Sáng kiến kinh nghiệm Một số bài toán về cực trị trong hình học

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Một số bài toán về cực trị trong hình học

1. Đề tài sang kiến kinh nghiệm I. NỘI DUNG ĐỀ TÀI 1. Tên đề tài: “Một số bài toán về cực trị trong hình học” 2. Lý do chọn đề tài: Một trong những công tác quan trọng trong nhà trường phổ thông là đào tạo và bồi dưỡng nhân tài. Để hoàn thành nhiệm vụ đó với cương vị là giáo viên giảng dạy bộ môn toán, tôi nhận thấy cần phải cải tiến phương pháp nhằm nâng cao chất lượng dạy học. Là giáo viên được phân công dạy và bồi dưỡng học sinh giỏi toán 9 nên tôi đã chọn viết chuyên đề: “Một số bài toán về cực trị trong hình học”. Đây là một trong những dạng toán khó trong chương trình toán phổ thông, hi vọng rằng tư liệu này sẽ giúp các em giải quyết bớt những khó khăn khi gặp dạng toán này. 3. Phạm vi, thời gian thực hiện Phạm vi: học sinh khá giỏi lớp 8 - 9 Thời gian: 10 tiết (trong đó có 2 tiết kiểm tra) II. QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 1. Khảo sát thực tế: Trước khi thực hiện đề tài này các em học sinh đã được trang bị những kiến thức cơ bản tương đối đầy đủ của chương trình bộ môn toán trong nhà trường phổ thông trung học cơ sở. Quá trình nhận thức của các em ở mức độ bình thường có thể hoàn thành các bài toán trong sách giáo khoa và có khả năng giải được một số bài toán có tính nâng cao. Mặc dù vậy khi đứng trước những bài toán khó thì việc tìm ra đường lối giải nhiều khi vẫn gặp khó khăn và bế tắc. 2. Biện pháp thực hiện: Qua kinh nghiệm giảng dạy và được sự giúp đỡ động viên của đồng nghiệp, thông qua một số tư liệu tham khảo tôi muốn điểm lại một số lý thuyết và giải quyết một số bài tập nhằm giúp các em tìm thấy sự bổ ích và đạt kết quả khi học chuyên đề này. Nguyễn Thị Hương 1
2. Đề tài sang kiến kinh nghiệm 3. Nội dung chủ yếu của đề tài: A. KHÁI NIỆM: Toán cực trị hình học là một dạng các bài toán tìm giá trị lớn nhất hoặc nhỏ nhất của một đại lượng nào đó (như độ dài đoạn thẳng, số đo góc, số đo diện tích, số đo chu vi .) trong tất cả các hình có chung một tính chất. Các bài toán cực trị trong hình học thường được trình bày theo 2 cách: Cách 1: Trong các hình có tính chất của đề bài, chỉ ra một hình rồi chứng minh hình rằng mọi hình khác đều có giá trị (của đại lượng phải tìm cực trị) lớn hơn (hoặc nhỏ hơn) giá trị của đại lượng đó ở hình đã chỉ ra. Cách 2: Thay điều kiện một đại lượng đạt cực trị (lớn nhất hoặc nhỏ nhất) bằng các điều kiện tương đương, cuối cùng dẫn đến một điều kiện mà ta xác định được vị trí của các điểm để đạt cực trị. Trong hai cách trên thì lời giải theo cách 2 có vẻ tự nhiên hơn vì nó mang tính chất tìm kiếm. B. CÁC BÀI TOÁN: Bài toán 1: Cho hình vẽ ABCD cạnh là a. Trên hai cạnh AB và AD lần lượt lấy hai điểm di động E và F sao cho AE + EF + FA A E B = 2a. Tìm vị trí của E, F sao cho diện tích ∆ CEF lớn nhất. Tìm giá trị đó. I Giải: Kẻ CI ⊥ EF ⇒ ΔCIE = ΔCBE F ⇒ CI = CB = a Ta lại có: D C Nguyễn Thị Hương 2
3. Đề tài sang kiến kinh nghiệm a122 a SSSSS2SSS=+++= +⇒ =− EA.AF ≤ ABCD CEF CDF CBE AEF CEF AEF CEF 22 2 a2 ⇒ Max S=⇔ AE.AF = 0 CEF 2 => hoặc AE = 0 hoặc AF = 0 suy ra hoặc E trùng với A hoăc F trùng với A. Bài toán 2: Cho tam giác vuông cân ABC ( Aˆ = 90o), cạnh góc vuông là a. Gọi M là trung điểm của BC. Từ đỉnh M vẽ góc 45o, các cạnh của góc này cắt một hoặc hai cạnh của tam giác MEF là lớn nhất. Tính giá trị đó theo a. Giải: a) Xét trường hợp E, F cùng nằm trên một cạnh: = 45o. Kẻ MP ⊥AB , MQ ⊥ AC ta có tứ giác APMQ là hình vuông. Mặt khác: MF ∆ KMI = ∆ FMQ (c.g.c) => SKMI = SFMQ 1 a 2 ⇒ S < S = S = MEF MAQ 4 ABC 8 a 2 Tức là: S < MEF 8 b) Xét trường hợp E và F tương ứng nằm trên 2 cạnh AB và AC, áp dụng bài toán 1 ta có : SAPMQ = 2SMEF + SAEF Nguyễn Thị Hương 3
4. Đề tài sang kiến kinh nghiệm a 2 => 2SMEF = SAPMQ - SAEF => S AE là đường trung trực của BD nên AB = AD. Do đó BA + AC = DA + AC (2) ∆ADC có DC BE + EC < BA + AC Vậy trong các ∆ABC có cùng diện tích, có cùng cạnh BC thì tam giác cân đáy BC có chu vi nhỏ nhất. Cách 2: (hình vẽ 2) Xét các ∆ABC có cạnh đáy BC không đổi và có cùng diện tích. Do chiều Nguyễn Thị Hương 4
5. Đề tài sang kiến kinh nghiệm cao ứng với BC không đổi nên A chuyển động trên đường thẳng d // BC Gọi D là điểm đối xứng với B qua d, ta có AB = AD Chu vi ∆ABC nhỏ nhất => AB + AC nhỏ nhất. Ta có: AB + AC = DA + AC ≥ DC (không đổi) AB + AC = DC ≥ D; A ; C thẳng hàng. Khi đó A ở vị trí giao điểm E của DC và d; ∆EBC cân tại E. Vậy trong các tam giác ABC có cùng cạnh BC và cùng diện tích, tam giác cân với đáy BC có chu vi nhỏ nhất. Bài toán 4: Cho đường tròn (O;R) cố định. AC là một đường kính cố định. Đường kính BD thay đổi không trùng với AC. Xác định vị trí của BD để cho tứ giác ABCD có diện tích lớn nhất. Tìm diện tích lớn nhất theo R. Chứng minh rằng lúc ABCD có diện tích lớn nhất thì chu vi của tứ giác ABCD cũng lớn nhất. Giải: Xét tứ giác ABCD có Aˆ = Bˆ = Cˆ = 900 => tứ giác ABCD là hình chữ nhật S ABCD = AB.BC AB2 + BC 2 AC 2 ≤ = S ≤ 2R 2 2 2 ABCD Vậy Max SABCD = 2R khi AB = BC AC BD khi đó ABCD là hình vuông. Ta có chu vi (ABCD) = 2(AB + BC) ≤ 2 2(AB2 + BC2 ) = 2 2AC2 = 4R 2 Nguyễn Thị Hương 5
6. Đề tài sang kiến kinh nghiệm Vậy Max chu vi (ABCD) = 4R 2 Khi AB = BC tức là ABCD là hình vuông. Bài toán 5: Cho góc xOy khác góc bẹt và một điểm M thuộc miền trong của góc. Dựng đường thẳng đi qua M và cắt hai cạnh của góc thành một tam giác có diện tích nhỏ nhất ? Cách 1: Qua M dựng đường thẳng song song với Ox cắt Oy tại D. Dựng B đối xứng với O qua D; BM cắt Ox tại A. Ta sẽ chứng minh rằng ∆OAB có diện tích nhỏ nhất. Qua M vẽ đường thẳng bất kỳ (không trùng với AB) cắt Ox; Oy theo thứ tự ở A’; B’. Ta sẽ chứng minh rằng SOAB MB’, trên tia MA’ ta lấy điểm E sao cho ME = MB’ => SMBB' = SMAE SOAB < SOA'B' Cách 2: Vẽ MH // OA ; MK // OB thì SOHMK không đổi. Đặt SOHMK = S3; SAKM =a; MB = b Ta có: S3 = S - (S1 + S2) nên các tam giác AKM; MHB; AOB đồng dạng nên: S SS+ 3 =−1 12 SS Nguyễn Thị Hương 6
7. Đề tài sang kiến kinh nghiệm Các tam giác AKM; MHB; AOB đồng dạng nên: 2 2 Sa1 ⎛⎞Sb2 ⎛⎞ = ⎜⎟và = ⎜⎟ Sab⎝⎠+ Sab⎝⎠+ 22 2 S3 ab+ 2ab S()ab+ ⇒ =−1222 = ⇒ =≥ SS2ab()ab++() ab 3 2 (áp dụng bất đẳng thức ()ab+≥ 4ab; xảy ra đẳng thức và chỉ khi a = b) Vậy S ≥ S3, do đó diện tích AOB nhỏ nhất khi và chỉ khi a = b; khi đó M là trung điểm của AB. Trên đây là vài ví dụ về giải bài toán cực trị trong hình học, qua các bài toán trên bắt đầu hình thành cho các em học sinh, nhất là các em học sinh khá giỏi khái niệm về toán cực trị hình học với phương pháp giải của nó. Đối với học sinh THCS có thể phân loại các dạng toán cực trị kình học thường gặp như sau: Dạng 1: Vận dụng quan hệ giữa đường xiên và đường vuông góc, quan hệ giữa đường xiên và hình chiếu. Đối với dạng này học sinh cần nhớ các kiến thức: Ta có AH⊥∈∈∈∈ d;A d;B d;C d;H d. a) AB≥ AH Dấu “ = ” xảy ra ⇔ B ≡ H b) AB≤ AC⇒ BH≤ HC Bài toán 6: Cho nửa đường tròn (O;R), đường kính AB; M là điểm trên nửa đường tròn. Xác định vị trí của M để: Diện tích tam giác MAB lớn nhất. Chu vi tam giác MAB lớn nhất. Giải: Nguyễn Thị Hương 7
8. Đề tài sang kiến kinh nghiệm MH⊥∈ AB;H AB Vẽ MH.AB a) S==⋅ MH R MAB 2 2 Ta có MH⊥∈ AB;O AB , do đó: MH ≤ OM = R; nên SMAB ≤ R (không đổi) Dấu “ = ” xảy ra H ≡ O M là trung điểm của cung AB. AMB = 900 (AMB là góc nội tiếp chắn nửa đường tròn) ∆MAB vuông tại M có MH⊥ AB⇒ MH⋅= AB MA ⋅ MB ∆MAB vuông tại M theo định lý Pitago ta có: MA2 + MB2 = AB2 = 4R2 Gọi P là chu vi của ∆MAB ta có : PMAB = MA + MB + AB trong đó AB không đổi (MA + MB)2 = MA2 + MB2 + 2MA.MB Do đó PMAB lớn nhất MA + MB lớn nhất SMAB lớn nhất M là điểm chính giữa của cung AB. * Qua bài toán trên có thể giúp ta giải được bài toán : Trong các tam giác vuông có chung cạnh huyền, tam giác vuông cân có diện tích lớn nhất và có chu vi lớn nhất. Bài toán 7: Cho nửa đường tròn (O) đường kính AB = 2R. Kẻ hai tiếp tuyến ã; By của nửa đường tròn (O) và tiếp tuyến thứ batiếp xúc với (O) tại M cắt Ax tại D và cắt By tại E. Xác định vị trí của điểm M trên nửa đường tròn (O) sao cho: AD + BE đạt giá trị nhỏ nhất. OD.OE đạt giá trị lớn nhất. Giải: Vẽ DH⊥∈ By; H By Tứ giác ADHB có ABH90 === 0 => ADHB là hình chữ nhật Nguyễn Thị Hương 8
9. Đề tài sang kiến kinh nghiệm => DH = AB = 2R Ta có AD = MD; BE = ME (tính chất hai tiếp tuyến của (O) cắt nhau tại một điểm) Do đó: AD + BE = MD + ME = DE mà DE ≥ DH (do DE⊥∈ By; E By ) Vậy AD + BE ≥ 2R (không đổi) Dấu “ = ” xảy ra E ≡ H DE//AB ⇔⊥⇔OM AB M là điểm chính giữa của cung AB. DA và DM là tiếp tuyến của (O) => OD là phân giác của AOM , tương tự OE là phân giác của MOB ; MOA và MOB kề bù. Do đó EOD = 90o ∆ODE vuông tại O; OM⊥ DE nên OD·OE = OM·DE OD·OE = R·DE OD·OE nhỏ nhất DE nhỏ nhất M là điểm chính giữa cung AB. Có rất nhiều bài toán cực trị hình học mà việc vận dụng các bất đẳng thức trong tam giác và quy tắc các điểm rất quan trọng. Trong quá trình giảng dạy tôi nhận thấy việc học và hiểu kiến thức về bất đẳng thức trong tam giác, quy tắc các điểm đối với học sinh không gặp khó khăn nhiều, nhưng ở đây việc vận dụng kiến thức đó vào việc giải các bài toán, nhất là các bài toán về cực trị hình học thì rất khó khăn với học sinh. Để giúp các em làm tốt hơn vấn đề này, tôi đã giúp các em nhớ lại, củng cố lại các kiến thức lý thuyết ở phần này. Dạng 2: Vận dụng các bất đẳng thức trong tam giác và quy tắc về khoảng cách các điểm. Để có thể giải được dạng bài tập này các em học sinh cần phải nhớ được Nguyễn Thị Hương 9