Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 52 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
52
Dung lượng
493,87 KB
Nội dung
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA TOÁN **************** TRẦN THỊ THOA PHÉP DỜI HÌNH VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG En KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hình học HÀ NỘI - 2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA TOÁN **************** TRẦN THỊ THOA PHÉP DỜI HÌNH VÀ ỨNG DỤNG CỦA NĨ TRONG En KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Hình học Người hướng dẫn khoa học PGS.TS NGHUYỄN NĂNG TÂM HÀ NỘI - 2012 LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu với sự cố gắng của bản thân đặc biệt là sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy Nguyễn Năng Tâm đã giúp đỡ em trong suốt q trình nghiên cứu để em có thể hồn thành khóa luận. Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc, lịng biết ơn chân thành nhất đến thầy Nguyễn Năng Tâm, cũng như sự quan tâm, chỉ bảo, góp ý kiến của các thầy, cơ giáo trong tổ hình học và các thầy, cơ giáo trong khoa Tốn đã giúp đỡ em hồn thành khóa luận tốt nghiệp này. Do điều kiện thời gian và kinh nghiệm của bản thân cịn nhiều hạn chế nên khóa luận khơng tránh khỏi thiếu sót. Kính mong các thầy, cơ cùng các bạn đọc nhận xét và góp ý kiến để em rút được kinh nghiệm và có hướng hồn thiện, phát triển khóa luận sau này. Hà Nội, tháng 5 năm 2012 Sinh viên Trần Thị Thoa LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản khóa luận này được hồn thành do sự nỗ lực tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân cùng sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Năng Tâm cũng như các thầy, cơ giáo trong tổ hình học của khoa Tốn trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2. Bản khóa luận này khơng trùng với kết quả của các tác giả khác. Nếu trùng em xin hồn tồn chịu trách nhiệm. Sinh viên Trần Thị Thoa Mục lục Trang Phần mở đầu…………………………………………………………………1 Phần nội dung……………………………………………………………… 1 Chương 1: Phép dời hình trong E n ……………………………………… 1 1. Sơ lược về phép biến hình và phép biến hình afin… ……………… 1 2. Đại cương về phép dời hình ………………………………………… 2 Chương 2: Ứng dụng phép dời hình vào giải một số lớp bài tốn trong E n Ứng dụng phép dời hình để giải bài tốn chứng minh trong hình học……………………………………………………………………10 Ứng dụng phép dời hình để giải bài tốn quỹ tích trong hình học… 20 Ứng dụng phép dời hình để giải bài tốn dựng hình trong hình học……………………………………………………………………27 Ứng dụng phép dời hình để giải bài tốn tính tốn trong hình học….38 Kết luận ………………………………………………………………… 45 Tài liệu tham khảo……………………………………………………… .46 PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong chương trình hình học ở bậc trung học học sinh đã được biết đến các phép biến hình và việc vận dụng nó như là một cơng cụ để giải một số lớp các bài tốn hình học một cách nhanh gọn và hợp lý. Trong nhiều trường hợp phép biến hình là một cơng cụ hữu hiệu để giải lớp các bài tốn như: bài tốn quỹ tích, bài tốn tính tốn… Tuy nhiên việc giải các bài tập bằng phương pháp biến hình khơng phải là dễ dàng. Để khắc phục và làm sáng tỏ thêm phần nào đó về việc giải tốn bằng phương pháp biến hình nói chung và của phép dời hình nói riêng nên em đã chọn đề tài “Phép dời hình và ứng dụng của nó trong E n ”. Nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Trình bày cơ sở lý thuyết về phép dời hình. 2.2 Đề xuất phương pháp vận dụng phép dời hình để giải quyết một số dạng bài tốn hình học. 2.3 Xây dựng hệ thống ví dụ minh họa và bài tập. 3. Các phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu sử dụng lý luận, cơng cụ tốn học. - Nghiên cứu sách tham khảo, các tài liệu có liên quan. 1 Chương Phép dời hình En Sơ lược phép biến hình phép biến hình afin 1.1. Phép biến hình - Giả sử K là một tập khác rỗng. K sẽ được gọi là một không gian, các phần tử của K gọi là một điểm, một phần tử khác rỗng của K được gọi là một hình. - Giả sử K là một khơng gian, song ánh f : K K được gọi là một phép biến hình của khơng gian K - Phép biến hình f của khơng gian K được gọi là phép biến hình đối hợp nếu f là đồng nhất. - Giả sử f là phép biến hình của khơng gian K , điểm M K được gọi là điểm bất động đối với f nếu f M M Hình H của khơng gian K được gọi là hình kép đối với f nếu f H H , hình H được gọi là hình bất động nếu với mọi điểm của H đều bất động. 1.2 Phép biến hình afin 2 - Định nghĩa: Phép biến hình của khơng gian E n biến đường thẳng thành đường thẳng được gọi là phép biến hình afin - Định lý: Phép biến hình f của khơng gian E n là phép biến hình afin khi và chỉ khi nó biến ba điểm thẳng hàng thành ba điểm thẳng hàng và ba điểm khơng thẳng hàng thành ba điểm khơng thẳng hàng Đại cương phép dời hình 2.1. Định nghĩa - Phép biến hình của khơng gian E n bảo tồn khoảng cách giữa hai điểm tùy ý được gọi là phép dời hình. - Trong khơng gian E n hai hình được gọi là bằng nhau nếu tồn tại một phép dời hình biến một trong hai hình thành hình cịn lại. 2.2 Tính chất a, Phép dời hình: biến ba điểm thẳng hàng thành ba điểm thẳng hàng và bảo tồn thứ tự các điểm đó. Chứng minh: Giả sử qua phép dời hình f , cho ba điểm khơng thẳng hàng A, B, C khi đó điểm A thành A, điểm B thành B, điểm C thành C thì ta có AB AB, BC BC , C A CA Vì B nằm giữa A và C nên AB BC AC Từ đó suy ra AB BC AC Như vậy ba điểm A, B, C thẳng hàng và điểm B nằm giữa A và C 3 b, Phép dời hình biến đường thẳng thành đường thẳng. Chứng minh: Cho đường thẳng d trong khơng gian K đi qua hai điểm A, B và gọi d là đường thẳng trong K đi qua ảnh A, B của A, B Nếu M thuộc d thì ảnh M của nó thuộc d và nếu M thuộc d thì theo tính chất a, tạo ảnh của nó thuộc d , tức là f d d c, Tích của hai phép dời hình là một phép dời hình. Chứng minh: Cho hai phép dời hình f và g Ta xét tính chất của phép biến hình g f Giả sử A, B là hai điểm bất kì và ta có f A A, g A A, f B B, g B B Vì f và g đều là phép dời hình nên ta có AB AB và AB AB Như vậy phép biến hình g f đã biến điểm A thành điểm A, biến điểm B thành điểm B thỏa mãn điều kiện AB AB Do đó tích của hai phép dời hình g f là một phép dời hình vì nó là một phép biến hình có tính chất bảo tồn khoảng cách giữa hai điểm bất kì A, B của mặt phẳng. d, Tích các phép dời hình có tính chất kết hợp. Chứng minh: Giả sử g , h, f đều là các phép dời hình, ta cần chứng minh g h f g h f Thật vậy giả sử f biến M thành M , h biến M thành M và g biến M thành M Ta có g h là một phép dời hình biến M thành M và do đó g h f biến M thành M Mặt khác h f biến M thành M và g h f biến M thành M Vậy g h f g h f vì cả hai đều biến điểm M thành điểm M với mọi điểm M bất kì trong mặt phẳng. e, Tập hợp các phép dời hình lập thành một nhóm đối với phép nhân ánh xạ. 4 Chứng minh: Do tích các phép dời hình là phép dời hình. Như vậy tập hợp các phép dời hình đóng kín với phép tốn đã cho. Mặt khác ta thấy rằng tập hợp các phép dời hình có tính chất kết hợp. Hơn nữa trong tập hợp các phép dời hình có phần tử đơn vị là phép dời hình đồng nhất và bất cứ phép dời hình nào cũng có phép dời hình đảo ngược của nó. Nếu gọi f là một phép dời hình bất kì, f 1 là phép dời hình đảo ngược của nó, e là phép đồng nhất ta ln ln có f f 1 e Vậy tập hợp các phép dời hình lập thành một nhóm gọi là nhóm các phép dời hình. f, Phép dời hình chính là một phép biến hình afin. Chứng minh: Giả sử f là một phép dời hình ta phải chứng minh f : A, B, C A, B, C Nếu A, B, C thẳng hàng thì AB BC AC AB BC AC Giả sử AC lớn nhất thì AC AB BC Giả sử AC lớn nhất thì AC AB BC Tức là A, B, C khơng thẳng hàng do đó A, B, C khơng thẳng hàng. g, Phép dời hình bảo tồn độ lớn của góc phẳng 5 Phân tích: Giả sử a, b, c song song với nhau ( b ở giữa a và c ) và ta dựng được tam giác đều ABC Ta có phép quay tâm A , góc 60 biến B thành C , nên C là giao điểm của c với b là ảnh của b qua phép quay Q A;60 Cách dựng: - Dựng giao điểm A thuộc a - Dựng b = Q A;60 b - Dựng giao điểm C của c và b - Dựng điểm B Q A;60 C Ta được ABC là tam giác đều cần dựng. Chứng minh: Ta có AB AC và BAC 60 Vậy tam giác ABC đều. Biện luận: - Bài tốn có vơ số nghiệm hình. e, Ví dụ 33 Cho hai mặt phẳng song song R và S A và B là hai điểm nằm về hai phía khác nhau của mặt phẳng S , trong đó điểm A nằm trong miền giữa hai mặt phẳng R và S ( A, B R , S ). Hãy dựng đoạn thẳng MN vng góc với R , S , M R và N S sao cho tổng độ dài AM MN NB có độ dài nhỏ nhất. Lời giải: Phân tích: Lấy H R và gọi K là hình chiếu vng góc của H trên S Ta có khoảng cách giữa R và S là HK h (khơng đổi). Dễ thấy MN h , nên ta cần xác định vị trí của M , N để AM BN nhỏ nhất. :B Q Thực hiện T KH Suy ra BN QM Gọi S R là phép đối xứng qua mặt phẳng R SR : A P 34 Suy ra AM PM Do đó AM BN PM QM Nhận thấy P, Q cố định và khác phía đối với R PM QM nhỏ nhất khi M I với I PQ R AM BN nhỏ nhất bằng PQ khi M I Cách dựng: - Dựng P S R A B - Dựng Q T HK - Dựng I PQ R I - Dựng J T HK M I và N J là điểm cần dựng. Chứng minh: Khi M I và N J ta có AM NB PM MQ PQ MN h Vậy AM MN NB có giá trị nhỏ nhất bằng PQ h Biện luận: Bài tốn ln thực hiện được (do A, B khác phía nhau đối với S ). Bài tập Bài tập 1: Cho đường tròn , đường thẳng và hai điểm phân biệt A, B không thuộc chúng. Xác định C thuộc , điểm D thuộc sao cho tứ giác ABCD là hình thang cân có hai đáy AB và CD 35 Bài tập 2: Cho góc xOy và hia điểm phân biệt A, B trong nó. Hãy dựng điểm X trên Ox để XA, XB cắt Oy lần lượt tại Y , Z sao cho XY XZ Bài tập 3: Cho điểm A và đường thẳng d khơng qua A Dựng hình lập phương sao cho A là một điểm của nó và d qua tâm hai mặt song song với nó. Lời giải 1) Phân tích: Giả sử ABCD là hình thang cân với hai đáy AB và CD Gọi m là đường thẳng trung trực của AB , D là ảnh của C qua phép đối xứng trục Đm , mặt khác C thuộc nên D thuộc đường thẳng là ảnh của qua Đm Do đó D là giao điểm của và Từ đó suy ra cách dựng D và C Cách dựng: - Dựng đường thẳng đối xứng với qua m - Dựng D là giao điểm của và - Dựng C đối xứng với D qua m 2) Phân tích: Giả sử ta dựng được điểm X để XA, XB cắt Oy mà XY XZ (với Y , Z là các giao điểm) Xét phép đối xứng qua Ox là S Ta đặt C S A Đặt xOy k , XYZ h Khi đó X X h k 1 X 180 2h Theo 1 và ta có CXB X X X 180 2k là góc khơng đổi. 36 Vậy X nằm trên cung chứa góc dựng trên CB nằm khác phía của O đối với CB Cách dựng: Xét phép đối xứng qua Ox , C S A , C xác định. Ta dựng cung chứa góc trên và xét giao của nó với Ox chính là X Vậy X là điểm cần dựng. 3) Phân tích: Giả sử đã dựng được hình lập phương ABCDABC D có d qua hai tâm O, O của hai mặt ABCD và ABC D Dễ dàng chứng minh d là trục đối xứng của hình lập phương. Tính được AC AA Cách dựng: - Dựng O là hình chiếu của A trên d - Dựng C ĐO A Trên mặt phẳng d , AC : kẻ các đường thẳng AA / / d / / CC AC AA CC 2 - Dựng mặt phẳng P qua d và P d , AC O P - Dựng mặt phẳng Q qua AC và vng góc với d tại O - AC BD Q P BO OD - Dựng mặt phẳng R qua AC và vng góc với d tại O là trung điểm của AC - AC BD R P BO OD Vậy ABCDABC D là hình lập phương cần dựng. 37 Ứng dụng phép dời hình để giải tốn tính tốn hình học Bài tốn tính tốn Ta thường gặp một số bài tốn tính tốn như tính khoảng cách, tính số đo góc, tính diện tích… Để giải bài tốn tính tốn ta phải thiết lập mối liên hệ giữa những cái đã biết và cái cần tìm, sau đó tính tốn theo u cầu bài ra. Giải tốn tính tốn nhờ phép dời hình Dùng phép dời hình vào giải bài tốn tính tốn thực chất là sử dụng các phép dời hình để di chuyển các yếu tố đã cho ở vị trí khơng thuận lợi về các vị trí thuận lợi cho việc tính tốn. Các ví dụ a, Ví dụ Cho ABC cân tại A , góc BAC 80 , điểm O nằm trong tam giác sao cho góc OBC 10 , OCB 30 Hãy tính góc AOB Lời giải: 38 Kẻ đường cao AH Gọi I AH OB , K AH OC Xét phép đối xứng trục ĐAH : B C ĐAH : IHB IHC ICH IBH OBC 10 ICK OCB ICH 30 10 20 180 80 50 ACK 20 Mà ACB CK là phân giác của góc ACI ĐAH : A A II B C KK Vậy phép đối xứng trục ĐAH biến AIB thành AIC nên nó biến phân giác CK của tam giác AIC thành phân giác BK của tam giác AIB ABK 20 KBO Ngoài ra BOK OBC OCB 10 30 40 góc BOK BAK 40 Xét phép đối xứng trục ĐBK : A O 39 BB KK Suy ra OAB cân tại B có góc ABO 40 nên góc AOB 70 Vậy AOB 70 b, Ví dụ Cho ABC , trung tuyến BE , CF sao cho chúng thỏa mãn ABE = ACF = 30 Gọi G là trọng tâm tam giác ABC Tính góc BGC ? Lời giải: Do góc ABE ACF FBE ECF Từ đó suy ra tứ giác BFEC nội tiếp. Gọi O là tâm đường trịn ngoại tiếp tứ giác BFEC , có bán kính là R Xét phép đối xứng tâm ĐE : ĐE : O O1 40 C A OC AO1 O1 E EO R 1 Xét phép đối xứng tâm ĐF : ĐF : O O2 B A OB AO2 FO2 FO R Từ 1 và suy ra OEF cân tại O Ta lại có: FOE FCE 2.30 60 OEF là tam giác đều. Lại có E , F là trung điểm của OO1 , OO2 O1O2 EF O1O2 R AO1 AO2 R O1O2 A, O1 , O2 thẳng hàng và A nằm giữa hai điểm O1 và O2 Do đó tam giác AEF là tam giác đều Suy ra tam giác ABC là tam giác đều BGC 120 Vậy BGC 120 c, Ví dụ Cho mặt phẳng P và tam giác ABC có đỉnh C nằm khác phía với hai đỉnh A , B đối với P Biết khoảng cách từ A , B , C đến P tương ứng là a, b, c Chứng minh rằng khoảng cách từ trọng tâm G của tam giác đến P bằng abc Lời giải: 41 Gọi A, B, C thứ tự là chân đường vng góc hạ từ A , B , C xuống P Ta có AA a, BB b, CC c Xét phép tịnh tiến: TCC : P Q A A1 B B1 C C Suy ra A1 , B1 , C Q và P / / Q Ta có CC P , BB P , AA P AA / / BB / / CC CC / / AA1 / / BB1 Theo tính chất của phép dời hình ta có CC A1 A B1 B c A, A, A1 thẳng hàng và AA1 a c B, B, B1 thẳng hàng và BB1 b c Dễ thấy AA1 , BB1 Q 42 Gọi E , F lần lượt là trung điểm của BC và CB1 EF / / BB1 / / AA1 Ta có b c EF Q EF BB1 G là trọng tâm tam giác A1 B1C AG G là trọng tâm tam giác ABC AG A1 F AE Trong hình thang AA1 FE ta có GG / / EF GG Q Vậy d G, Q GG Ta cần tính GG E F Q Gọi E , F lần lượt là trung điểm AG, AG Trong hình thang EFF E ta có GG là đường trung bình nên GG EF EF EF EF BB1 E F 1 2 Trong hình thang GGA1 A có E F là đường trung bình nên E F GG AA1 2 Từ 1 và ta có 43 GG BB1 GG AA1 BB AA1 GG GG 4 GG BB1 AA1 c a c b a b 2c 3 Gọi d G, P h thì h GG c abc Bài tập Bài tập 1: Cho ABC vuông cân tại A , điểm M tùy ý trên cạnh AC , kẻ tia Ax vng góc với BM cắt BC tại H Gọi K là điểm đối xứng với C qua H , kẻ tia Ky vng góc với BM cắt AB tại I Tính góc A I M Bài tập 2: Cho hình thang ABCD AB / / CD có AB a, BC b, CD c, AD d Gọi M là giao điểm của các đường phân giác góc A và D, N là giao điểm của các đường phân giác góc B và C Tính độ dài MN Lời giải: 1) Ta có KI / / AH Gọi F ĐA I CF / / AH / / KI BM CF , ABM ACF ABM ACF g.c.g AM AF AI Suy ra AMI vuông cân tại A Vậy AIM 45 2) Do M là giao điểm của các đường phân giác góc A và D nên M cách đều hai đáy AB, CD; N là giao điểm của các đường phân giác góc B và C nên cách đều hai đáy AB và CD MN / / AB và MN / / CD Xét phép tịnh tiến 44 : A A T MN D D M N Suy ra ADM ADN ADN NDC Do đó N là tâm đường tròn nội tiếp tứ giác ABCD AD BC AB DC BC AD AB CD b d a c MN 2 Vậy MN bd ac 45 KẾT LUẬN Phép biến hình là một vấn đề tương đối khó với học sinh phổ thơng. Muốn học tốt và sử dụng thành thạo các phép biến hình trong E n cần phải thường xun rèn luyện giải tốn để tích lũy thêm kinh nghiệm, hồn thành kĩ năng, kĩ xảo. Để giúp học sinh có hứng thú hơn với việc học và sử dụng phép biến hình vào giải tốn hình học, trong khóa luận này em xin trình bày một số kiến thức về các phép dời hình và một số bài tập vận dụng phép dời hình là một trong những phép biến hình cơ bản. Em mong rằng khóa luận về đề tài “Phép dời hình ứng dụng E n ” sẽ là một tài liệu có ích hơn cho bạn đọc và đặc biệt là những người u thích hình học. 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Văn Bình, Giáo trình hình học sơ cấp tập 2, ĐHSP Hà Nội 2, 1993. [2] Bùi Văn Bình, Bài tập hình học sơ cấp tập 2, ĐHSP Hà Nội 2, 1993 [3] Võ Anh Dũng – Trần Đức Hun, Giải tốn hình học 11, NXB Giáo dục. [4] Đỗ Thanh Sơn, Phép biến hình khơng gian, NXB Giáo dục, 2005. [5] Đỗ Thanh Sơn, Phương pháp giải tốn hình học 12 theo chủ đề, NXB Giáo dục. [6] Văn Như Cương – Tạ Mân, Hình học afin hình học ơclit, NXB Đại học quốc gia Hà Nội, 1993. 47 ... Chương 2: Ứng dụng phép dời hình vào giải một số lớp bài tốn? ?trong? ? E n Ứng dụng phép dời hình để giải bài tốn chứng minh trong? ? hình học……………………………………………………………………10 Ứng dụng phép dời hình để giải bài tốn quỹ tích? ?trong? ?hình học…... thầy Nguyễn Năng Tâm, cũng như sự quan tâm, chỉ bảo, góp ý kiến của các thầy, cơ giáo? ?trong? ?tổ hình học và các thầy, cơ giáo? ?trong? ?khoa Tốn đã giúp đỡ em hồn thành khóa luận tốt nghiệp này. Do điều kiện thời gian và kinh nghiệm của bản thân cịn nhiều hạn chế nên ... TRẦN THỊ THOA PHÉP DỜI HÌNH VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG En KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hình học Người