Câu 4:
Cho tam giác nhọn ABC (không phải là tam giác cân) có $AA_1, BB_1, CC_1$ là 3 đường cao. Gọi E là điểm đối xứng A qua trung trực BC
i) Chứng minh $EA_1$ đi qua trọn tâm G của tam giác ABC
ii) Gọi $B_2$ đối xứng với $B_1$ qua trung điểm cạnh AC, $C_2$ là điểm đối xứng với $C_1$ qua trung điểm AB. Chứng minh 4 điểm $A,B_2,C_2,E$ đồng viên
Không biết có lời giải nào hay hơn không nên mình post cái cách trâu bò này lên .
Lời giải :
i) Gọi $M$ là trung điểm của $BC$, gọi giao của $AM$ và $A_1E$ là $G$. Dễ thấy hai tam giác $AGE,MGA_1$ đồng dạng nên $\dfrac{GM}{GA}=\dfrac{A_1M}{AE}=\dfrac{1}{2}$. Suy ra $G$ là trọng tâm tam giác $ABC$. Do đó $EA_1$ đi qua trọng tâm $G$ của tam giác $ABC$.
ii) Gọi $A_2$ là điểm đối xứng với $A_1$ qua trung điểm của $BC$.
Ta dễ dàng tính được :
$$AE=BC-2A_1B=a-2c.cosB$$
$$AC_2=BC_1=a.cosB$$
$$AB_2=B_1C=a.cosC$$
Áp dụng định lý hàm số cos cho tam giác $AB_2C_2$ :
$$B_2C_2^2=AC_2^2+AB_2^2-2AC_2.AB_2.cosA=a^2.cosB^2+a^2.cos^2C-2a^2.cosB.cosC.cosA$$
Do đó ta có :
$$\dfrac{B_2C_2^2}{BC^2}=cosB^2+cos^2C-2.cosA.cosB.cosC$$
Áp dụng định lý hàm số cos cho tam giác $AB_2E$ :
$$B_2E^2=AE^2+AB_2^2-2AE.AB_2.cos\angle EAC=AE^2+AB_2^2-2AE.AB_2.cosC=(a-2c.cosB)^2+a^2.cos^2C-2.(a-2c.cosB).a.cos^2C=a^2(1-cos^2C)+4c^2.cos^2B-4ac.cosB(1-cos^2C)=a^2.sin^2C+4c^2.cos^2B-4ac.cosB.sin^2C$$
Suy ra :
$$\dfrac{B_2E^2}{BA^2}=\dfrac{B_2E^2}{c^2}=\dfrac{a^2.sin^2C+4c^2.cos^2B-4ac.cosB.sin^2C}{c^2}=sin^2A+4.cos^2B-4cosB.sinA.sinC$$
Áp dụng định lý hàm số cos cho tam giác $AEC_2$ :
$$C_2E^2=AE^2+AC_2^2-2AE.AC_2.cos\angle EAC_2=(a-2c.cosB)^2+a^2.cos^2B-2.a.cosB.(a-2c.cosB).cos\left ( \pi - B \right )=a^2+3a^2.cos^2B+4c^2.cos^2B-4ac.cosB(1+cos^2B)$$
Từ đó :
$$\dfrac{EC_2^2}{AC^2}=\dfrac{EC_2^2}{b^2}=\dfrac{a^2+3a^2.cos^2B+4c^2.cos^2B-4ac.cosB(1+cos^2B)}{b^2}=\dfrac{sin^2A+3sin^2A.cos^2B+4sin^2C.cos^2B-4sinA.sinC.cosB(1+cos^2B)}{sin^2C}$$
Và ta hoàn toàn chứng minh được :
$$\dfrac{B_2C_2}{BC}=\dfrac{C_2E}{AC}=\dfrac{B_2E}{AB}$$
Vì việc chứng minh điều này quy về chứng minh các đẳng thức lượng giác liên quan đến ba góc $A,B,C$ và biến đổi khai triển hết ra thì sẽ được .
Từ đó suy ra hai tam giác $EB_2C_2$ và $ABC$ đồng dạng. Từ đó :
$$\angle EC_2B=\angle ACB=\angle EAB_2$$
Suy ra bốn điểm $A,E,B_2,C_2$ đồng viên.