Phương pháp tam tuyến giải nhanh casio – bùi thế việt

GROUP : CASIO Luyện Thi THPT Quốc Gia
Chuyên đề hình học không gian
PHƯƠNG PHÁP TỌA ĐỘ TAM TUYẾN
Tác giả : BÙI THẾ VIỆT
A – GIỚI THIỆU
Như chúng ta đã biết, kỳ thi THPT Quốc Gia môn Toán được thi dưới hình thức
trắc nghiệm nên chúng ta cần phải trang bị kiến thức đầy đủ, tư duy nhanh nhạy, một
số mẹo tính nhanh và cả máy tính cầm tay CASIO hoặc VINACAL nữa.
Trong chuyên đề này, tôi sẽ giới thiệu cho bạn đọc “phương pháp tọa độ tam
tuyến” và ứng dụng trong việc tìm nhanh tọa độ trọng tâm, trực tâm, tâm đường tròn
nội tiếp, ngoại tiếp, … trong tam giác khi biết tọa độ các đỉnh.
Không những vậy, phương pháp này còn có thể giúp chúng ta tìm tọa độ chân
đường cao, chân đường phân giác, tâm đường tròn chín điểm, điểm đối trung, …
B – Ý TƯỞNG
Trước hết, chúng ta thử tìm hiểu bài toán cơ bản sau :
Bài toán. Cho tam giác ABC và P là một điểm nằm trong tam giác. Gọi s1  S PBC ,
s 2  S PCA , s 3  S PAB . Chứng minh rằng :
s1 PA  s 2 PB  s 3 PC  0
Lời giải
Gọi Q là giao điểm của AP và BC. Đặt s  s1  s 2  s 3 . Khi đó :
PA QC QB
Vì PA  QA và QA  BA  CA nên :
QA BC BC
PA  QC QB  s  s  s2 s3  s s
PA   BA  CA   2 3  BA  CA   2 BA  3 CA
QA  BC BC  s  s2  s3 s2  s3  s s
s 1s 2 ss ss ss ss ss
 s1 PA  s 2 PB  s 3 PC  BA  1 3 CA  2 3 CB  2 1 AB  3 1 AC  3 2 BC  0
s s s s s s
Bài toán được giải quyết.
BÙI THẾ VIỆT Trang 1
GROUP : CASIO Luyện Thi THPT Quốc Gia
Nhận xét
Giả sử trong hệ trục tọa độ, các điểm đều có tọa độ của riêng nó thì vector PA có tọa độ
bằng tọa độ điểm A trừ đi tọa độ điểm P. Chúng ta quy ước là PA  A  P . Vậy :
s1  A  P   s 2  B  P   s 3  C  P   0
 s1 A  s 2 B  s 3 C  P  s 1  s 2  s 3 
s1 A  s 2 B  s 3 C
P
s1  s 2  s 3
Đây chính là mấu chốt của vấn đề. Nếu chúng ta biết được s1 ,s 2 ,s 3 và tọa độ các điểm
A, B,C thì chúng ta sẽ tìm được P một cách nhanh chóng.
Tuy nhiên, hãy để ý rằng : Nếu s1 : s 2 : s 3 có cùng tỷ lệ với p1 : p2 : p 3 , tức tồn tại k sao
s1  kp1
 kp A  kp2 B  kp3C p1A  p2 B  p3C
cho s 2  kp2 thì P  1  không phụ thuộc vào k.
s  kp kp1  kp2  kp3 p1  p2  p3
 3 3
p A  p2 B  p3 C
Tóm lại : Nếu ta biết được tỷ lệ p1 : p2 : p3 của điểm P thì ta sẽ có P  1 .
p1  p2  p3
C – ỨNG DỤNG
Lưu ý : Quy ước a  BC,b  CA,c  AB
1. Tìm trọng tâm tam giác :
s 2 CQ 1
Khi P là trọng tâm ABC thì    s1 : s 2 : s 3  1 : 1 : 1 .
s 3 BQ 1
Vậy :
A BC A BC
P 
111 3
Áp dụng :
Ví dụ 1. Trong hệ tọa độ Oxyz, cho ABC với A  1, 2, 5  , B  3, 1, 2  và C  2, 2, 3  .
Tìm tọa độ trọng tâm ABC .
Lời giải
ABC
Ta có : P    2,1, 2 
3
Mẹo 1 : Để giải nhanh bằng CASIO, ta vào MODE VECTOR, nhập tọa độ :
BÙI THẾ VIỆT Trang 2
GROUP : CASIO Luyện Thi THPT Quốc Gia
VctA  1, 2, 5  , VctB   3, 1, 2  , VctC   2, 2, 3  .
Khi đó tọa độ trọng tâm ABC là :
 VctA  VctB  VctC   3
Ta được đáp án :
Mẹo 2 : Để nhập nhanh tọa độ các Vector, sau khi nhập xong tọa độ VctA thì bạn đọc
chỉ cần ấn Shift + STO + B là có thể chuyển qua VctB hoặc Shift + STO + C để vào VctC.
2. Tìm trực tâm tam giác :
Khi P là trực tâm ABC thì :
s 2 CQ AQ / tan C tan B
    s1 : s 2 : s 3  tan A : tan B : tan C .
s 3 BQ AQ / tan B tan C
Tuy nhiên, sử dụng tan A không được tự nhiên cho lắm nên ta sẽ đưa về a, b, c.
c 2  a 2  b2
Ta có : AB2  BQ2  AC2  CQ2  c 2  BQ2  b2   a  BQ   BQ 
2
2a
a  b c
2 2 2
Chứng minh tương tự ta có : CQ  . Vậy :
2a
s2 CQ a 2  b2  c 2 1 1 1
  2  s1 : s 2 : s 3  2 2 : 2 : 2
s 3 BQ c  a  b
2 2
b  c  a c  a  b a  b2  c 2
2 2 2
Hay
s1 : s 2 : s 3  h a : h b : h c
Với
1 1 1
ha  , hb  2 , hc  2
b c a
2 2 2
c a b
2 2
a  b2  c 2
Áp dụng :
Ví dụ 2. Trong hệ tọa độ Oxyz, cho ABC với A  1, 2, 5  , B  3, 1, 2  và C  2, 2, 3  .
Tìm tọa độ trực tâm ABC .
Lời giải
BÙI THẾ VIỆT Trang 3
GROUP : CASIO Luyện Thi THPT Quốc Gia
a  35
 1 1 1 h A  h b B  h c C  73 106 5 
Ta có :  b  5  h a  , hb  , hc   H a  , , 
 32 92 22 ha  h b  hc  9 9 9
c  62
Mẹo 1 : Để giải nhanh bằng CASIO, ta lần lượt làm như sau :
- Vào Mode VECTOR và nhập VctA , VctB , VctC
Abs  VctA  VctB   C

- Tính a, b,c bằng cách lưu Abs  VctB  VctC   A

Abs  VctC  VctA   B


1  B2  C 2  A 2  D 


- Tính h a , h b , h c bằng cách lưu 1  C 2  A 2  B2  E 
 2

1  A  B  C  F
2 2

- Tính tọa độ trực tâm bằng cách ấn :
 DVctA  EVctB  FVctC    D  E  F 
- Ấn “=” ta được đáp án.
Mẹo 2 : Điều gì xảy ra nếu B2  C2  A2  0 hoặc C2  A2  B2  0 hoặc A2  B2  C2  0 ?
Khi đó ABC là tam giác vuông. Bạn đọc có thể dễ dàng tìm được trực tâm của tam
giác. Tuy nhiên, để cho tỷ lệ s1 : s 2 : s 3 thật chính xác thì ta lấy :
  
s1 : s 2 : s 3  a 2  b 2  c 2 a 2  c 2  a 2 : b 2  c 2  a 2  b  a  c  : c  a  b c  b  a 
2 2 2 2 2 2 2 2 2
3. Tìm tâm đường tròn nội tiếp tam giác :
Khi P là tâm đường tròn nội tiếp ABC thì :
s 2 rb / 2 b
   s1 : s 2 : s 3  a : b : c
s 3 rc / 2 c
Vậy :
aA  bB  cC
P
abc
Áp dụng :
BÙI THẾ VIỆT Trang 4
GROUP : CASIO Luyện Thi THPT Quốc Gia
Ví dụ 3. Trong hệ tọa độ Oxyz, cho ABC với A  1, 2, 5  , B  3, 1, 2  và C  2, 2, 3  .
Tìm tọa độ tâm đường tròn nội tiếp ABC .
Lời giải
a  35
 aA  bB  cC
Ta có :  b  5  I 
 abc
 c  62
 35  3 5  2 62 2 35  5  2 62 5 35  2 5  3 62 
Đáp án : I   , , 
 35  5  62 35  5  62 35  5  62 
4. Tìm tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác :
Khi P là tâm đường tròn ngoại tiếp ABC thì :
b c 2  a 2  b2
2
s 2 R sin 2B / 2 sin 2B 2 sin Bcos B R
     2ca 

b2 c 2  a 2  b2 
s 3 R 2 sin 2C / 2 sin 2C 2 sin C cos C c a 2  b 2  c 2 c 2 a 2  b2  c 2  
R 2ab

 s1 : s 2 : s 3  a b  c  a : b c  a  b : c a 2  b 2  c 2
2 2 2 2 2
2 2
 2 2
  
Vậy
s1 : s 2 : s 3  k a : k b : k c
Với
    
ka  a 2 b2  c 2  a 2 , k b  b 2 c 2  a 2  b 2 , k c  c 2 a 2  b 2  c 2 
Ví dụ 4. Trong hệ tọa độ Oxyz, cho ABC với A  1, 2, 5  , B  3, 1, 2  và C  2, 2, 3  .
Tìm tọa độ tâm đường tròn ngoại tiếp ABC .
Lời giải
a  35 k  1120
 
a
k A  k b B  k c C  19 79 49 
Ta có :  b  5  k b  460  O  a   ,  , 
 k  1364 k a
 k b
 k c  18 18 18 
 c  62  c
 19 79 49 
Đáp án : O    ,  , 
 18 18 18 
D – MỞ RỘNG 1
BÙI THẾ VIỆT Trang 5
GROUP : CASIO Luyện Thi THPT Quốc Gia
1. Tâm đường tròn bàng tiếp :
Khi P là tâm đường tròn bàng tiếp góc A của ABC thì :
s1 PA  s 2 PB  s 3 PC  0
Vậy tương tự như tâm đường tròn nội tiếp, bạn đọc có thể tìm tỷ lệ của tâm đường tròn
bàng tiếp góc A là a : b : c
Nếu P là tâm đường tròn bàng tiếp góc B của ABC thì tỷ lệ là a : b : c
Nếu P là tâm đường tròn bàng tiếp góc C của ABC thì tỷ lệ là a : b : c
2. Tâm đường tròn Euler
Đường tròn Euler đi qua 9 điểm, bao gồm chân đường cao, trung điểm các cạnh, trung
điểm đoạn thẳng nối từ trực tâm tới các đỉnh.
Gọi điểm như hình vẽ. Ta có P là tâm đường tròn ngoại tiếp DEF nên ta được :
k D  keE  kf F
P d
kd  k e  k f
 a b c
EF  2 ,FD  2 , DE  2
Lại có  và :
D  B  C C  A A  B
,E  ,F 
 2 2 2
kd : k e : k f  sin 2D : sin 2E : sin 2F  sin 2A : sin 2B : sin 2C
Vậy :
BÙI THẾ VIỆT Trang 6
GROUP : CASIO Luyện Thi THPT Quốc Gia
1  B  C  sin 2A   C  A  sin 2B   A  B  sin 2C
D
2 sin 2A  sin 2B  sin 2C

 sin 2B  sin 2C  A   sin 2C  sin 2A  B   sin 2A  sin 2B C
sin 2B  sin 2C  sin 2C  sin 2A  sin 2A  sin 2B
Tóm lại tỷ lệ ở đây là :
 sin 2B  sin 2C  :  sin 2C  sin 2A  :  sin 2A  sin 2B 
 sin A cos  B  C  : sin B cos  C  A  : sin C cos  A  B 
 a cos  B  C  : b cos  C  A  : c cos  A  B 
  1  cos B cos C  : 1  cos C cos A  : 1  cos A cos B 
    : b  c  a    c  a  : c a  b   a  b 
2 2 2
 a 2 b2  c 2  b2  c 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
Bài toán được giải quyết.
3. Điểm đối trung
Điểm đối trung là giao của 3 đường thẳng đối xứng của trung tuyến qua phân giác của
mỗi đỉnh.
Gọi điểm như hình vẽ. Theo tính chất của đường đối trung, ta có :
BH AB2 c 2
 
CH AC2 b2
s d CH b2
Lưu ý rằng 2  C/AH   . Vậy :
s 3 d B/AH BH c 2
s1 : s 2 : s 3  a 2 : b 2 : c 2
Hay nói cách khác :
a 2 A  b2 B  c 2C
P
a 2  b2  c 2
4. Điểm Gergonne
BÙI THẾ VIỆT Trang 7
GROUP : CASIO Luyện Thi THPT Quốc Gia
Đường tròn nội tiếp tam giác ABC cắt BC, CA, AB tại H, K, T thì AH, BK, CT đồng quy
tại một điểm được gọi là điểm Gergonne.
s d CH a  b  c 1 /  c  a  b 
Khi đó 2  C/AH    . Vậy :
s 3 d B/AH BH c  a  b 1 /  a  b  c 
1 1 1
s1 : s 2 : s 3  : :
bc a c a  b a  bc
5. Điểm Nagel
Đường tròn bàng tiếp các đỉnh tiếp xúc với BC, CA, AB tại H, K, T thì AH, BK, CT đồng
quy tại một điểm được gọi là điểm Nagel.
C
s 2 dC/AH CH HD / tan BCD tan 2 r /  a  b  c  c  a  b
Khi đó       . Vậy :
s 3 d B/AH BH HD / tan CBD B r / c  a  b a  b  c
tan
2
s1 : s 2 : s 3  b  c  a : c  a  b : a  b  c
BÙI THẾ VIỆT Trang 8