Kvant

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 →

21

Matematika
8, 9, 10

Ghi chú được công bố dưới đây là dành cho học sinh lớp mười. Tuy nhiên, phần đầu tiên của nó có thể hữu ích cho học sinh lớp 8 và lớp 9.

Vectơ trong bài toán hình học

  1. Tính song song và tỷ lệ của các phân đoạn

Bài toán 1. Điểm K, L, M, N là trung điểm các cạnh BC, CD, DE, EA của ngũ giác ABCDE, điểm P và Q là trung điểm của các đoạn KM và LN. Chứng minh hai đoạn thẳng PQ và AB song song và tìm tỉ số độ dài của chúng (trang 1).

Hãy để chúng tôi dịch câu lệnh bài toán sang ngôn ngữ vector.

Sự song song của các đoạn PQ và AB được viết bằng đẳng thức PQ→=k⋅AB→\overrightarrow{PQ} = k \cdot \overrightarrow{AB}, trong đó kk là một số thực. Sau khi tính kk, ta tìm được tỉ số độ dài của các đoạn PQ và AB.

Công thức chính trong lời giải của bài toán này hóa ra là OZ→=12(OX→+OY→)\overrightarrow{OZ} = \frac{1}{2}(\overrightarrow{OX} + \overrightarrow{OY}), trong đó ZZ là trung điểm của đoạn XY và OO là một điểm tùy ý.

Lời giải. PQ→=OQ→−OP→=12(OL→+ON→)−12(OK→+OM→)=12(12(OC→+OD→)+12(OA→+OE→))=14(OA→−OB→)=−14AB→\overrightarrow{PQ} = \overrightarrow{OQ} - \overrightarrow{OP} = \frac{1}{2}(\overrightarrow{OL} + \overrightarrow{ON}) - \frac{1}{2}(\overrightarrow{OK} + \overrightarrow{OM}) = \frac{1}{2}\left(\frac{1}{2}(\overrightarrow{OC} + \overrightarrow{OD}) + \frac{1}{2}(\overrightarrow{OA} + \overrightarrow{OE})\right) = \frac{1}{4}(\overrightarrow{OA} - \overrightarrow{OB}) = -\frac{1}{4}\overrightarrow{AB}.

Suy ra hai đoạn PQ và AB song song và tỉ số của chúng là 14\frac{1}{4}.

Trong lời giải đã cho, chúng tôi đã sử dụng “công thức sai phân” hai lần

XY→=OY→−OX→\overrightarrow{XY} = \overrightarrow{OY} - \overrightarrow{OX}, cho phép bạn biểu diễn bất kỳ vectơ nào theo các vectơ được vẽ từ cùng một điểm.

Dưới đây là một số ví dụ về cách viết cùng một câu lệnh bằng ngôn ngữ hình học và vectơ:

  1. Các điểm A, B, C cùng nằm trên một đường thẳng.
  2. Điểm M chia đoạn AB liên quan đến ∣AM∣:∣MB∣=l:k|AM|:|MB| = l:k
  3. M là giao điểm các đường trung tuyến (trọng tâm) của tam giác ABC.
  4. ABCD - đường song song.

Trong hai trường hợp cuối, các câu lệnh hình học và vectơ là tương đương với điều kiện là các điểm A, B, C không nằm trên cùng một đường thẳng.

Bài toán 2. Chứng minh rằng trung điểm hai đáy và giao điểm của các đường chéo của hình thang cùng nằm trên một đường thẳng (Hình 2).

Lời giải. Gọi M, N là trung điểm BC và AD của hình thang ABCD, O là giao điểm của hai đường chéo. Từ sự đồng dạng của các tam giác AOD và BOC ta có: ∣OA∣∣OC∣=∣OD∣∣OB∣\frac{|OA|}{|OC|} = \frac{|OD|}{|OB|}. Chỉ định những điều này

22

  1. Tâm của hệ thống điểm

Khái niệm trọng tâm có thể dễ dàng được chuyển từ một tam giác sang một hệ điểm hữu hạn tùy ý trong không gian:

Điểm M được gọi là trọng tâm của hệ gồm n điểm A1,A2,…,AnA_1, A_2, \dots, A_n nếu MA→1+MA→2+⋯+MA→n=0→\overrightarrow{MA}_1 + \overrightarrow{MA}_2 + \dots + \overrightarrow{MA}_n = \overrightarrow{0}.

Sử dụng công thức sai phân, đẳng thức cuối cùng có thể được viết lại như sau: (OA→1−OM→)+(OA→2−OM→)+⋯+(OA→n−OM→)=0→(\overrightarrow{OA}_1 - \overrightarrow{OM}) + (\overrightarrow{OA}_2 - \overrightarrow{OM}) + \dots + (\overrightarrow{OA}_n - \overrightarrow{OM}) = \overrightarrow{0} (O là điểm tùy ý),

OA→1+OA→2+⋯+OA→n−n⋅OM→=0→\overrightarrow{OA}_1 + \overrightarrow{OA}_2 + \dots + \overrightarrow{OA}_n - n \cdot \overrightarrow{OM} = \overrightarrow{0},

OM→=1n(OA→1+OA→2+⋯+OA→n)\overrightarrow{OM} = \frac{1}{n} (\overrightarrow{OA}_1 + \overrightarrow{OA}_2 + \dots + \overrightarrow{OA}_n).

Từ công thức cuối cùng, suy ra rằng mọi hệ điểm hữu hạn đều có một trọng tâm. Hơn nữa, trọng tâm của một hệ gồm một điểm chính là điểm này, trọng tâm của một cặp điểm là chính giữa đoạn nối chúng. Việc tìm trọng tâm của một số lớn được tha thứ theo nguyên tắc sau: nếu M1M_1 là trọng tâm của hệ k điểm A1,A2,…,AkA_1, A_2, \dots, A_k, và M2M_2 là trọng tâm của hệ l điểm B1,B2,…,BlB_1, B_2, \dots, B_l và các hệ này không có điểm chung thì trọng tâm của hệ k + l điểm A1,A2,…,Ak,B1,B2,…,BlA_1, A_2, \dots, A_k, B_1, B_2, \dots, Bl là điểm M thuộc đoạn M1M2M_1M_2 và chia nó trong quan hệ ∣M1M2∣=l:k|M_1M_2| = l:k.

Thật vậy, hãy để k⋅M1M→=l⋅MM2→k \cdot \overrightarrow{M_1M} = l \cdot \overrightarrow{MM_2}.

Sử dụng công thức sai phân, ta có:

k(OM→−OM→1)=l(OM→2−OM→1)k (\overrightarrow{OM} - \overrightarrow{OM}_1) = l (\overrightarrow{OM}_2 - \overrightarrow{OM}_1),

k⋅OM→−k⋅OM→1=l⋅OM→2−l⋅OM→1k \cdot \overrightarrow{OM} - k \cdot \overrightarrow{OM}_1 = l \cdot \overrightarrow{OM}_2 - l \cdot \overrightarrow{OM}_1,

(k+l)⋅OM→=k⋅OM→1+l⋅OM→2(k + l) \cdot \overrightarrow{OM} = k \cdot \overrightarrow{OM}_1 + l \cdot \overrightarrow{OM}_2,

OM→=kk+lOM→1+lk+lOM→2\overrightarrow{OM} = \frac{k}{k + l} \overrightarrow{OM}_1 + \frac{l}{k + l} \overrightarrow{OM}_2.

Theo công thức (1)

OM→1=1k(OA→1+OA→2+⋯+OA→k)\overrightarrow{OM}_1 = \frac{1}{k} (\overrightarrow{OA}_1 + \overrightarrow{OA}_2 + \dots + \overrightarrow{OA}_k),

OM→2=1l(OB→1+OB→2+⋯+OB→l)\overrightarrow{OM}_2 = \frac{1}{l} (\overrightarrow{OB}_1 + \overrightarrow{OB}_2 + \dots + \overrightarrow{OB}_l),

Vì thế

OM→=1k+l(OA→1+OA→2+⋯+OA→k)\overrightarrow{OM} = \frac{1}{k + l} (\overrightarrow{OA}_1 + \overrightarrow{OA}_2 + \dots + \overrightarrow{OA}_k),

và chúng tôi đã có được thứ chúng tôi cần.

Áp dụng nguyên lý này cho ba đỉnh của một tam giác, ta thấy trọng tâm của tam giác nằm trên

23

một đoạn nối đỉnh với tâm của hai đỉnh khác, tức là với điểm giữa của cạnh đối diện và chia đoạn này theo tỷ lệ 2: 1, tính từ đỉnh. Điều này dẫn đến định lý nổi tiếng về phép đo mặt phẳng: các đường trung tuyến của một tam giác cắt nhau tại một điểm và được chia cho điểm này theo tỷ lệ 2:1, tính từ các đỉnh.

Người ta chứng minh tương tự rằng các đoạn nối các đỉnh của một tam giác với trọng tâm của các mặt đối diện cắt nhau tại một điểm—trọng tâm của tam giác—và tại điểm này được chia theo tỷ lệ 3:1, tính từ các đỉnh.

  1. Tính khoảng cách và góc

Sau khi đã cho bộ ba vectơ không đồng phẳng trong không gian - một cơ sở, có thể mở rộng bất kỳ vectơ nào vào cơ sở này một cách duy nhất. Biết tích vô hướng của các vectơ cơ sở, chúng ta có thể dễ dàng tính tích vô hướng của bất kỳ vectơ nào, cũng như độ dài và góc giữa chúng.

Nhiệm vụ 4. Cho a⃗b⃗=1\vec{a}\vec{b} = 1, a⃗c⃗=2\vec{a}\vec{c} = 2, b⃗c⃗=0\vec{b}\vec{c} = 0, a⃗2=b⃗2=4\vec{a}^2 = \vec{b}^2 = 4, c⃗2=2\vec{c}^2 = 2.

Tìm ∣p⃗∣|\vec{p}|, ∣q⃗∣|\vec{q}|, (p⃗,q⃗)(\vec{p}, \vec{q}) nếu p⃗=2a⃗−b⃗\vec{p} = 2\vec{a} - \vec{b}, q⃗=a⃗+b⃗+c⃗\vec{q} = \vec{a} + \vec{b} + \vec{c}.

Lời giải: Hãy viết lại các điều kiện bài toán dưới dạng “bảng nhân” (Bảng 1). Chúng tôi tìm thấy: ∣p⃗∣=p⃗2=(2a⃗−b⃗)2=4a⃗2−4a⃗b⃗+b⃗2=16=4|\vec{p}| = \sqrt{\vec{p}^2} = \sqrt{(2\vec{a} - \vec{b})^2} = \sqrt{4\vec{a}^2 - 4\vec{a}\vec{b} + \vec{b}^2} = \sqrt{16} = 4;

∣q⃗∣=q⃗2=(a⃗+b⃗+c⃗)2=a⃗2+b⃗2+c⃗2+2a⃗b⃗+2a⃗c⃗+2b⃗c⃗=16=4|\vec{q}| = \sqrt{\vec{q}^2} = \sqrt{(\vec{a} + \vec{b} + \vec{c})^2} = \sqrt{\vec{a}^2 + \vec{b}^2 + \vec{c}^2 + 2\vec{a}\vec{b} + 2\vec{a}\vec{c} + 2\vec{b}\vec{c}} = \sqrt{16} = 4.

Từ định nghĩa tích vô hướng ta có:

cos⁡(p⃗,q⃗)=p⃗q⃗∣p⃗∣⋅∣q⃗∣=2(a⃗−b⃗)(a⃗+b⃗+c⃗)16=2a⃗2+a⃗b⃗+2a⃗c⃗−b⃗2−b⃗c⃗16=916,\cos(\vec{p}, \vec{q}) = \frac{\vec{p}\vec{q}}{|\vec{p}| \cdot |\vec{q}|} = \frac{2(\vec{a} - \vec{b})(\vec{a} + \vec{b} + \vec{c})}{16} = \frac{2\vec{a}^2 + \vec{a}\vec{b} + 2\vec{a}\vec{c} - \vec{b}^2 - \vec{b}\vec{c}}{16} = \frac{9}{16},

từ đâu (p⃗,q⃗)=arccos⁡916(\vec{p}, \vec{q}) = \arccos \frac{9}{16}.

Bài toán 5. Đáy của đặc điểm ABCA1B1C1ABCA_1B_1C_1 là hình tam giác đều. Cạnh bên AA1AA_1 lớn gấp đôi cạnh của đế và tạo thành các góc A1AB=90∘A_1AB = 90^\circ, A1AC=60∘A_1AC = 60^\circ. O là tâm tam giác ABCABC. Tìm trên đường CC1CC_1 một điểm KK sao cho đường thẳng B1KB_1K và A1OA_1O vuông góc.

Lời giải. Vị trí của điểm KK trên đường thẳng CC1CC_1 được xác định bởi giá trị của hệ số xx trong đẳng thức C⃗1K⃗=x⋅C⃗1C⃗\vec{C}_1\vec{K} = x \cdot \vec{C}_1\vec{C}. Chúng ta hãy biểu thị bằng aa độ dài cạnh của cơ sở nhận biết, chọn làm cơ sở bộ ba vectơ m⃗=AB⃗\vec{m} = \vec{AB}, n⃗=AC⃗\vec{n} = \vec{AC}, p⃗=AA⃗1\vec{p} = \vec{AA}_1 (hình 5), sau đó chúng ta biên soạn một “bảng nhân” (Bảng 2).

Chúng ta hãy phân tách các vectơ A⃗1O⃗\vec{A}_1\vec{O} và B⃗1K⃗\vec{B}_1\vec{K} thành cơ sở (m⃗,n⃗,p⃗)(\vec{m}, \vec{n}, \vec{p}): A⃗1O⃗=A⃗1A⃗+A⃗O=−p⃗+13(m⃗+n⃗)=13(m⃗+n⃗−3p⃗)\vec{A}_1\vec{O} = \vec{A}_1\vec{A} + \vec{A}O = -\vec{p} + \frac{1}{3}(\vec{m} + \vec{n}) = \frac{1}{3}(\vec{m} + \vec{n} - 3\vec{p}), B⃗1K⃗=B⃗1A⃗1+A⃗1C⃗1+C⃗1K⃗=m⃗+n−xp⃗\vec{B}_1\vec{K} = \vec{B}_1\vec{A}_1 + \vec{A}_1\vec{C}_1 + \vec{C}_1\vec{K} = \vec{m} + n - x\vec{p}. Viết ra các điều kiện vuông góc với các số nguyên tố A1OA_1O và B1KB_1K:

(m⃗+n⃗−3p⃗)(−m⃗+n⃗−xp⃗)=0(\vec{m} + \vec{n} - 3\vec{p})(-\vec{m} + \vec{n} - x\vec{p}) = 0, chúng tôi thu được bằng cách sử dụng bảng 2: 11a2x−3a2=011a^2x - 3a^2 = 0, từ đâu x=311x = \frac{3}{11}.

Bài tập

  1. Trong khối địa hình ABCDABCD các điểm EE và FF là trung điểm của các cạnh ABAB và CDCD. Chứng minh rằng trung điểm của các đoạn thẳng CE,DE,AFCE, DE, AF là các đỉnh của hình bình hành.

  2. Điểm A,B,C,D,E,FA, B, C, D, E, F không nằm trong cùng một mặt phẳng. Chứng minh rằng nếu các đường thẳng ABAB và DE,BCDE, BC và EF,CDEF, CD và AFAF song song thì ∣AB∣=∣DE∣,∣BC∣=∣EF∣,∣CD∣=∣AF∣|AB| = |DE|, |BC| = |EF|, |CD| = |AF|.

  3. Chứng minh rằng các đoạn thẳng nối trung điểm đáy của các tứ giác của hình bình hành cắt nhau tại một điểm. Họ chia sẻ quan điểm này ở khía cạnh nào?

  4. Chứng minh rằng trung điểm của các tứ giác được thảo luận ở bài tập trước là các đỉnh của hình bình hành.