Đại học quốc gia Mátxcơva, 1965). Cho một đường thẳng tứ giác đều SABCD có đỉnh S. Một mặt phẳng được vẽ đi qua trung điểm của các cạnh AB,AD và CS. Mặt phẳng này chia thể tích của một đường thẳng theo tỉ lệ nào?
Bên trong tam giác ABC lấy điểm O. Các đường (AO),(BO) và (CO) lần lượt cắt các cạnh BC, CA và AB tại các điểm P, Q và R. Chứng minh rằng
∣RB∣∣AR∣⋅∣PC∣∣BP∣⋅∣QA∣∣CQ∣=1.
Điểm P và Q chia hai cạnh BC và CA của tam giác ABC theo tỉ số đã cho:
∣PC∣∣BP∣=a,∣QA∣∣CQ∣=b.
Gọi O là giao điểm của đường AP và BQ. Tìm tỉ số của tứ giác phẳng OPCQ với tam giác phẳng ABC.
Giả sử OABC là một đường thẳng tam giác có đỉnh O và M một điểm bên trong tam giác ABC. Sau đó
∣OM∣⋅SABC≤∣OA∣⋅SMBC+∣OB∣⋅SMAC+∣OC∣⋅SMAB.
M483. a) Chứng minh rằng tỉ số giữa bình phương bán kính đường tròn nội tiếp của một tam giác vuông với tổng bình phương độ dài các đường trung tuyến vẽ từ các góc nhọn không vượt quá 1/20.
Ý nghĩa quan trọng nhất mà mối quan hệ này có thể mang lại là gì?