Bài toán con bướm

Kỳ trước chúng ta đã trình bày một cách chứng minh đơn giản cho bài toán con bướm dựa trên định lý lục giác Pascal. Hôm nay chúng ta sẽ liệt kê một vài cách chứng minh khác dưới dạng bài tập để bạn đọc có thể rèn luyện kỹ năng giải toán.

Cánh bướm Pascal

Hôm nay xin giới thiệu với các bạn một sự kết hợp tuyệt vời giữa hai kết quả hay trong hình học: định lý lục giác Pascal và định lý con bướm.

Trục đẳng phương và tâm đẳng phương

Kỳ trước chúng ta đã học về khái niệm phương tích. Phương tích của một điểm $P$ đến một đường tròn tâm $O$ bán kính $r$ được xác định bởi công thức sau $${\cal P}(P, (O)) = \vec{PU} \times \vec{PV} = PO^2 - r^2 = (P_x - O_x)^2 + (P_y - O_y)^2 - r^2,$$ ở đây, $U$ và $V$ là hai giao điểm của đường tròn $(O)$ với một đường thẳng bất kỳ đi qua $P$.

Phương tích: ${\cal P}(P, (O)) = \vec{PU} \times \vec{PV} = PO^2 - r^2 = (P_x - O_x)^2 + (P_y - O_y)^2 - r^2$.

Phương tích cho chúng ta biết được vị trí tương đối của điểm $P$ đối với đường tròn. Nếu phương tích là số dương thì $P$ nằm bên ngoài đường tròn, nếu phương tích là số âm thì $P$ nằm bên trong đường tròn, còn nếu phương tích bằng $0$ thì điểm $P$ nằm trên đường tròn.

Hôm nay chúng ta sẽ xem xét ứng dụng của phương tích với hai công cụ chính, đó là trục đẳng phương và tâm đẳng phương. Trục đẳng phương thường được dùng để chứng minh các điểm thẳng hàng, còn tâm đẳng phương thường dùng để chứng minh các đường thẳng đồng quy.

Phương tích

Hôm nay chúng ta sẽ học về khái niệm phương tích của một điểm đối với đường tròn.

Giả sử trên mặt phẳng chúng ta có một điểm $P$ và một đường tròn $(O)$. Kẻ một đường thẳng qua điểm $P$ cắt đường tròn tại hai điểm $U$ và $V$. Vậy thì giá trị của $$PU \times PV$$ sẽ không phụ thuộc vào vị trí của đường thẳng.

Điều này có nghĩa là nếu chúng ta vẽ một đường thẳng khác qua $P$ và cắt đường tròn tại hai điểm $A$ và $B$ thì $$PA \times PB = PU \times PV.$$
Giá trị không đổi này được gọi là phương tích của điểm $P$ đối với đường tròn $(O)$.

Định lý Ceva và Định lý Menelaus

Hôm nay chúng ta sẽ học về hai định lý hình học, đó là định lý Ceva và định lý Menelaus. Hai định lý này được dùng rất nhiều trong hình học phẳng bởi vì chúng cho phép chúng ta chứng minh về các điểm thẳng hàng và các đường thẳng đồng quy. Chúng ta sẽ sử dụng một định lý về tỷ lệ diện tích tam giác để chứng minh hai định lý này. Cuối cùng, chúng ta sẽ mở rộng định lý Ceva và định lý Menelaus cho các đa giác bất kỳ.

Định lý Pitago

Định lý Pitago chắc chắn là một trong những định lý nổi tiếng nhất trong toán học. Định lý này nói rằng trong một tam giác vuông thì bình phương cạnh huyền bằng tổng bình phương của hai cạnh góc vuông.

Định lý Pitago: $c^2 = a^2 + b^2$.

Định lý Pitago có rất nhiều cách chứng minh. Nhưng có một cách chứng minh khá là thú vị vì nó được tìm ra bởi vị Tổng thống thứ 20 của Hoa Kỳ - ông James Abram Garfield.

Cách chứng minh của Tổng thống Garfield rất đơn giản. Cách chứng minh này dựa vào cách tính diện tích của hình thang sau đây bằng hai cách khác nhau.

Hình thang này có hai cạnh đáy là $a$ và $b$, còn đường cao là $a+b$. Do đó diện tích của hình thang là $$\frac{1}{2}(a+b)(a+b) = \frac{1}{2}(a^2 + b^2 + 2ab).$$

Cách thứ hai để tính diện tích của hình thang là lấy tổng của diện tích ba hình tam giác con, đó là $$\frac{1}{2}ab + \frac{1}{2} c^2 + \frac{1}{2}ab = \frac{1}{2}(c^2 + 2ab).$$

So sánh hai kết quả trên, chúng ta rút ra được định lý Pitago! $$c^2 = a^2 + b^2.$$