Góc định hướng trong chứng minh hai đường tròn tiếp xúc.

Bài toán :

Cho $\triangle ABC$ nhọn nội tiếp $(O)$ với $I$ là tâm nội tiếp tam giác. Đường tròn đi qua $C$ tiếp xúc với $AI$ tại $I$ cắt $AC$ tại $E$ và cắt $(O)$ tại $H$ $(E,H\neq C)$

$a)$ CMR: $EH$ đi qua trung điểm của $AI$

$b)$ Đường tròn đi qua $B$ tiếp xúc với $AI$ tại $I$ cắt $AB$ tại $F$ và cắt $(O)$ tại $G$ $(G,F\neq B)$. CMR: $2$ đường tròn $(EIF)$ và $(GIH)$ tiếp xúc nhau

Lời giải:

a) Ta có (HA, HE)=(HA, HC)+(HC, HE)=(BA, BC)+(IC, IE)=(BA, BC)+(IC, IA)+(IA, IE)=(BA, BC)+(IC, IA)+(CI, CA)= (BA, AI) + (IA, IC)+(IC, BC)+ (CI, IA)+ (IC, CA) =(BA, AI)=(AI, AC) ( $\mod pi$ )

Như vậy MA là tiếp tuyến của (HEA).

Dùng phương tích $MA^2=MI^2=ME.MH$

b) Gọi IT là tiếp tuyến của (GIH) khi đó:
(IT, IE)=(IT, IH)+(IH, IE)=(IT, IH)+(CH, CA)=(GI, GH) +(BH, BA)= (GI, GF)+(GF, GH)+(BI, BF)= 2(BN, BA)+(GA, GH)+(GF, GA)= (BI, BF) +(BA, IA)
(FI, FE)= (FI, GF)+(GF, FE)= (BI, BG)+(HG, HE)=(BI, BA)+(BA, BG)+(HG, HA)+(HA, HE)= (BI, BA)+ (IA, AC)

Vậy IT cũng là tiếp tuyến tại I của (IEF) vậy ta có điều phải chứng minh.

Vận dụng phương pháp tọa độ kết hợp với phương pháp tổng hợp để giải bài toán hình học

Đôi khi sự kết hợp giữa phương pháp tọa độ và phương phương tổng hợp sẽ giúp cho lời giải ngắn gọn và đẹp hơn. Chúng ta xét ví dụ sau:

Đề bài: (IMO 2000) Cho hai đường tròn $(O_1), (O_2)$ cắt nhau tại M, N. Tiếp tuyến chung gần M của hai đường tròn tiếp xúc $(O_i)$ tại $A_i$, Đường thẳng qua $M$ song song $A_1A_2$ cắt $(O_i) $ở $B_i$, các đường $A_iBi$ cắt nhau tại C, các đường $A_iN$ cắt $B_1B_2$ ở D, E. Chứng minh CD=CE.

Lời giải:

Chọn hệ trục tọa độ $A_1xy$ sao cho $A_1(0;0), A_2(a;0), O_1(0;r_1), O_2(a;r_2)$. Giả sử trong hệ trục $M(s;t)$ Khi đó $B_1(-s;t), B_2(2a-s;t)$ (Tính đối xứng). Từ đó $B_1B_2=2a=2A_1A_2$ Mà $A_1A_2 || B_1B_2$ nên $A_1, A_2$ là trung điểm $B_1C$, $B_2C$, do đó $C(s;-t)$. Vậy $\overrightarrow{CM}=(0;2t),\overrightarrow{B_1B_2}=(2a;0)$, suy ra $CM \perp B_1B_2$, hay $CM \perp DE$

Gọi K là giao MN và $A_1A_2$ ta có:
K là trung điiểm $A_1A_2$ (Dễ cm theo phương tích, trục đẳng phương)
Do $A_1A_2 || B_1B_2$ nên M là trung điểm DE.

Suy ra CM là trung trực của DE. đpcm

Thêm một bài toán về đường tròn Mixtilinear

Tam giác ABC nội tiếp (O),đường tròn mixtilinear-A tiếp xúc (O) tại D, Tương tự có, E, F. Trục đẳng phương của đường tròn Mixtilinear tại B và C cắt EF tại X, tương tự có Y, Z.  Chứng minh DX, EY, FZ đồng quy.

Lời giải:

Ta cần bổ đề: ( được gọi là Cevian nest theoreom) Cho tam giác ABC, tiếp tuyến tại B,C cắt nhau tại M, tiếp tuyến tại A, C cắt nhau tại N, và tiếp tuyến tại A, B cắt nhau tại P. Khi đó điểm D, E, F trên cạnh BC, CA, AB thì AD, BE, CF đồng quy khi và chỉ khi MD, NE, PF đồng quy.

Chứng minh:



Xét tam giác MBC cân tại M, $\frac{\overline{BD}}{\overline{CD}}=\frac{sin(MD,MB)}{sin(MC, MD)}$ (Lần lượt áp dụng định lý hàm số sin cho tam giác BDM và CDM rồi chia để được đẳng thức trên)


Tương tự: $\frac{\overline{CE}}{\overline{AE}}=\frac{sin(CN,NE)}{sin(AN,NE)}$


$\frac{AF}{BF}=\frac{sin\widehat{APF}}{sin\widehat{APB}}$


Nên: $\frac{BD}{CD}.\frac{CE}{AE}.\frac{AF}{BF}=\frac{sin\widehat{BMD}}{sin\widehat{CMD}}.\frac{sin\widehat{CNE}}{sin\widehat{ANE}}.\frac{sin\widehat{APF}}{sin\widehat{APB}}$
Nên ta có đpcm

Trở lại bài toán: $D_1$ là giao tiếp tuyến tại E, F của (O) thì ta có $D_1E=D_1F$ Hay $D_1$ cùng phương tích với đường tròn mix_B và đường tròn mix_C suy ra $D_1X$ là trục đẳng phương của đường tròn $Mix_B$ và đường tròn $mix-C$ tương tự $E_1Y$, $F_1Z$ cũng là trục đẳng phương của các đường tròn. Nên $D_1X, E_1Y, F_1Z$ đồng quy tại tâm đẳng phương của 3 đường tròn. Áp dụng bổ đề trên ta có đpcm

Về câu hình học đề thi Israeli

Đề: Cho PQ là đường kính của đường tròn H. Đường tròn (O) tiếp xúc trong với H và tiếp xúc PQ tại C. Gọi A là điểm trên H và B là một điểm trên PQ sao cho AB vuông PQ và tiếp xúc với (O). Chứng minh rằng AC là phân giác góc PAB.

Giải.

Cách 1: Gọi M là tâm của H. (O) tiếp xúc trong với H tại X, tiếp xúc AB tại Y. Để ý rằng góc PXQ=90 độ

Vậy $QC^2=QX.QY=QB.QP=QA^2$ suy ra $QA=QC$

Lấy đối xứng của C qua Q gọi là C'.

Thì AB là đường đối cực của C' với (O). Suy ra: $(PB,CC')=-1$ ( hoặc có thể chiếu theo điểm A). Vì thế AC là phân giác góc PAB.

Cách 2: Gọi A' đối xứng A qua PQ.
Áp dụng định lý Lyness mở rộng ta có AC đi qua tâm nội tiếp tam giác PAA' mà PB là phân giác góc APA'. Như vậy C là tâm nội tiếp của tam giác.

Vậy AC là phân giác góc PAB.

Nguồn: https://cms.math.ca/crux/v24/n4/page196-207.pdf trang 201