Lời giải
Ta cần có ba bổ đề.Bổ đề 1. Cho \triangle ABC. M, N là hai điểm đẳng giác của tam giác, I là trung điểm của MN. X, Y, Z theo thứ tự là hình chiếu của M trên BC, CA, AB. X', Y', Z' theo thứ tự là hình chiếu của N trên BC, CA, AB. Khi đó X, Y, Z, X', Y', Z' cùng thuộc một đường tròn có tâm là I. Bổ đề 1 rất quen thuộc, không trình bày cách chứng minh ở đây.
Bổ đề 2. Cho tứ giác điều hòa ABCD, M, N theo thứ tự là trung điểm của AC, BD, I là trung điểm của MN. X, Y, Z, T theo thứ tự là hình chiếu của M trên AB, BC, CD, DA. X', Y', Z', T' theo thứ tự là hình chiếu của N trên AB, BC, CD, DA. Khi đó X, Y, Z, T, X', Y', Z', T' cùng thuộc một đường tròn có tâm là I.
Chứng minh.<> Vì tứ giác ABCD điều hòa và M, N theo thứ tự là trung điểm của AC, BD nên AM, AN là hai đường đẳng giác đối với góc \widehat{DAB}.
Do đó, theo bổ đề 1, T, T', X, X' cùng thuộc một đường tròn. Từ đó, chú ý rằng IT=IT', IX=IX', suy ra T, T', X, X' cùng thuộc một đường tròn có tâm là I. Tương tự các bộ bốn điểm (X, X', Y, Y'), (Y, Y', Z, Z'), (Z, Z', T, T') cùng thuộc một đường tròn có tâm là I. Vậy X, Y, Z, T, X', Y', Z', T' cùng thuộc một đường tròn có tâm là I.} {

Bổ đề 4. Cho tứ giác ABCD. E=AB\cap CD, F=AD\cap CB. Khi đó trung điểm của AC, BD, EF cùng thuộc một đường thẳng.
Các bổ đề 3, 4 rất quen thuộc, không trình bày cách chứng minh ở đây. Đường thẳng nói trong bổ đề 4 được gọi là đường thẳng Gauss<> của tứ giác ABCD. Trở lại bài toán \ref{T12}. Gọi H là hình chiếu của M trên EF; N là trung điểm của BD, I là trung điểm của MN, R là giao điểm của BD và MQ; S, S', U, V, W theo thứ tự là giao điểm của PQ, MN, PO, BD, AC và EF (hình 2). Dễ thấy các tứ giác ABCD, AXMT, BYMX nội tiếp và BP là đường đối trung của \triangle ABC. Ta có \begin{eqnarray*} (XY,XT) &\equiv& (XY,XM)+(XM,XT)\\ &\equiv& (BY,BM)+(AM,AT) \pmod \pi.\\ (XY, XT) &\equiv& (XY,XM)+(XM,XT)\equiv (BY,BM)+(AM,AT) \pmod \pi\\ &\equiv& (BC,BM)+(AC,AD) \equiv (BP,BA)+(BC,BD) \pmod \pi\\ &\equiv& (BD,BA)+(BC,BD) \equiv (BC,BA) \pmod \pi. \end{eqnarray*}
Tương tự (ZY,ZT)\equiv (DC,DA) \pmod \pi.
Vậy, chú ý rằng tứ giác ABCD nội tiếp, ta có (XY,XT)\equiv (ZY,ZT) \pmod \pi.
Điều đó có nghĩa là tứ giác XYZT nội tiếp.
Theo định lý \sin, chú ý rằng \widehat{XAT}+\widehat{YCZ}=\widehat{BAD}+\widehat{BCD}=180^\circ, ta có XT=AM \sin \widehat{XAT}=CM\sin \widehat{YCZ}=YZ.
Vậy XYZT là hình thang cân (XY \parallel ZT). (1)
Dễ thấy M, E, X, Z, H cùng thuộc đường tròn đường kính ME, ký hiệu là (ME), và M, F, Y, T, H cùng thuộc đường tròn đường kính MF, ký hiệu là (MF). Kết hợp với (1) suy ra \mathscr{P}_{Q/(ME)}=\overline{QX}\cdot \overline{QZ}=\overline{QY}\cdot \overline{QT}=\mathscr{P}_{Q/(MF)}.
Kết hợp với MH là trục đẳng phương của (ME), (MF), suy ra Q\in MH. Theo định lý Brocard, OP \perp EF. Vậy MQ \equiv MH \parallel OP. (2)
Từ (1), theo bổ đề 2, suy ra I là tâm đường tròn ngoại tiếp hình thang cân XYZT. Do đó IQ \perp XY \parallel ZT. (3)
Vì \widehat{BXM}=\widehat{BYM}=90^\circ nên BM đi qua tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác BXY. Từ đó, chú ý rằng BM, BD là hai đường đẳng giác đối với góc \widehat{XBY}, theo bổ đề 3, suy ra BD \perp XY. Kết hợp với (3), suy ra IQ \parallel BD \equiv NR. Từ đó, chú ý rằng I là trung điểm của MN, suy ra Q là trung điểm của MR. (4)
Từ (2) và (4) suy ra (WVSU)=P(WVSU)=P(MRQO)=-1. \tag{5}
Dễ thấy EF là đường đối cực của P đối với (O). (6)
Từ (6), chú ý rằng ABCD là tứ giác điều hòa, suy ra WB, WD tiếp xúc với (O). Do đó W \in ON. Kết hợp với (6), suy ra \widehat{OUW}=90^\circ. Vậy các tứ giác MPNO, MUWO theo thứ tự nội tiếp các đường tròn đường kính PO, PW. Do đó (MN, MP)\equiv (ON, OP)\equiv (OW,OU) \equiv (MW,MU) \pmod \pi.
Từ đó, chú ý rằng MV \equiv MO \perp MW, suy ra (WVS'U)=M(WVS'U)=M(WVNU)=-1. \tag{7}
Từ (5) và (7) suy ra (WVS'U)=(WVSU). Điều đó có nghĩa là S trùng với S'. Theo bổ đề 4, S' là trung điểm của EF. Vậy S là trung điểm của EF (đpcm).
Nếu X', Y', Z', T' theo thứ tự là hình chiếu của N trên AB, BC, CD và DA và Q'=X'Z'\cap Y'T' thì P, Q, Q' thẳng hàng.
0 nhận xét:
Đăng nhận xét