Tag Archives: CyclicQuadrilateral

Chứng minh ba điểm thẳng hàng

Đề bài. Cho tam giác $OBA$ vuông tại $B$ đường cao $BH$. Gọi $C$, $D$ lần lượt là điểm đối xứng của $B$, $O$ qua $H$. Từ $B$ kẻ hai tiếp tuyến $BP$, $BQ$ đến đường tròn đường kính $AD$. Chứng minh ba điểm $C$, $P$, $Q$ thẳng hàng.

Cách 1 (sử dụng tam giác đồng dạng)

Gọi $I$ là trung điểm $AD$. Qua $C$ kẻ đường thằng vuông góc với $BI$, cắt $BI$ tại $J$ và cắt $OA$ tại $K$. Nếu chứng minh được

\[ IJ.IB = IQ^2 = IP^2 \qquad (*)\]

ta sẽ chứng minh được $QJ \bot BI$ và $PJ \bot BI$ nhờ các tam giác đồng dạng. Từ đó suy ra được $C, P, Q$ thẳng hàng (cùng nằm trên đường thẳng vuông góc với $BI$ tại $J$).

Vì $IJ.IB = IH.IK$ nên việc chứng minh (*) có thể đưa về chứng minh $IH.IK = IA^2$ (xem chứng minh ở đây).

Cách 2 (tứ giác nội tiếp, phương tích)

Do tứ giác $BOCD$ là hình thoi, nên $CD$ song song $OB$, tia kéo dài $CD$ sẽ vuông góc với $AB$ tại $E$. Tứ giác $HEAC$ nội tiếp có

\[BE.BA = BH.BC \]

Lại có $BP$, $BEA$ lần lượt là tiếp tuyến và cát tuyến của đường tròn đường kính $AD$ nên

\[ BE.BA = BP^2 \]

Suy ra được $BH.BC = BP^2$, suy ra tam giác $BPC$ và $BHP$ đồng dạng (c.g.c), ta có được $\angle BCP = \angle BPH$. Chứng minh tương tự với $\angle BCQ = \angle BQH$.

Mặt khác, năm điểm $B,Q,I,P,H$ cùng nằm trên đường tròn đường kính $BI$, nên $\angle BPH = \angle BQH$ (cùng chắn cung $AH$).

Vậy $\angle BCP = \angle BCQ$, suy ra ba điểm $C,P,Q$ thẳng hàng (đpcm).

Bài tập cực trị

Đề bài. Cho tam giác nhọn $ABC$ nội tiếp $(O)$. Tia $AO$ cắt $(OBC)$ tại $D$, tia $BO$ cắt $(OCA)$ tại $E$, tia $CO$ cắt $(OAB)$ tại $F$. Chứng minh

\[ OD.OE.OF \ge 8R^3 \]

Gợi ý

Gọi $I,J,K$ lần lượt là giao điểm của $AO$, $BO$, $CO$ với các cạnh $BC$, $CA$, $AB$ của tam giác $ABC$. Sử dụng tam giác đồng dạng ta chứng minh được

\[ OD.OI = OE.OJ = OF.OK= R^2 \]

Do đó điều cần chứng minh tương đương với

\[ 8 OI.OJ.OK \le R^3 \]

Đặt $OI = x, OJ – y, OK = z$. Từ $O$ kẻ các đường vuông góc xuống 3 cạnh, đồng thời kẻ 3 đường cao của tam giác $ABC$. Kết hợp Thales cùng tỷ số diện tích ta có được

\[ \frac{x}{x + R} + \frac{y}{y + R} + \frac{z}{z + R} = 1 \]

Quy đồng mẫu và rút gọn ta có

\[ R(xy + yz + zx) + 2xyz = R^3 \]

Đặt $t = \sqrt[3]{xyz}$ và sử dụng bất đẳng thức AM-GM: $xy + yz + zx \ge 3t^2$, thay vào trong biểu thức trên ta được

\[ R^3 \le 3Rt^2 + 2t^3 \]

tương đương với

\[ (2t – R)(t+R)^2 <= 0 \]

Ta có được $t \le R/2$. Từ đó suy ra điều cần chứng minh.

Đẳng thức xảy ra khi tam giác $x=y=z$, tức khi tâm $O$ cách đều 3 cạnh, tam giác $ABC$ là tam giác đều.

Nhận xét

Trường hợp $ABC$ là tam giác tù, ta vẫn có $ OD.OI = OE.OJ = OF.OK= R^2 $. Tuy nhiên $OI$, $OJ$, $OK$ có thể lớn nhỏ tùy ý [geogebra], nên bất đẳng thức không còn đúng.

Một bài tứ giác nội tiếp khó

Đề bài. Cho tam giác $ABC$. Đường tròn đi qua hai đỉnh $B, C$ và cắt các cạnh $AB, AC$ tại $D$ và $E$. Gọi $M$ là giao điểm của $CD$ và $BE$. Gọi $P$ là điểm đối xứng của $M$ qua $AC$ và $Q$ lá điểm đối xứng của $M$ qua trung điểm cạnh $BC$. Chứng minh 4 điểm $A, C, P, Q$ cùng thuộc một đường tròn.

Gợi ý

Gọi $F$ là giao điểm của đường tròn ngoại tiếp tam giác $BMD$ và $AM$. Khi đó ta có $AM.AF = AD.AB = AE.AC$, suy ra $M$ thuộc đường tròn ngoại tiếp của tam giác $MCE$.

Ta có $\angle MFB = \angle ADM = \angle AEM = \angle AFC$ và $\angle FMB = \angle AME = \angle ACF$, suy ra $\Delta FBM \backsim \Delta FAC \Rightarrow \dfrac{BF}{AF} = \dfrac{BM}{AC}$.

Mà $BF = CQ$, suy ra $\dfrac{BF}{AF} = \dfrac{CQ}{AC} \Rightarrow \dfrac{BF}{CQ} = \dfrac{AF}{AC}$.

Xét tam giác $ABF$ và $ACQ$ có $\angle AFB = \angle ACQ$ (cùng bù với $\angle BDC$) và $\dfrac{BF}{CQ} = \dfrac{AF}{AC}$ nên $\Delta ABF \backsim \Delta ACQ$. Suy ra $\angle AQC = \angle ABF$.

Mặt khác $ABF = \angle CMF = 180^\circ – \angle AMC = 180^\circ – \angle APC$.

Nên $AQC = 180^\circ – \angle APC \Rightarrow \angle AQC + \angle APC = 180^\circ$, do đó tứ giác $APCQ$ là tứ giác nội tiếp.

Bài giảng Tứ giác nội tiếp