Các phương pháp chứng minh 3 đường thẳng đồng quy

Các phương pháp chứng minh 3 đường thẳng đồng quy

A. Lý thuyết chứng minh 3 đường thẳng đồng quy

1. Ba đường thẳng đồng quy là gì?

Định nghĩa về ba đường thẳng đồng quy được diễn giải như sau: “Cho ba đường thẳng lần lượt là a, b, c không trùng với nhau. Nếu ba đường thẳng a,b,c cùng đi qua một điểm O nào đó thì ta sẽ gọi đó là đồng quy.

2. Tính chất của 3 đường thẳng đồng quy

– Nếu hai đường cao của tam giác cắt nhau tại một điểm cụ thể thì từ đó có thể suy ra đường cao thứ 3 cũng sẽ cùng đi qua giao điểm đó.

– Nếu ba đường trung tuyến của một tam giác đồng quy tại 1 điểm thì điểm này sẽ được gọi là trọng tâm của tam giác.

– Ba đường cao trong một tam giác đồng quy tại 1 điểm thì điểm này sẽ được gọi là trực tâm của tam giác.

– Nếu hai đường trung tuyến trong tam giác bất kỳ cắt nhau tại một điểm thì từ đó ta có thể suy ra đường trung tuyến thứ 3 chắc chắn cũng đi qua giao điểm đó. Trọng tâm sẻ chia đoạn thẳng trung tuyến thành 3 phần: Từ trọng tâm lên tới đỉnh chiếm tới 2/3 độ dài của trung tuyến đó.

– Nếu ba đường phân giác trong một tam giác đồng quy tại 1 điểm cụ thể thì điểm này sẽ được gọi là tâm của đường tròn nội tiếp tam giác.

– Nếu hai đường phân giác của tam giác cắt nhau tại một điểm cụ thể thì từ đó ta có thể suy ra đường phân giác thứ 3 cũng sẽ đi qua giao điểm đó. Giao điểm của 3 đường phân giác sẽ cách đều 3 cạnh của tam giác.

– Khi ba đường trung trực trong một tam giác đồng quy tại 1 điểm thì điểm này sẽ được gọi là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác.

– Nếu hai đường trung trực bên trong tam giác cắt nhau tại một điểm thì từ đó chúng ta có thể suy ra đường trung trực thứ 3 chắc chắn đi qua giao điểm đó. Giao điểm của 3 đường trung trực sẽ cách đều 3 đỉnh của tam giác.

3. Điều kiện để 3 đường thẳng đồng quy

- Định lý trọng tâm: Ba đường trung tuyến của tam giác cắt nhau tại một điểm. Đồng thời khoảng cách từ điểm này đến đỉnh gấp đôi khoảng cách từ điểm này đến trung điểm của cạnh đối diện. Giao điểm nói trên được gọi là trọng tâm của hình tam giác.

- Định lý tâm ngoại tiếp: các đường trung trực của ba cạnh của tam giác cắt nhau tại một điểm. Điểm này gọi là tâm ngoại tiếp của tam giác.

- Định lý trực tâm: Ba đường cao của tam giác cắt nhau tại một điểm. Điểm này được gọi là trực tâm của tam giác

- Định lý tâm nội tiếp: Ba đường phân giác trong của tam giác cắt nhau tại một điểm. Điểm này được gọi là tâm nội tuyến của tam giác.

- Định lý tâm bàng tiếp: Tia phân giác của góc trong của tam giác và tia phân giác của góc ngoài ở hai đỉnh còn lại cắt nhau tại một điểm. Điểm này gọi là tâm bàng tiếp của tam giác. Hình tam giác có 3 tâm bàng tiếp.

- Trọng tâm, trực tâm, tâm ngoại tiếp, tâm nội tiếp, tâm bàng tiếp đều là tâm của tam giác. Chúng đều có những mối liên hệ quan trọng đến hình tam giác.

4. Cách chứng minh 3 đường thẳng đồng quy

Để chứng minh ba đường thẳng đồng quy (3 đường thẳng giao nhau tại một điểm) chúng ta thường dùng một trong những cách sau:

Cách 1: Tìm giao điểm của hai đường thẳng, sau đó tiến hành chứng minh đường thẳng thứ ba cũng đi qua giao điểm đó.

Cách 2: Chứng minh một điểm bất kỳ cũng thuộc vào ba đường thẳng đó.

Cách 3: Sử dụng 1 trong những tính chất đồng quy trong tam giác như là:

* Ba đường thẳng có chứa các đường trung tuyến.

* Ba đường thẳng có chứa các đường phân giác.

* Ba đường thẳng có chứa các đường trung trực.

* Ba đường thẳng có chứa các đường các đường cao.

Cách 4: Sử dụng tính chất của các đường thẳng định ra trên hai đường thẳng song song và những đoạn thẳng tỉ lệ.

Cách 5: Sử dụng các chứng minh phản chứng.

Cách 6: Sử dụng tính chất thẳng hàng của các điểm

Cách 7: Chứng minh các đường thẳng đều đi qua một điểm duy nhất.

B. Các ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Cho tứ diện ABCD. Gọi E; F; G là các điểm lần lượt thuộc các cạnh AB; AC; BD sao cho EF cắt BC tại I; EG cắt AD tại H. Ba đường thẳng nào sau đây đồng quy?

A. CD; EF; EG B. CD; IG; HF C. AB; IG; HF D, AC; IG; BD

Lời giải

Gọi O là giao điểm của HF và IG . Ta có

- O ∈ HF mà HF ⊂ (ACD) suy ra O ∈ (ACD)

- O ∈ IG mà IG ⊂ (BCD) suy ra O ∈ (BCD)

Do đó O ∈ (ACD) ∩ (BCD) (1)

Mà (ACD) ∩ (BCD) = CD (2)

Từ (1) và (2), suy ra O ∈ CD.

Vậy ba đường thẳng CD; IG; HF đồng quy tại O.

Chọn B

Ví dụ 2: Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD không phải là hình thang. Trên cạnh SC lấy điểm M . Gọi N là giao điểm của SD và mp (AMB). Mệnh đề nào sau đây đúng?

A. Ba đường thẳng AB; CD; MN đôi một song song

B. Ba đường thẳng AB; CD; MN đôi một cắt nhau

C. Ba đường thẳng AB; CD; MN đồng quy

D. Ba đường thẳng AB; CD; MN cùng thuộc một mặt phẳng

Lời giải

- Trong mp (ABCD) gọi I là giao điểm của AD và BC

Trong mp (SBC), gọi K là giao điểm của BM và SI

Trong mp (SAD); gọi N là giao điểm của AK và SD

Khi đó N là giao điểm của đường thẳng SD với mp(AMB)

- Gọi O là giao điểm của AB và CD. Ta có:

+ O ∈ AB mà AB ⊂ (AMB) suy ra O ∈ (AMB)

+ O ∈ CD mà CD ⊂ (SCD) suy ra O ∈ (SCD

⇒ O ∈ (AMB) ∩ (SCD) (1)

Mà MN = (AMB) ∩ (SCD) (2)

Từ (1) và (2) , suy ra O ∈ MN.

Vậy ba đường thẳng AB; CD và MN đồng quy.

Chọn C

Ví dụ 3: Cho hình chóp S.ABCD, O là giao điềm của AC và BD. Gọi M là trug điểm của SC và AM cắt SO tại I. Chứng minh 3 đường thẳng SI ; AC; BD đồng quy.

Lời giải:

+ Giao tuyến của (SAC) và (SBD) là SO

+ Giao tuyến của (SAC) và mp (ABCD) = AC

+ Giao tuyên của (SBD) và (ABCD) = BD.

⇒ Ba mặt phẳng (SAC); (SBD) và (ABCD) đồng quy tại 1 điểm

Mà AC cắt BD tại O nên 3 đường thẳng này đồng quy tại O

Ví dụ 4: Cho hình chóp S.ABCD, AC và BD cắt nhau tại O. Một mặt phẳng cắt các cạnh SA; SB; SC; SD lần lượt tại A’; B’; C’ và D’. Giả sử AD cắt BC tại E; A’D’ cắt B’C’ tại E’. Chứng minh 3 đường thẳng A’C’; B’D’; SO đồng quy?

Lời giải:

+ trong mp (A’B’C’D’); gọi K là giao điểm của A’C’ và B’D’ ta có:

⇒ K ∈ (SAC) ∩ (SBD) (1)

+ Mà (SAC) ∩ (SBD = SO (2)

+ Từ (1) và (2) suy ra: K ∈ SO

⇒ 3 đường thẳng A’C’; B’D’ và SO đồng quy tại K

Ví dụ 5: Cho hình chóp tứ giác S.ABCD, gọi O là giao điểm của hai đường chéo AC và BD. Một mặt phẳng (α) cắt các cạnh bên SA; SB;SC và SD tương ứng tại các điểm M, N, P, Q. Khẳng định nào đúng?

A. Các đường thẳng MP, NQ, SO đồng qui

B. Các đường thẳng MP, NQ, SO chéo nhau

C. Các đường thẳng MP, NQ, SO song song

D. Các đường thẳng MP, NQ, SO trùng nhau

Lời giải:

Trong mặt phẳng (MNPQ) gọi I = MP ∩ NQ

Ta sẽ chứng minh I ∈ SO

+ Dễ thấy SO = (SAC) ∩ (SBD)

Vậy MP, NQ, SO đồng qui tại I

Chọn A

Ví dụ 6: Cho hai mặt phẳng (P) và (Q) cắt nhau theo giao tuyến là đường thẳng a. Trong (P) lấy hai điểm A, B nhưng không thuộc a và S là một điểm không thuộc (P). Các đường thẳng SA; SB cắt (Q) tương ứng tại các điểm C; D. Gọi E là giao điểm của AB và a. Khẳng định nào đúng?

A. AB; CD và a đồng qui

B. AB; CD và a chéo nhau

C. AB; CD và a song song nhau

D. AB; CD và a trùng nhau

Lời giải:

+ Trước tiên ta có vì ngược lại thì S ∈ AB ⊂ (P) ⇒ S ∈ (P) (mâu thuẫn giả thiết)

Do đó S; A và B không thẳng hàng, vì vậy ta có mặt phẳng (SAB)

Vậy AB; CD và a đồng qui tại E

Chọn A

Ví dụ 7: Cho hình chóp S.ABCD có AB không song song CD. Gọi M là trung điểm SC và O là giao điểm AC với BD

a) Tìm giao điểm N của SD với (MAB)

b) Chứng minh: SO; AM; BN đồng quy

Lời giải:

a) Trong mp(ABCD) gọi

Chứng tỏ ba đường thẳng SO; AM;BN đồng quy tại điểm I

Ví dụ 8: Cho hình chóp S.ABCD có AB ∩ CD = E, AD ∩ BC = K. Gọi M, N, P lần lượt là trung điểm của SA; SB; SC.

a) Tìm giao tuyến của (SAC) và (SBD)

b) Tìm giao tuyến của (MNP) và (SBD)

c) Tìm giao điểm của Q của SD và (MNP)

d) Gọi H = MN ∩ PQ. Chứng minh: S; H; E thẳng hàng

e) Chứng minh: SK; QM; NP đồng quy

Lời giải:

a) Có S ∈ (SBD) ∩ (SAC) (1)

Trong mp(ABCD) gọi I = AC ∩ BD

Từ (1) và (2) suy ra (SBD) ∩ (SAC) = SI

b) Có N ∈ (SBD) ∩ (MNP) (3)

Trong mp(SAC) gọi

Từ (3) và (4) suy ra (SBD) ∩ (MNP) = NJ

c) Trong mp(SBD) gọi Q = SD ∩ NJ

⇒

d) Có SE = (SAB) ∩ (SCD)

Theo giả thuyết có H = MN ∩ PQ

⇒

Hay H ∈ SE nên 3 điểm S, H, E thẳng hàng

e) Có SK = (SAD) ∩ (SBC)

Theo giả thuyết có R = MQ ∩ NP

⇒

Hay R ∈ SK nên ba đường thẳng SK, MQ, NP đồng quy tại điểm R

C. Bài tập vận dụng

Bài 1. Cho tứ diện ABCD. Gọi G là trọng tâm tam giác BCD; M là trung điểm CD; I thuộc đoạn AG; BI cắt mp (ACD) tại J. Chọn mệnh đề sai

A. Giao tuyến của (ACD) và (ABG) là AM

B. 3 điểm A; J; M thẳng hàng.

C. J là trung điểm của AM.

D. Giao tuyến của mp(ACD) và (BDJ) là DJ.

Bài 2. Cho tứ diện ABCD. Gọi E; F; G là các điểm lần lượt thuộc các cạnh AB; AC; BD sao cho EF cắt BC tại I; EG cắt AD tại H. Ba đường thẳng nào sau đây đồng quy?

A. CD; EF; EG

B. CD; IG; HF

C. AB; IG; HF

D, AC; IG; BD

Bài 3: Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD không phải là hình thang. Trên cạnh SC lấy điểm M . Gọi N là giao điểm của SD và mp (AMB). Mệnh đề nào sau đây đúng?

A. Ba đường thẳng AB; CD; MN đôi một song song

B. Ba đường thẳng AB; CD; MN đôi một cắt nhau

C. Ba đường thẳng AB; CD; MN đồng quy

D. Ba đường thẳng AB; CD; MN cùng thuộc một mặt phẳng

Bài 4. Cho tam giác ABC và một điểm O ở trong tam giác. Gọi F, G lần lượt là trọng tâm của các tam giác AOB và tam giác AOC. Chứng minh ba đường thẳng AO, BF, CG đồng quy

Bài 5: Cho tam giác nhọn ABC, đường cao AD. Vẽ các điểm M, N sao cho AB, AC theo thứ tự là các đường trung trực của DM, DN. Gọi giao điểm cua MN với AB và AC theo thứ tự là F và E. Chứng minh ba đường thẳng AD, BE, CF đồng quy.

Bài 6: Cho tam giác ABC vuông tại A đường cao AH. Gọi O và K lần lượt là giao điểm của các đường phân giác của tam giác ABH và ACH. Vẽ AD vuông góc với OK. Chứng minh rằng các đường thẳng AD, BO, CK đồng quy.

Xem thêm các câu hỏi ôn tập Toán chọn lọc, hay khác: