Xem phần 1 tại [Phần 1]

Ví dụ 4.  Cho tam giác $ABC$ nội tiếp đường tròn (O) và ngoại tiếp đường tròn (I); đường tròn (I) tiếp xúc với $BC, AB, AC$ tại $D, E, F$. Vẽ $OH \bot EF$ và đường kính $AM$ của $(O)$. Chứng minh $H, I, M$ thẳng hàng.

Ví dụ 5. Cho tam giác $ABC$, đường tròn $(I)$ nội tiếp tam giác. Đường tròn $w_a$ qua $B, C$ tiếp xúc trong với (I); các đường tròn $w_b, w_c$ được xác định tương tự. Gọi $A’$ là giao điểm của $w_b, w_c$ khác $A$; các điểm $B’, C’$ được xác định tương tự. Chứng minh rằng các đường thẳng $AA’, BB’$ và $CC’$ đồng quy tại một điểm nằm trên $IO$, với $O$ là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABC$.

Ví dụ 6. (Đường tròn mixtilinear incircle) Cho đường tam giác ABC nội tiếp đường tròn (O). Đường tròn $w_a$ tiếp xúc với các cạnh AB, AC tại D, E và tiếp xúc trong với $(O)$ tại $A_1$. Các điểm $B_1, C_1$ được xác định tương tự.
1. Chứng minh rằng DE qua tâm đường tròn nội tiếp tam giác ABC.
2. Chứng minh rằng $AA_1, BB_1, CC_1$ đồng quy.

Ví dụ 7. (Định lý Thebault)
Cho tam giác $ABC$ nội tiếp đường tròn $w$. $D$ là một điểm thuộc cạnh $BC$. Đường tròn $w_1$ tiếp xúc với đoạn $AD, CD$ tại $P, Q$ và tiếp xúc với $w$ tại $W$.

1. Chứng minh $PQ$ qua tâm đường tròn nội tiếp tam giác $ABC$.
2. Gọi $w_2$ là đường tròn tiếp xúc với $AD, BD$ và tiếp xúc với $w$. Chứng minh đường thẳng nối tâm của $w_1, w_2$ qua tâm nội tiếp của tam giác $ABC$.

Ví dụ 8. (IMO 1999) Cho hai đường tròn $(w_1)$ và $(w_2)$ tiếp xúc trong với$ ( w) $tại M, N và tâm của đường tròn $(w_2)$ nằm trên đường tròn $(w_1)$. Dây cung chung của $(w_1)$ và $(w_2)$cắt $(w )$ tại A và B. MA và MB cắt $(w_1)$ tại C và D. Chứng minh rằng đường tròn $(w_2)$ tiếp xúc với đường thẳng $CD$.

Ví dụ 9. Cho tam giác $ABC$ nội tiếp đường tròn tâm O, đường tròn tâm I nội tiếp tam giác $ABC$ tiếp xúc với các cạnh BC, AC, AB tại D,E, F. Chứng minh rằng trực tâm của tam giác $DEF$ thuộc đường thẳng $IO$.

Ví dụ 10. (Barasil MO 2013) Đường tròn nội tiếp tam giác $ABC$ tiếp xúc với các cạnh BC, CA, AB tại D, E, F. Gọi $P$ là giao điểm của $AD$ và $BE$. Gọi $X, Y, Z$ là các điểm đối xứng của $P$ qua $EF, DF$ và $DE$. Chứng minh rằng các đường thẳng $AX, BY, CZ$ đồng quy tại một điểm thuộc đường thẳng $OI$, với $O, I$ lần lượt là tâm đường tròn ngoại tiếp và nội tiếp tam giác $ABC$.

III. BÀI TẬP

1. Cho hai đường tròn $(O_1)$ và $(O_2)$ tiếp xúc nhau tại $M$. Một điểm $A$ thay đổi trên đường tròn $(O_2)$, từ $A$ vẽ hai tiếp tuyến $AB, AC$ đến $(O_1)$ với $B, C$ là hai tiếp điểm. $BM, CM$ lần lượt cắt $(O_2)$ tại $D$ và $E$. $DE$ cắt tiếp tuyến tại $A$ của $(O_2)$ tại $F$. Chứng minh rằng $F$ thuộc một đường thẳng cố định khi $A$ di chuyển trên $(O_2)$ không thẳng hàng với $O_1$ và $M$.
2. Cho tam giác $ABC$, đường tròn tâm $I$ nội tiếp tam giác $ABC$ tiếp xúc với các cạnh $BC$, $AC, AB$ lần lượt tại $D, E, F$. Gọi $P$ là hình chiếu của $D$ trên $EF$; $M$ là trung điểm của $DP$. Gọi $H$ là trực tâm của tam giác $IBC$. Chứng minh rằng $MH$ qua trung điểm của $EF$.
3. Cho tam giác $ABC$ nội tiếp $(O)$. $D$ là một điểm thay đổi trên cạnh $BC$. Đường tròn $w$ tiếp xúc với các đoạn $AD, CD$ và tiếp xúc trong với $(O)$ tại $E, F, X$. Chứng minh rằng $XF$ đi qua một điểm cố định và $EF$ cũng đi qua một điểm cố định.
4. Cho tam giác nhọn $ABC$ khác tam giác cân. Gọi $O$ và $I$ lần lượt là tâm đường tròn ngoại tiếp và nội tiếp tam giác $ABC$. Gọi $D, E, F$ là tiếp điểm của $(I)$ với các cạnh $BC, CA $ và $AB$. Gọi $P$ là giao điểm của $AI$ và $OD$, $Q$ là giao điểm của $BI$ và $OE$, và $R$ là giao điểm của $CI$ và $OF$. Gọi $M$ là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác $PQR$. Chứng minh rằng $I, M, O$ thẳng hàng.
5. Cho tam giác $ABC$ nội tiếp đường tròn $(O)$ tâm O, có $B, C$ cố định và $A$ thay đổi trên $(O)$. Kí hiệu $(I)$ là đường tròn nội tiếp tam giác $ABC$. Gọi $(O_1)$ là đường tròn thay qua $A, B$ và tiếp xúc với $(I)$ tại $E$. Gọi $(O_2)$ là đường tròn thay qua $A, C$ và tiếp xúc với $(I)$ tại $F$. Đường phân giác trong của góc $\widehat{AEB}$ cắt $(O_1)$ tại $M$ và đường phân giác trong của góc $\widehat{AFC}$ cắt $(O_2)$ tại $N$.

   a.Chứng minh rằng tứ giác $EFMN$ nội tiếp.
   b. Gọi $J$ là giao điểm của $EM$ và $FN$. Chứng minh rằng đường thẳng $IJ$ đi qua một điểm cố định.

6.  (ELMO shortlist 2011)
   Cho 3 đường tròn $\omega,\omega_1,\omega_2$ đôi một tiếp xúc nhau sao cho $\omega_1,\omega_2$ tiếp xúc ngoài tại $P$, $\omega_1,\omega$ tiếp xúc trong tại $A$, and $\omega,\omega_2$ tiếp xúc trong tại $B$. Gọi $O,O_1,O_2$ lần lượt là tâm của $\omega,\omega_1,\omega_2$. Gọi $X$ chân đường vuông góc từ $P$ đến $AB$, chứng minh $\angle{O_1XP}=\angle{O_2XP}$.
7. Cho tam giác $ABC$ khác tam giác vuông nội tiếp đường tròn $(O)$ cố định có $BC$ cố định và $A$ thay đổi. Trên đường thẳng $BC$ lấy các điểm $K, L$ sao cho $\angle BAK = \angle CAL = 90^o$. Gọi $H$ là hình chiếu của $A$ trên $BC$. Chứng minh rằng đường thẳng qua trung điểm của $AH$ và $KL$ luôn đi qua một điểm cố định.
8. (IMO shortlist 1998) Cho tam giác ABC. Gọi H là trực tâm và O là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác. Gọi D, E, F lần lượt là điểm đối xứng của A qua BC, B qua CA và của C qua AB. Chứng minh rằng D, E, F thẳng hàng khi và chỉ khi OH = 2R, với R là bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác.
9. (USA TST 2010) Cho tam giác $ABC$. Điểm M,N trên các cạnh AC và BC sao cho $MN||AB$; Các điểm $P, Q$ lần lượt thuộc $AB, BC$ sao cho $PQ ||AC$. Đường tròn nội tiếp tam giác $CMN$ tiếp xúc với AC tại E; đường tròn nội tiếp tam giác $BPQ$ tiếp xúc với $AB$ tại $F$. Đường thẳng $EN$ cắt $AB$ tại $R$; đường thẳng $FQ$ cắt AC tại S. Cho $AE = AF$, chứng minh rằng tâm nội tiếp của tam giác $AEF$ thuộc đường tròn nội tiếp của tam giác $ARS$.
10. Cho tam giác ABC nội tiếp đường tròn tâm O và ngoại tiếp đường tròn tâm I. Đường tròn mitilinear incircle của tam giác ABC tâm K tiếp xúc với (O) tại D. DI cắt BC tại L. Chứng minh KL chia OI theo tỉ số $\dfrac{1}{2}$.
11. (IMO 2008) Cho tứ giác lồi ABCD (AB khác BC). Gọi đường tròn nội tiếp của các tam giác ABC và ADC lần lượt là $(w_1)$ và $(w_2)$. Giả sử tồn tại đường tròn $(w )$ tiếp xúc với tia BA về hướng A và tia BC về hướng C và tiếp xúc với các đường thẳng AD và CD. Chứng minh rằng tiếp tuyến chung ngoài của các đường tròn $(w_1)$ và $(w_2)$ cắt nhau tại một điểm thuộc đường tròn (C ). 

Phép vị tự là một trong những phép biến hình quan trọng nhất, có nhiều ứng dụng trong giải toán hình học phẳng. Thông qua phép vị tự, ta có một công cụ giải toán khá mạnh, giúp chúng ta nhìn lại những bài toán cũ theo một cách khác, toàn diện và rõ ràng hơn. Ngoài ra, một số bổ đề suy ra trực tiếp hoặc chứng minh một cách dễ dàng bằng phép vị tự cũng giúp giải được những bài toán khó hơn. Qua bài viết nhỏ này, hy vọng các em học sinh có cơ hội nhìn lại các bài toán cũ và thêm một hướng để giải quyết các bài toán hình học phẳng.

I. LÝ THUYẾT

Định nghĩa 1. Trong mặt phẳng cho điểm O cố định và một số thực k khác 0 cho trước. Phép biến hình biến mỗi điểm M thành điểm $M’$ sao cho $\overrightarrow{OM’} = k.\overrightarrow{OM}$ được gọi là phép vị tự tâm O hệ số(tỉ số) k và được kí hiệu là $H_{(O;k)}$.

Tính chất 2. Trong phép vị tự $H_{(O;k)}$ thì:

1. Tâm O là điểm bất động duy nhất.
2. $\overrightarrow {AB} \mapsto \overrightarrow {A’B’} $ thì $\overrightarrow {AB} = k.\overrightarrow {A’B’} $
3. Chùm đường thẳng qua tâm vị tự là những đường thẳng bất biến duy nhất.
4. Một đường thẳng không qua tâm biến thành một đường thẳng song song với nó.
5. Phép vị tự biến đường tròn $(I; R)$ thành đường tròn $(I; R’)$ thỏa $I’ = H_{(O;k)} (I)$ và $R’ = |k|/R$

Định lý 3. Cho hai đường tròn $C(O;R)$ và $C’(O’;R’)$ sao cho $R \ne R’,O \equiv O’$
Khi đó tồn tại hai phép vị tự $H_1(O_1;k_1)$ và $H_2(O_2;k_2)$ biến $(C )$ thành $(C‘)$ trong đó: $\dfrac{{\overline {{O_1}O} }}
{{\overline {{O_1}O’} }} = {k_1} = \dfrac{{R’}}{R}$ và $\dfrac{{\overline {{O_2}O} }}{{\overline {{O_2}O’} }} = {k_2} = – \dfrac{{R’}}{R}$

Hệ quả 4. Bốn điểm $O, O’, O_1, O_2$ tạo thành một hàng điểm điều hòa.

Hệ quả 5. Nếu hai đường tròn tiếp xúc nhau tại tiếp điểm $A$. Khi đó có một phép vị tự tâm $A$ biến đường tròn này thành đường tròn kia.

Tính chất 6. Cho hai đường tròn $(O)$ và $(I)$ tiếp xúc trong tại $A$. Một dây cung $BC$ của $(O)$ tiếp xúc với $(I)$ tại $P$. Khi đó $AP$ đi qua điểm $D$ chính giữa cung $BC$ của $(O)$ và $DP.DA = DB^2$.

Chứng minh.

Xét phép vị tự $H(A): (I) \mapsto (O)$. Khi đó $P \mapsto D$. Suy ra $IP ||OD$ mà $IP \bot BD$. Suy ra $OD \bot BC$. Do đó $D$ là điểm chình giữa cung $BC$.

Định lý 7. (Tích của hai phép vị tự)Ta xét tích của hai phép vị tự $H_1(O_1;k_1)$ và $H_2(O_2;k_2)$:

1. Trường hợp 1: Nếu $k_1k_2 = 1$ thì tích $H_2(O_2;k_2)oH_1(O_1;k_1)$ là một phép tịnh tiến theo Vectơ $\overrightarrow v = \left( {1 – {k_2}} \right)\overrightarrow {{O_1}{O_2}} $
2. Trường hợp 2: ${k_1}{k_2} \neq 1$ thì tích $H_2(O_2;k_2)oH_1(O_1;k_1)$ là một phép vị tự tỉ số $k = k_1k_2$ và có tâm O được xác định bởi công thức $\overrightarrow {OO_1} = \dfrac{{k_2 + 1}}{k_1k_2}\overrightarrow {OO_2} $

Định lý 8. (Monge – D’alambert)  Cho ba đường tròn $C_1(O_1, R_1), C_2(O_2, R_2), C_3(O_3, R_3)$ phân biệt trên mặt phẳng. Khi đó tâm vị tự ngoài của các cặp đường tròn $(C_1, C_2), (C_2, C_3), (C_3, C_1)$ cùng thuộc một đường thẳng. Hai tâm vị tự trong của hai trong ba cặp đường tròn trên và tâm vị tự ngoài của cặp đường tròn còn lại cùng thuộc một đường thẳng.

Định lý 9. Nếu có một phép nghịch đảo tâm I biến $(O)$ thành $(O’)$ thì sẽ có một phép vị tự tâm $I$ biến $(O)$ thành $(O’)$.

II. VÍ DỤ

Ví dụ 1. Cho tam giác $ABC$, gọi $M, N, P$ là trung điểm các cạnh $BC, AC$ và $AB$. Các đường phân giác trong $AD, BE, CF$ cắt nhau tại $I$, đường tròn tâm $I$ nội tiếp tam giác và tiếp xúc với các cạnh $BC, AC, AB$ tại $X, Y, Z$.

1. (Đường thẳng Euler). Chứng minh rằng trọng tâm, trực tâm và tâm đường tròn ngoại tiếp của tam giác $ABC$ cùng nằm trên một đường thẳng.
2. Gọi $da$ là đường thẳng qua $M$ và song song với phân giác góc $A$, $d_b, d_c$ được định nghĩa tương tự. Chứng minh rằng $d_a, d_b$ và $d_c$ đồng quy tại một điểm.

Ví dụ 2. Cho tam giác $ABC$, đường tròn tâm $I$ nội tiếp tam giác và tiếp xúc với $BC, AC$ và $AB$ lần lượt tại $D, E, F$. Gọi $D’, E’, F’$là điểm đối xứng của $D, E, F$ qua $I$.

1. Chứng minh rằng $AD’, BE’$ và $CF’$ đồng quy $J$ .
2. Gọi G là trọng tâm tam giác. Chứng minh $I, J, G$ thẳng hàng và $GJ = 2GI$.

Ví dụ 3. (Chọn đội tuyển toán PTNK năm 2010) Cho tam giác ABC nội tiếp đường tròn (O). Gọi $I,I_1,I_2,I_3$ là tâm đường tròn nội tiếp và bàng tiếp các góc A, B, C tương tứng. Đường tròn ngoại tiếp tam giác $II_2 I_3$ cắt (O) tại hai điểm $M_1,N_1$. Gọi $J_1$ (khác A) là giao điểm của AI và (O). Ký hiệu $d_1$ là đường thẳng qua $J_1$ và vuông góc với $M_1 N_1$. Tương tự xác định các đường thẳng $d_2,d_3$. Chứng minh các đường thẳng $d_1,d_2,d_3$ đồng quy tại một điểm

[Phần 2]