SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HƯNG YÊN
TRƯỜNG THPT TIÊN LỮ
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
PHƯƠNG PHÁP TỌA ĐỘ TRONG MẶT PHẲNG
(MỘT SỐ BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN ĐƯỜNG THẲNG VÀ
ĐƯỜNG TRÒN)
Môn: Toán THPT
Tên tác giả: Nguyễn Thị Thu Hiền
Giáo viên môn: Toán
Năm học 2013 - 2014
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
MỞ ĐẦU
I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong các kỳ thi đại học, cao đẳng và học sinh giỏi chúng ta thường bắt gặp
các dạng toán trong phần phương pháp tọa độ trong mặt phẳng. Đó là những dạng
toán khó đối với học sinh, có nhiều bài không thể giải được hoặc có thể giải được
nhưng gặp nhiều khó khăn, phức tạp. Hơn nữa kiến thức áp dụng rất rộng được
xuyên suốt từ THCS đến THPT. Khi gặp dạng toán này học sinh thường lúng túng
về phương pháp cũng như tính toán. Để giúp các em nhớ lại và hiểu sâu hon về
một số dạng toán có liên quan đến đường thẳng và đường tròn tôi xin lựa chọn đề
tài "Phương pháp toạ độ trong mặt phẳng"; Cụ thể là: "Một số bài toán có liên quan
đến đường thẳng và đường tròn".
II. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Tìm hiểu đối tượng là học sinh trường trung học phổ thông Tiên Lữ
và học sinh giỏi những năm gần đây
V. CÁC BIỆN PHÁP ĐÃ TIẾN HÀNH GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Trong thực tiễn giảng dạy cho học sinh tôi đã giúp học sinh hệ thống dạng
toán và phương pháp giải theo các dạng
VI. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Giúp học sinh nhận dạng được các bài toán có một phương pháp mang lại
hiệu quả rõ nét. Bồi dưỡng cho học sinh về phương pháp, kỹ năng giải toán. Qua
đó học sinh nâng cao khả năng tư duy, sáng tạo. Nâng cao khả năng tự học, tự bồi
dưỡng và khả năng giải các bài toán trong kỳ thi tuyển sinh vào Đại học môn Toán.
VII. ĐIỂM MỚI TRONG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Điểm mới trong kết quả nghiên cứu: Hệ thống các dạng toán có liên quan
đến đường thẳng và dường tròn và áp dụng vào giảng dạy thực tế các lớp 11A2,
11A3 trường THPT Tiên Lữ.
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
3
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
NỘI DUNG
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1. Toạ độ vectơ: Trong mặt phẳng với hệ toạ độ Oxy
1) a = (a1; a2) <=> a = a1 i +a2 j
2) Cho a = (a1; a2), b = (b1; b2). Ta có:
a b = (a1 b1; a2 b2)
x
M
1 k
y A kyB
yM
1 k
x A xB
x
M
2
Đặc biệt khi M là trung điểm của đoạn thẳng AB thì
y A yB
yM
2
x A x B xC
xG
3
Nếu G là trọng tâm ABC thì
y A y B yC
yG
2) a cùng phương với b a1b2 - a2b1 = 0
Nhắc lại:
1. Trọng tâm của một tam giác là giao điểm của 3 đường trung tuyến. Khoảng cách
từ đỉnh tam giác đến trọng tâm bằng
2
độ dài trung tuyến.
3
2. Trực tâm của một tam giác là giao điểm của 3 đường cao.
uuur uuur
AH .BC 0
H(x; y) là trực tâm của tam giác ABC uuur uuur
BH .AC 0
3. Tâm đường tròn ngoại tiếp của một tam giác là giao điểm của 3 đường trung
trực của 3 cạnh tam giác đó.
IA IB
I(x; y) là tâm đường tròn ngoại tiếp của tam giác ABC
IA IC
Hoặc I d1 d2 với d1, d2 là trung trực của hai cạnh của tam giác ABC
4. Tâm đường tròn nội tiếp tam giác là giao điểm của 3 đường phân giác trong của
tam giác đó
g ®iÓm M0 x0 ; y0 (d )
r
gVTCP u a1; a2
x x0 a1t
gPTTS
t R
y
y
a
t
0
2
Và phương trình chính tắc là
x x0 y y0
a1 0 vµ a2 0
a1 = a2
3) Phương trình đường thẳng d qua 2 điểm A và B với A xA; yA , B xB; yB là
x xA
y yA
xB xA yB yA
4) Đường thẳng d đi qua điểm M0 x0; y0 và vuông góc với đường thẳng :
Ax + By + C = 0
- d vuông góc với : Ax + By + C = 0 nên phương trình d có dạng:
2
2
B22 0
Phương trình hai đường phân giác của các góc hợp bởi (1) và (2) là:
A1 x B1 y C1
A12 B12
=
A2 x B2 y C 2
A22 B22
8) Đường thẳng d đi qua điểm M0(x0; y0) và tạo với đường thẳng
: Ax + By+ C = 0 một góc
Gọi
r
n A'; B '
A
'2
B '2 0 là VTPT của đường thẳng d thì phương trình d có
dạng A' x x0 B' y y0 0
II. VỊ TRÍ TƯƠNG ĐỐI CỦA HAI ĐƯỜNG THẲNG
Cho 2 đường thẳng:
(1): A1x + B1y + C1 = 0 (1) A12 B12 0
(2): A2x + B2y + C2 = 0 (2) A22 B22 0
Toạ độ giao điểm của 1 và 2, nếu có là nghiệm của hệ 2 phương trình (1)
và (2)
Ta có kết quả sau:
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
7
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
- Nếu
A1
B
1 thì 1 cắt 2
A2
B2
- Nếu
A1
B
C
= 1 1 thì 1 // 2
A2
B2 C 2
A2 B 2
Lưu ý:
1. Tìm một số x tương đương dạng toán lập phương trình ẩn số x và giải.
2. Tìm hai số x, y tương đương dạng toán lập phương trình 2 ẩn số x và y rồi
giải.
3. Tìm tọa độ điểm A(x; y) tương đương dạng toán lập hệ phương trình 2 ẩn
số x và y rồi giải.
Cho d: y = f(x); d’: y = g(x)
y f ( x)
y g x
Nếu A = d d’ thì tọa độ cuả A là nghiệm của hệ
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
8
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
4. Phương pháp loại bớt ẩn số khi lập phương trình
TH1: A : y f x A x; y f x
(đã loại bớt ẩn y của điểm A)
II. Vị trí tương đối giữa đường thẳng và đường tròn
Cho đường thẳng và đường tròn (C) có tâm I và bán kính R
Gọi d là khoảng cách từ I đến đường thẳng
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
9
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
Nếu d > R thì và (C) không có điểm chung.
Nếu d = R thì và (C) có một điểm chung duy nhất. Khi đó gọi là
tiếp tuyến của đường tròn (C) và điểm chung gọi là tiếp điểm.
Nếu d < R thì và (C) có hai điểm chung.
III. Tính chất của tiếp tuyến của đường tròn:
- Tiếp tuyến của đường tròn thì vuông góc với bán kính tại tiếp điểm.
- Khoảng cách từ tâm của đường tròn đến tiếp tuyến bằng bán kính.
Lưu ý: Tiếp tuyến của một đường tròn cũng là một đường thẳng nên bài toán
viết phương trình tiếp tuyến chính là bài toán viết phương trình đường thẳng.
Ví dụ 1. Trong mặt phẳng Oxy cho A( 2;-1), B( -2;2)
a. Viết phương trình đường tròn đường kính AB
b. Viết phương trình tiếp tuyến với đường tròn tại A
Giải:
a.Tâm I của đường tròn là trung điểm của AB nên I(0;1/2)
Bán kính R =
AB
16 9 5
2
x - 2y - 1 = 0
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
10
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
Vậy tiếp điểm H(3;1)
Ví dụ 3: Lập phương trình tiếp tuyến của đường tròn ( C): x2 +y2 -6x +2y = 0
vuông góc với đường thẳng 3x – y +6 = 0
Giải: Ta có tâm của đường tròn I(3;-1), bán kính R = 10
Gọi là đường thẳng vuông góc với đường thẳng: 3x – y +6 = 0 nên phương trình
đường thẳng có dạng: x +3y +C = 0 .
Do tiếp xúc với (C) nên d(I; ) = R
33C
10
10 C 10
Vậy có hai tiếp tuyến là: x +3y +10 = 0, x +3y -10 = 0
Ví dụ 4: Cho đường tròn ( C): x2+y2 - 6x +2y +6 = 0 và A(1;3) .Viết phương trình
tiếp tuyến với đường tròn ( C) và qua A.
Giải: Gọi : Ax +By + C = 0 A2 B 2 0
Ta có tâm của đường tròn I(3;-1), bán kính R = 2
Do qua A(1;3) nên: A +3B +C = 0
Và tiếp xúc với đường tròn ( C) nên: d(I; ) = R
3A B C
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
BÀI TẬP ÁP DỤNG
Bài 1. Trong mặt phẳng với hệ toạ độ Oxy, cho tam giác ABC vuông cân tại A,
biết các đỉnh A, B, C lần lượt nằm trên các đường thẳng d: x y 5 0 ,
d1: x 1 0 , d2: y 2 0 . Tìm toạ độ các đỉnh A, B, C, biết BC = 5 2 .
Hướng dẫn
d1 d2 và ABC vuông cân tại A nên A cách đều d1, d2 A là giao điểm
của d và đường phân giác của góc tạo bởi d1, d2 A(3; 2).
uuur
uuur
Giả sử B(–1; b) d1, C(c; –2) d2. AB (4; b 2), AC (c 3; 4).
uuur uuur
AB.AC 0
Ta có: 2
b 5, c 0 A(3;2), B(1;5), C(0; 2) .
b 1, c 6
A(3;2), B(1; 1), C(6; 2)
BC 50
Bài 2. Trong mặt phẳng với hệ toạ độ Oxy, cho tam giác ABC có diện tích bằng
3
,
11
11 16
x y 0
3
3
3
x2 y2
91
91
416
x y
0
3
3
3
Bài 3
Trong mặt phẳng với hệ toạ độ Oxy, viết phương trình đường tròn đi qua
A(2; 1)
tiếp xúc với các trục toạ độ.
Hướng dẫn
Phương trình đường tròn có dạng:
( x a) 2 ( y a) 2 a2 (a)
d: 3x – y – 4 = 0.
Hướng dẫn
x t
1) PTTS của d: y 4 3t . Giả sử C(t; –4 + 3t) d.
S
uuur uuur
1
1
AB.AC.sin A
AB2 .AC2 AB.AC
2
2
2
=
3
2
t 2
4t 2 4t 1 3
2 1
b 4
M(–1; 1) là trung điểm của BC
3 2c
c 9
2 b 6
1
4
2
1 7
4 4
9 1
4 4
B ; , C ; .
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
13
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
Bài 6
b = –2a: AB: x – 2y = 0 ; CD: x – 2y –2 =0; BC: 2x +y – 6= 0;
AD: 2x + y – 4 =0
b = –a: AB: –x + y+ 1 =0; BC: –x –y + 2= 0; AD: –x –y +3 =0;
CD: –x + y+ 2 =0
Bài 7
Trong mặt phẳng với hệ toạ độ Oxy, cho đường thẳng d: x y 1 0 và hai đường
tròn có phương trình:
(C1): ( x 3)2 ( y 4)2 8 , (C2): ( x 5)2 ( y 4)2 32
Viết phương trình đường tròn (C) có tâm I thuộc d và tiếp xúc ngoài với (C1) và
(C2).
Hướng dẫn
Gọi I, I1, I2, R, R1, R2 lần lượt là tâm và bán kính của (C), (C1), (C2).
Giả sử I(a; a – 1) d. (C) tiếp xúc ngoài với (C1), (C2) nên
II1 = R + R1, II2 = R + R2 II1 – R1 = II2 – R2
(a 3)2 (a 3)2 2 2 (a 5)2 (a 5)2 4 2 a = 0 I(0; –1),
R= 2
Phương trình (C): x2 ( y 1)2 2 .
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
14
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
Bài 8
Trong mặt phẳng với hệ toạ độ Oxy, cho đường tròn (C): x2 + y2 – 6x + 5 = 0. Tìm
điểm M thuộc trục tung sao cho qua M kẻ được hai tiếp tuyến của (C) mà góc giữa
2
R m 9
4 3
3
(Vô nghiệm)
Vậy có hai điểm M1(0;
7)
và M2(0;
7)
Bài 9
Trong mặt phẳng với hệ toạ độ Oxy, cho đường tròn (C): ( x 1)2 ( y 2)2 9 và
đường thẳng d: x y m 0 . Tìm m để trên đường thẳng d có duy nhất một điểm A
mà từ đó kẻ được hai tiếp tuyến AB, AC tới đường tròn (C) sao cho tam giác ABC
vuông (B, C là hai tiếp điểm).
Hướng dẫn
(C) có tâm I(1; –2), bán kính R = 3. Vì các tiếp tuyến AB, AC vuông góc nên
ABIC là hình vuông có cạnh bằng 3 IA = 3 2 . Giả sử A(x; –x – m) d.
IA2 18 ( x 1) (m x 2) 18 2x 2(3 m) x m 4m 13 0 (1)
2
2
2
2
a b 8 (1)
a b 5 3 a b 2 (2) ; Trọng tâm G
a 5 b 5
;
d
3
3
3a –b =4 (3)
(1), (3) C(-2; -10) r =
S
3
p
2 65 89
S
3
r
(2), (3) C(1; –1)
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
AB CM phương trình đường thẳng AB: x 2 y 2 0 .
AC BN phương trình đường thẳng AC: 6 x 3 y 1 0
Bài 12
Trong mặt phẳng với hệ tọa độ Oxy, cho đường tròn (C): (x – 1)2 + (y + 1)2 = 25
và điểm M(7; 3). Lập phương trình đường thẳng d đi qua M cắt (C) tại A, B phân
biệt sao cho MA = 3MB.
Hướng dẫn
M nằm ngoài (C). (C) có tâm I(1;–1) và R = 5.
uuur uuur
2
Mặt khác: MA.MB 3MB MB 3 . Gọi H là hình chiếu của I lên AB
BH 3 IH R 2 BH 2 4 d I ,(d )
Ta có: phương trình đường thẳng d: a(x – 7) + b(y – 3) = 0 (a2 + b2 > 0).
d I ,(d ) 4
a 0
4
2
2
a 12 b .
a b
5
6a 4b
Vậy d: y – 3 = 0 hoặc d: 12x – 5y – 69 = 0.
2
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
17
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
Bài 14
Trong mặt phẳng với hệ toạ độ Oxy, cho 2 đường thẳng d1: x 7 y 17 0 ,
d2: x y 5 0 . Viết phương trình đường thẳng d qua điểm M(0;1) tạo với d1,
d2 một tam giác cân tại giao điểm của d1, d2.
Hướng dẫn
Phương trình đường phân giác góc tạo bởi d1, d2 là:
x 7 y 17
1 (7)
2
2
x y 5
1 1
2
2
x 3 y 13 0 ( 1 )
18
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
3 1 Cô si 3 1
M(3; 1) d 1 a b 2 a . b ab 12 .
Mà OA 3OB a 3b 2 3ab 12
(OA 3OB) nhỏ nhất bằng 12
a 3b
a 6
3 1 1
b 2
a b 2
x
y
Phương trình đường thẳng d là: 6 2 1 x 3 y 6 0
Bài 17
Trong mặt phẳng với hệ toạ độ Oxy, cho 4 điểm A(1;0), B(–2;4), C(–1;4), d(3;5).
Tìm toạ độ điểm M thuộc đường thẳng () : 3x y 5 0 sao cho hai tam giác
MAB, MCD có diện tích bằng nhau.
Hướng dẫn
x t
Phương trình tham số của : y 3t 5 . M M(t; 3t – 5)
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
4
5
.
19
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
4
5 8 8 2
t
C
| 6t 4 | 4
; , D ;
3
3 3 3 3
Ngoài ra: d C; AB CH
5
5
t 0 C 1;0 , D 0; 2
5 8
8 2
Trong mặt phẳng với hệ toạ độ Oxy, lập phương trình đường thẳng d đi qua điểm
A(1; 2) và cắt đường tròn (C) có phương trình ( x 2)2 ( y 1)2 25 theo một dây
cung có độ dài bằng 8.
Hướng dẫn
d: a(x – 1)+ b(y –2) = 0 ax + by – a – 2b = 0 ( a2 + b2 > 0)
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
20
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
Vì d cắt (C) theo dây cung có độ dài bằng 8 nên khoảng cách từ tâm I(2; –1)
của (C) đến d bằng 3.
d I,d
2a b a 2b
a b
2
2
3 a 3b 3 a 2 b 2
a 0
8a 6ab 0
a 3 b
4
d là đường thẳng đi qua P( 2; -1) có phương trình:
đường thẳng d : A( x 2) B( y 1) 0 Ax By 2 A B 0
d cắt d1, d2 tạo ra một tam giác cân có đỉnh I khi d tạo với d1 (hoặc d2) một
góc 450
A 3B
cos 450 3 A2 8 AB 3B 2 0
22 (1) 2
B 3 A
2A B
A2 B 2
* Nếu A = 3B ta có đường thẳng d : 3x y 5 0
* Nếu B = –3A ta có đường thẳng d : x 3 y 5 0
Vậy có hai đường thẳng thoả mãn yêu cầu bài toán. d : 3x y 5 0 ;
d : x 3y 5 0
Bài 23
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
21
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
Trong mặt phẳng với hệ toạ độ Oxy, cho ABC có đỉnh A(1;2), phương trình
đường trung tuyến BM: 2 x y 1 0 và phân giác trong CD: x y 1 0 . Viết
phương trình đường thẳng BC.
Hướng dẫn
Trong mặt phẳng với hệ trục tọa độ Oxy, cho hai đường thẳng d1: x + y + 5 = 0,
d2: x + 2y – 7= 0 và tam giác ABC có A(2; 3), trọng tâm là điểm G(2; 0), điểm B
thuộc d1 và điểm C thuộc d2 . Viết phương trình đường tròn ngoại tiếp tam giác
ABC.
Hướng dẫn
Do B d1 nên B(m; – m – 5), C d2 nên C(7 – 2n; n)
2 m 7 2n 3.2
m 1
Do G là trọng tâm ABC nên 3 m 5 n 3.0 n 1 B(–1; –4),
C(5; 1)
2
2
phương trình đường tròn ngoại tiếp ABC: x y
83
17
338
x y
0
27
9
27
Bài 25
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
Phương trình AD:
AC:
x 2 y 3
x y 1 0 ;
3
3
x 2 y 3
3x 4 y 6 0
4
3
Giả sử tâm I của đường tròn nội tiếp có tung độ là b. Khi đó hoành độ là
1 b và bán kính cũng bằng b . Vì khoảng cách từ I tới AC cũng phải bằng
b nên ta có:
3
b 3 5b b
3 1 b 4b 6
4
b b3 5 b
2
2
1
b 3 5b b
Bài 26
Trong mặt phẳng với hệ toạ độ Oxy, viết phương trình tiếp tuyến chung của hai
đường tròn (C1): x2 + y2 – 2x – 2y – 2 = 0, (C2): x2 + y2 – 8x – 2y + 16 = 0.
Hướng dẫn
2
2
(C1): ( x 1) ( y 1) 4 có tâm I1 (1; 1) , bán kính R1 = 2.
2
2
(C2): ( x 4) ( y 1) 1 có tâm I 2 (4; 1) , bán kính R2 = 1.
Ta có: I1 I 2 3 R1 R2
(C1) và (C2) tiếp xúc ngoài nhau tại A(3; 1)
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
23
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
(C1) và (C2) có 3 tiếp tuyến, trong đó có 1 tiếp tuyến chung trong tại A là
x = 3 song song với Oy.
* Xét 2 tiếp tuyến chung ngoài: () : y ax b () : ax y b 0 ta có:
a b 1
2
b 4 7 2
b 4 7 2
a2 1
4
4
Vậy, có 3 tiếp tuyến chung:
(1 ) : x 3, ( 2) : y
2
4 7 2
2
4 7 2
x
, ( 3) y
x
4
4
4
4
Bài 27
Trong mặt phẳng với hệ tọa độ Oxy, cho hai điểm A(1; 0), B(3; 1) và đường thẳng
: x 2y 1 = 0. Tìm điểm C thuộc đường thẳng sao cho diện tích tam giác ABC
bằng 6.
Hướng dẫn
9
, trung điểm
2
của một cạnh là giao điểm của d và trục Ox. Tìm tọa độ các đỉnh của hình chữ
nhật.
Hướng dẫn
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
24
Sáng kiến kinh nghiệm: Phương pháp tọa độ trong mặt phẳng
I có hoành độ xI
9
9 3
và I d : x y 3 0 I ;
2
2 2
Gọi M = d Ox là trung điểm của cạnh AD, suy ra M(3;0).
AB 2 IM 2
xI xM
2
y I yM 2
y 3 x
x 2
y x 3
hoặc
.
2
2
2
2
x 3 1 y 1
y 1
( x 3) y 2
( x 3) y 2
Vậy A(2;1), D(4;-1),
x x
xI A C
xC 2 xI xA 9 2 7
9 3
2
I ; là trung điểm của AC, suy ra:
2 2
yC 2 yI y A 3 1 2
5
5
Bài 30
Trong mặt phẳng với hệ tọa độ Oxy, cho đường tròn (C) và đường thẳng định
bởi: (C ) : x 2 y 2 4 x 2 y 0; : x 2 y 12 0 . Tìm điểm M trên sao cho từ M
Người viết: Nguyễn Thị Thu Hiền – Trường THPT Tiên Lữ
25