SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
MỤC LỤC
Danh mục chữ cái viết tắt
Trang 2
1. MỞ ĐẦU
Trang 3
1.1 Lý do chọn đề tài
Trang 3
1.2 Mục đích nghiên cứu
Trang 3
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Trang 4
1.4 Kế hoạch nghiên cứu
Trang 4
1.5 Phương pháp nghiên cứu
Trang 4
Trang 23
4. KẾT LUẬN
Trang 24
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 25
VÕ NAM PHONG – THPT TÂY HIẾU – THÁI HOÀ NGHỆ AN
SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
MỘT SỐ KÍ HIỆU VIẾT TẮT TRONG ĐỀ TÀI
A, B, C
Góc trong tam giác ABC
a, b, c
Độ dài cạnh đối diện với đỉnh A, B, C tương ứng
p
Nửa chu vi tam giác ABC
R
THPT. Toán học không những giúp cho học sinh kỹ năng tính toán mà còn phát
triển tư duy cho học sinh, đặc biệt là tư duy sáng tạo, khái quát…
Trong toán học, việc phát triển tư duy cho học sinh là việc hết sức quan
trọng. Đối với nhiều học sinh, các em thường hài lòng với việc giải xong một
bài toán mà không xem xét thêm cách giải khác là khá phổ biến. Trong quá trình
dạy học tôi thường khuyến khích học sinh giải bài toán theo nhiều cách khác
nhau, từ đó rèn luyện cho học sinh thói quen giải quyết một vấn đề theo nhiều
cách khác nhau, tư duy đó rất có ích trong cuộc sống hiện đại ngày nay. Trong
quá trình dạy học tôi thấy bài toán IMO sau đây rất thú vị, bài toán đó là: “
Cho tam giác ABC có độ dài ba cạnh là a, b, c và có diện tích là S . Chứng
minh rằng: a 2 + b 2 + c 2
4S 3. ” Tôi thấy rằng có rất nhiều cách để tính
diện tích tam giác, từ đó ta có thể chứng minh bài toán thú vị này theo nhiều
cách khác nhau. Mặt khác, giữa mặt phẳng và không gian có mối liên hệ với
nhau, các tính chất trong mặt phẳng có thể mở rộng trong không gian, vì vậy ta
có thể mở rộng bài toán này trong không gian cho tứ diện.
Với những lý do trên tôi chọn đề tài “ Phát triển tư duy cho học sinh thông
qua giải bài toán IMO theo nhiều cách và mở rộng bài toán”. Trong đề tài này
tôi trình bày 16 cách giải khác nhau cho bài toán đã nêu, đồng thời mở rộng bài
toán trong mặt phẳng và trong không gian.
1.2 Mục đích nghiên cứu
VÕ NAM PHONG – THPT TÂY HIẾU – THÁI HOÀ NGHỆ AN
SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
Giúp học sinh biết cách vận dụng kiến thức để giải quyết vấn đề nhiều
4
Chứng minh công thức (1) ( các công thức còn lại có trong sách giáo khoa 10)
Cách 1. Theo công thức Hê rông ta có
VÕ NAM PHONG – THPT TÂY HIẾU – THÁI HOÀ NGHỆ AN
SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
16S 2 = p ( p − a)( p − b)( p − c )
= (a + b + c)(a + b − c)(b + c − a )(c + a − b )
(b + c) 2 − a 2 �
a 2 − (b − c) 2 �
= �
�
��
�
�
2bc + (b 2 + c 2 − a 2 �
2bc − (b 2 + c 2 − a 2 ) �
= �
�
��
�
�
= 4b 2c 2 − (b 2 + c 2 − a 2 ) 2
= 2( a 2b 2 + b 2c 2 + c 2 a 2 ) − (a 4 + b 4 + c 4 )
1
� S =
2 ( a 2b 2 + b 2 c 2 + c 2 a 2 ) − ( a 4 + b 4 + c 4 )
B
M
Trong tam giác vuông API ta có
VÕ NAM PHONG – THPT TÂY HIẾU – THÁI HOÀ NGHỆ AN
SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
A
2
AP + BP + AN + CN − BM − CM
A
=
tan
2
2
AB + AC − BC
A
A
=
tan = ( p − a ) tan .
2
2
2
Chứng minh tương tự ta có các kết quả còn lại.
KQ3. Trong tam giác ABC ta có
�π C �
tan � + �= tan � − �
�2 2 �
�2 2 �
A
B
tan + tan
2
2 = 1
�
A
B
C
1 − tan tan
tan
2
2
2
A
C
B
C
A
B
� tan tan + tan tan = 1 − tan tan
2
2
2
2
2
. (5)
tan tan tan
2
2
2 3 3
A
B
C
tan + tan + tan
3. (6)
2
2
2
cot A + cot B + cot C
3. (7)
sin A + sin B + sin C
Chứng minh (4)
Trước hết ta chứng minh sin x + sin y 2sin
xảy ra khi x = y.
x+ y
với ∀x, y
2
( 0;π ) . Đẳng thức
x+ y
x− y
x+ y
�A + B + C + 3 �
4sin �
�= 2 3
4
�
�
�
�
3 3
� sin A + sin B + sin C �
.
2
Đẳng thức xảy ra khi tam giác ABC đều
Ta có sin x + sin y = 2sin
Chứng minh (5)
Ta có
2
A
B
B
C
C
A
B
C�
� A
1 = tan tan + tan tan + tan tan
3 3 �tan tan tan �
A
Ta có tan tan + tan tan + tan tan = 1
2
2
2
2
2
2
2
Áp dụng bất đẳng thức cơ bản ( x + y + z ) 3( xy + yz + zx) ta có
2
A
A� � A
B
B
C
C
A�
� A
�tan + tan + tan � 3 �tan tan + tan tan + tan tan �= 3
2
2� � 2
2
2
2
2
2�
� 2
A
4 p2 ( a + b + c )
=
=
a 2 + b2 + c2.
3
3
Đẳng thức xảy ra khi tam giác ABC đều
2
Cách 2. Sử dụng công thức Hê rông kết hợp bất đẳng thức Côsi. Trước hết ta
chứng minh bất đẳng thức quen thuộc 8( p − a)( p − b)( p − c) abc. Ta có
8( p − a)( p − b)( p − c) = 8 ( p − a)( p − b) ( p − b)( p − c) ( p − c)( p − a )
(2 p − a − b)(2 p − b − c )(2 p − c − a ) = abc.
Áp dụng bất đẳng thức trên ta có
VÕ NAM PHONG – THPT TÂY HIẾU – THÁI HOÀ NGHỆ AN
SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
48S 2 = 48 p ( p − a)( p − b)( p − c) 48 pabc =3(a + b + c)abc
2
2
2
2
�
�
3(
�
�
2
� ( a 2 + b 2 + c 2 ) �48S 2
2
� a 2 + b 2 + c 2 �4S 3.
Đẳng thức xảy ra khi tam giác ABC đều
Cách 4. Theo định lý cosin c 2 = a 2 + b 2 − 2ab cos C và công thức diện tích
1
S = ab sin C , bất đẳng thức cần chứng minh trở thành
2
� π� 2
2
2
0 a 2 − 2ab sin �
C + �+ b �0.
a − ab(cos C + 3 sin C ) + b ��
� 6�
� π� 2
2
C + �+ b , ta xem f ( a) là tam thức bậc hai ẩn a với
Xét f ( a) = a − 2ab sin �
� 6�
π�
2
2�
Đẳng thức xảy ra khi tam giác ABC đều
1
1 �
�1
ab + bc + ca = 2S �
+
+
�.
�sin A sin B sin C �
1
1
1
9
+
+
2 3.
Mặt khác ta có
sin A sin B sin C sin A + sin B + sin C
Từ đó ta có điều phải chứng minh.
Đẳng thức xảy ra khi tam giác ABC đều
2
2
2
Cách 7. Ta có a + b + c
Cách 8. Ta có a + b + c = 2 R (sin A + sin B + sin C ) 3R 3.
Áp dụng công thức diện tích tam giác ta có
9abc
9abc
9( a + b + c)3 (a + b + c) 2
� A
a 2 + b 2 + c 2 = (a − b) 2 + (b − c ) 2 + (c − a ) 2 + 4S �tan + tan + tan �
2
2�
� 2
4S 3.
VÕ NAM PHONG – THPT TÂY HIẾU – THÁI HOÀ NGHỆ AN
SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
Đẳng thức xảy ra khi tam giác ABC đều
A
B
C
= ( p − b) tan = ( p − c) tan . Do đó ta có
2
2
2
A
B
C
A
B
C
pr 3 = p( p − a)( p − b)( p − c) tan tan tan = S 2 tan tan tan
3 3 �tan tan tan �
2
2
2
2
2
2
2
2�
� 2
A
B
C
1
tan tan tan
.
2
2
2 3 3
Ta có
A
B
C
4S 3 = 4 3 pr = 4 3 p tan tan tan
2
2
2
Đẳng thức xảy ra khi tam giác ABC đều
2
2
2
2
2
2
= 3R + ( OA + OB − AB ) + ( OB + OC − BC ) + ( OC + OA − AC )
= 9 R 2 − ( a 2 + b 2 + c 2 ).
Do OG 0 nên a + b + c
2
2
9 a 2b 2 c 2
. Từ đó suy ra
9R =
16S 2
2
2
(a
16S 2 (a 2 + b 2 + c 2 ) 9a 2b 2c 2
2
� 48
+ +S�
A
N
P
B
I
M
C
Gọi I là tâm đường tròn nội tiếp tam giác, M , N , P lần lượt là hình chiếu của
uuur uur uur r
I lên BC, CA, AB. Ta có aIM + bIN + cIP = 0.
r uuur uur uur r
Thật vậy, đặt u = aIM + bIN + cIP = 0. Ta có
r uuur uuur uuur uur uuur uur uuur
u.BC = aIM .BC + bIN .BC + cIP.BC
= b.r.a.sin C − c.r.a.sin B = ra(b sin C − c sin B)
= ra(2 R sin B sin C − 2 R sin C sin B) = 0
r
uuur
r
uuur
Suy ra u vuông góc BC . Chứng minh tương tự ta có u vuông góc CA . Mà
C
Xét tam giác ABC có M trung điểm BC và H là chân đường cao kẻ từ A.
�3BC 2
�
3BC
. AM 2 �
+ AM 2 �
Ta có 4S 3 = 2 3BC. AH 4.
2
� 4
�
�3a 2 b 2 + c 2 a 2 � 2
=
2
− �= a + b 2 + c 2 .
� +
2
4 �
�4
Đẳng thức xảy ra khi tam giác ABC đều
ᄋ
Cách 14. Không mất tính tổng quát giả sử a b c. Khi đó ta có BAC
600
A
B
= b 2 + c 2 −
Cách 15. Không mất tính tổng quát giải sử A 600 . Dựng tam giác BAM
ᄋ
vuông tại M có BAM
= 300 , điểm M, C nằm cùng phía với đường thẳng bờ
AB.
ᄋ
Dựng tam giác NAC vuông tại N có CAN
= 300 , điểm N, B nằm cùng phía với
với đường thẳng bờ AC.
A
30°
30°
B
C
M
N
c 3
b 3
, AN = AC.cos300 =
.
VÕ NAM PHONG – THPT TÂY HIẾU – THÁI HOÀ NGHỆ AN
SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
3b 2 + 3c 2 3(b 2 + c 2 − a 2 ) 3 3S
=
−
−
4
8
2
3( a 2 + b 2 + c 2 − 4S 3)
=
8
2
Vì MN 0 nên ta có a 2 + b 2 + c 2 4S 3.
Đẳng thức xảy ra khi tam giác ABC đều
Cách 16. Không mất tính tổng quát giải sử A 600 . Dựng phía ngoài tam giác
ABC các tam giác đều ABM và CAN.
N
M
A
B
2
2.3 Mở rộng bài toán trong mặt phẳng
VÕ NAM PHONG – THPT TÂY HIẾU – THÁI HOÀ NGHỆ AN
SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
Bài toán trên phát biểu cho lũy thừa số mũ bằng 2, ta có thể mở rộng bài toán
lũy
thừa với số mũ chẵn bất kì lớn hơn 1.
Cho tam giác ABC có diện tích S và độ dài các cạnh là a, b, c. Với n ᄋ
chứng
minh rằng
2n
2n
2n
�4 � n
a 2 n + b2n + c2 n 3� �
S + ( a − b) + ( b − c) + ( c − a)
�3�
+ ( b + c − a ) b − c + ( c + a − b ) c − a + ( a + b − c ) a − b .
n
n
n
n
m
m
�y � �x − y �
m
m
m
�
� �+ �
� �1 � x − y �( x − y ) .
m
�x − y � x − y �x � � x �
�
�
x
�x �
Đẳng thức xảy ra khi
m =1
y = 0.
Bổ đề 2.
Cho
x, y , z > 0
, chứng minh rằng
SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
Cách 1. Ta có bất đẳng thức đã cho tương đương bất đẳng thức
m
m
� x � � y � 1−m
�
�+ �
� 2
�x + y � �x + y �
x
Đặt t =
(đk: 0 < t < 1 ), ta có bất phương trình
x+ y
f (t ) = t m + (1 − t ) m 21−m.
1
Ta có f '(t ) = mt m−1 − m(1 − t ) m−1 . Khi đó f '(t ) = 0 � t m−1 = (1 − t ) m −1 � t = .
2
Bảng biến thiên
t
1
0 1
2
f '(t ) 0 +
f (t)
1+
�x + y � = �
�
x+ y
�
� � x+ y�
m
m
� 2 x � �2 y �
�
+� � �
�
� 2
x
+
y
x
+
y
�
� �
�
m =1
Đẳng thức xảy ra khi
x = y.
ii) Theo câu i) ta có
�
z +�
m
z+
�
�
xm + ym
x+ y� �
3
�
�
�
3
+
�
�
�+ �
2
2
2
2
�
� �
�
�
�
m
x+ y+z �
�
3
� 3
�
m =1
Đẳng thức xảy ra khi
x = y = z.
m
Bổ đề 3. Cho
m
2 2
i) ( x 2 + y )
x, y 0
, chứng minh
m 2
xm + y m
m
m ii)
x +y ,
2
m
Giải
i) Nếu x = 0 hoặc y = 0 thì bất đẳng thức hiển nhiên đúng.
� y2 �
y2
�2
2 �
2
2
�x + y � x + y
Từ đó ta có điều phải chứng minh.
ii) Theo bất đẳng thức i) ta có
xm + ym
(x + y )
2
2
m
�x + y � x − y
.
�
�+
2
�2 �
m
2
1
�
m
x 2 + y 2 �2
�
�
�
� 2 �
m=2
Đẳng thức xảy ra khi
x = y.
x m + y m ( theo bổ đề 2i)
2
Bổ đề 4. Trong tam giác ABC ta có
a 2 + b 2 + c 2 4S 3 + (a − b) 2 + (b − c ) 2 + (c − a ) 2
Hay ( p − a )( p − b) + ( p − b)( p − c) + ( p − c)( p − a ) S 3.
Giải
Cách 1.
Theo cách chứng 10 trong mục 2.1 ta có
B
C�
� A
2
2
2
2
2
( vì S =
p( p − a )( p − b)( p − c) = xyz ( x + y + z ) )
� ( xy + yz + zx) 2 �3xyz ( x + y + z )
� ( xy − yz ) 2 + ( yz − zx) 2 + ( zx − xy ) 2 �0.
Bất đẳng thức cuối luôn đúng, từ đó ta có điều phải chứng minh.
Đẳng thức xảy ra khi tam giác ABC đều.
Quay lại chứng minh bài toán
VÕ NAM PHONG – THPT TÂY HIẾU – THÁI HOÀ NGHỆ AN
SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
�
a > b−c
a 2 > (b − c) 2
b> c−a ��
b 2 > (c − a ) 2
Trong tam giác ABC ta có �
�
�
c 2 > ( a − b) 2
c > a −b
Do đó, theo bổ đề 1 ta có
−
a
�
(
)
(
)
�
�
� �
c2n − a − b
2n
n
2
�
c 2 − ( a − b ) �= �
4( p − a ) ( p − b) �
�
�
�
�
n
n
� a 2n + b 2n + c 2n − a − b
2
n
n
n
4( p − b)( p − c) + 4( p − c)( p − a ) �
2
�
n
+
(
a
+
b
−
c
)
a
−
b
�
�
2
�
�
n
c
+
a
−
b
)
c
−
a
�
2
�
�
( do bổ đề 3ii)
[ 2( p − b)( p − c) + 2( p − c)( p − a)] + [ 2( p − c)( p − a) + 2( p − a)( p − b)]
n
n
+ [ 2( p − a)( p − b) + 2( p − b)( p − c) ] + ( a + b − c) n a − b +
n
n
(b + c − a) n b − c + (c+ a − b) n c − a
n
n
n
n
n
�4 S �
3 � �+ ( a + b − c) n a − b + (b + c − a )n b − c + (c + a − b) n c − a .
�3�
VÕ NAM PHONG – THPT TÂY HIẾU – THÁI HOÀ NGHỆ AN
SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
( theo bổ đề 4)
n
2n
2n
2n
�4 �
3 � �S n + a − b + b − c + c − a
�3�
n
n
n
+(a + b − c) n a − b + (b + c − a ) n b − c + (c + a − b) n c − a .
Đẳng thức xảy ra khi tam giác ABC đều.
Vậy a 2 n + b 2 n + c 2 n
2.4 Mở rộng bài toán trong không gian.
x
OB
=
b
+
y
OC
= c2 + z 2
Khi đó ta có
,
,
uuur uuur uuur
OA
+ OB + OC = (a + b + c) 2 + ( x + y + z )2
uuur uuur uuur uuur uuur uuur
Mặt khác, ta luôn có OA + OB + OC OA + OB + OC , suy ra điều phải
chứng
uuur uuur uuur
x y z
minh. Đẳng thức xảy ra khi OA , OB , OA cùng hướng hay = = .
a b c
2
Bổ đề 6. Trong tam giác ABC ta có ( a + b + c ) 12 S 3.
VÕ NAM PHONG – THPT TÂY HIẾU – THÁI HOÀ NGHỆ AN
SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
Chứng minh
B
Quay trở lại bài toán. Gọi H là hình chiếu vuông góc của D lên mặt phẳng
(ABC). Gọi E, F, K lần lượt là hình chiếu vuông góc của H lên AB, BC, CA.
Đặt DH = h, HF = x, HK = y, HE = z. Áp dụng định lý Pitago ta có
DF = h 2 + x 2 , DK = h 2 + y 2 , DE = h 2 + z 2
1
Do đó S A + S B + SC = ( BC.DF + CA.DK + AB.DE )
2
VÕ NAM PHONG – THPT TÂY HIẾU – THÁI HOÀ NGHỆ AN
SKKN: GIẢI BÀI TOÁN IMO THEO NHIỀU CÁCH VÀ MỞ RỘNG BÀI TOÁN
(
(
)
1
a h2 + x 2 + b h2 + y 2 + c h2 + z 2
2
1
=
(ah) 2 + (ax) 2 + (bh) 2 + (by ) 2 + (ch) 2 + (cz ) 2
2
1
2
��54 3V
2
�
�
3
� ( S A + S B + SC + S D ) �216 3V 2
3
3
3
3
2
� 16 ( S A + S B + SC + S D ) �216 3V
27
� S A3 + S B3 + SC3 + S D3 � V 2 3.
2
Đẳng thức xảy ra khi tứ diện ABCD đều.
3. THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM
3.1 Kết quả từ thực tiễn.
Trước khi dạy thực nghiệm tôi khảo sát lớp 12I và 12K. Qua kết quả khảo
sát
tôi thấy rằng phần lớn học sinh bằng lòng với một cách giải mà mình tìm
được
và cũng không hứng thú để tìm cách giải khác.
Sau khi dạy thực nghiệm cho lớp 12I tôi thấy các em có hứng thú hơn khi
giải
toán, các em luôn có xu hướng tìm tòi cách giải khác. Nhiều em đã tìm ra nhiều
cách giải độc đáo.
VÕ NAM PHONG – THPT TÂY HIẾU – THÁI HOÀ NGHỆ AN
0%
Trung
bình
36.1%
27.5%
Yếu
Kém
13.9%
30%
11.1%
42.5%
Nhận xét kết quả khảo sát: Lớp 12K không dạy thực nghiệm nên hầu hết các
em chỉ giải được một cách và không mở rộng được bài toán. Ngược lại, lớp
12I được dạy thực nghiệm nên hầu hết các em giải được hai cách trở lên và
mở rộng được bài toán.
Tổng hợp cách giải của học sinh và mở rộng
Cách 1. Áp dụng bất đẳng thức x 2 + y 2 2 xy ta có
a2 + b2
2ab
2
2
2bc
0 + −a 2 ca ab bc 0 a 2 ab ca bc
� a 2 + b 2 + c 2 �ab + ca − bc + b 2 + c 2
� a 2 + b 2 + c 2 �ab + ca + bc + (b − c ) 2 �ab + bc + ca.
Đẳng thức xảy ra khi a = b = c.
Cách 5. Không mất tính tổng quát, giả sử c b a.
Ta có bất đẳng thức đã cho tương đương với bất đẳng thức
a 2 − ab + b 2 − bc + c 2 − ca ��
0 a (a − b) + b(b − c ) + c (c − a ) �0
� a(a − b) + b(b − c) + c(c − b) + c (b − a ) �0
� ( a − b)( a − c) + (b − c) 2 �0. (*)
Do c b a nên bất đẳng thức (*) đúng. Vậy bất đẳng thức đã cho đúng.
Đẳng thức xảy ra khi a = b = c.
1
1
1
2
2
2
Cách 6. Ta có a 2 + b 2 + c 2 = ab + bc + ca + ( a − b ) + ( b − c ) + ( c − a )
2
2
2
2
2
2
� a + b + c �ab + bc + ca.
Đẳng thức xảy ra khi a = b = c.
Mở rộng 1. Mở rộng theo hướng tăng số mũ.
Cho các số thực a, b, c ta có a 2 n + b2 n + c 2 n (ab)n + (bc)n + (ca) n , n ᄋ *