Một số vấn đề mới trong hình arbelos

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Nguyễn Sơn Hải MỘT SỐ VẤN ĐỀ MỚI TRONG HÌNH ARBELOS LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC Thái Nguyên - 2019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Nguyễn Sơn Hải MỘT SỐ VẤN ĐỀ MỚI TRONG HÌNH ARBELOS Chuyên ngành: Phương pháp toán sơ cấp Mã số: 8460113 LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VIỆT HẢI Thái Nguyên - 2019 i Danh mục hình 1.1 1.2 Arbelos-“hình dao thợ đóng giầy” Bốn ngũ giác thập giác 1.3 a+b a = =ϕ a b 1.4 Chứng minh hai tính chất arbelos d1 e1 = d2 e2 1.6 [ABC] - arbelos vàng ⇐⇒ δj j , j ≥ 1.7 Đường tròn nội tiếp ω(ρ) 1.5 Tính chất mới: [ABC]-arbelos vàng ⇐⇒ 10 11 12 14 16 17 17 thẳng Schoch 18 20 21 22 a b + =1 a b 24 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 Định lý Bankoff thứ Ba cách dựng đường trịn nội tiếp hình arbelos [ABC] Định lý Bankoff thứ hai Cặp đường tròn Archimedes thứ thứ hai Cặp đường tròn Archimedes thứ ba thứ tư Cặp đường tròn Archimedes thứ năm thứ sáu 2.1 2.2 2.3 2.4 Đường tròn Archimedes Schoch Đường tròn Archimedes Schoch đường Các đường tròn Archimedes Schoch Các đường tròn C(a , b ) 2.5 C(a , b ) đường tròn Archimedes ⇐⇒ 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 Các đường tròn Un Woo Điểm T thuộc đường thẳng L Đường tròn U0 Woo Chứng minh mệnh đề 2.10, trường hợp Chứng minh mệnh đề 2.10, trường hợp Trường hợp n = Tổng qt hóa cặp đường trịn Archimedes kiểu Power Đường tròn qua C Archimedes ⇐⇒ T1 ∈ α hay T2 ∈ β 25 27 28 29 30 31 32 34 3.1 3.2 3.3 Chuỗi đường tròn nội tiếp Phép chứng minh bổ đề 3.1 Phép nghịch đảo chuỗi Pappus 37 38 41 ii 3.4 3.5 Ba chuỗi Pappus arbelos [ABC] 43 Đường tròn nội tiếp arbelos [ABC] đường tròn nghịch đảo 47 iii Mục lục Mở đầu 1 Hình arbelos cặp đường tròn Archimedes 1.1 Giới thiệu arbelos 1.2 Kết arbelos vàng 1.3 Đường tròn nội tiếp arbelos 1.4 Các cặp đường tròn Archimedes 1.4.1 Định nghĩa đường tròn Archimedes 1.4.2 Các cặp đường tròn Archimedes khác 3 15 15 16 18 18 18 21 24 27 29 31 33 Chuỗi đường trịn nội tiếp hình arbelos 3.1 Chuỗi Pappus đường tròn nội tiếp arbelos 3.2 Ba chuỗi đường tròn Pappus nội tiếp arbelos 3.3 Phép nghịch đảo hình arbelos 37 37 42 45 Tài liệu tham khảo 52 Một số họ đường tròn Archimedes 2.1 Họ dường tròn Archimedes Schoch 2.1.1 Đường thẳng Schoch 2.1.2 Tổng qt hóa đường trịn U2 Schoch 2.2 Các đường tròn Un Woo 2.2.1 Các đường tròn Un Woo với n < 2.2.2 Một tổng quát hóa khác U0 2.3 Tổng quát hóa kiểu Power 2.4 Đặc trưng đường tròn Archimedes qua C iv Lời cảm ơn Để hồn thành luận văn cách hồn chỉnh, tơi nhận hướng dẫn giúp đỡ nhiệt tình PGS.TS Nguyễn Việt Hải, Giảng viên cao cấp Trường đại học Hải Phịng Tơi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy xin gửi lời tri ân điều thầy dành cho Tôi xin chân thành cảm ơn phịng Đào tạo, Khoa Tốn tin, q thầy cô giảng dạy lớp Cao học K11B (2017 - 2019) Trường đại học khoa học - Đại học Thái Nguyên tận tình truyền đạt kiến thức quý báu tạo điều kiện cho tơi hồn thành khóa học Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, người ln động viên, hỗ trợ tạo điều kiện cho suốt trình học tập thực luận văn Xin trân trọng cảm ơn! Hải Phòng, tháng năm 2019 Người viết Luận văn Nguyễn Sơn Hải Mở đầu Mục đích đề tài luận văn Điểm, đường thẳng, tam giác, đa giác, đường tròn, đối tượng nghiên cứu Hình học Euclid phẳng Với chủ ý tìm hiểu đường trịn, chuỗi đường tròn vấn đề khác hình học phẳng, tơi muốn nghiên cứu tìm hiểu sâu thêm số vấn đề phát hình arbelos Đó kết hình học mới, chưa giới thiệu sách hình học Việt nam Ở nước ngồi, nhiều Tạp chí, chẳng hạn Tạp chí Tốn học Đại học Florida Atlatic Hoa kỳ (Forum Geometricorum, ISSN 1534-1178), nhiều tác giả nghiên cứu khai thác sâu sắc vấn đề Các báo hình arbelos đăng thường xuyên năm gần Đó lý tơi chọn đề tài Mục đích đề tài là: - Tìm hiểu trình bày vấn đề hình arbelos (hình dao thợ đóng giầy): đặc trưng arbelos vàng, hướng tổng qt hóa đường trịn Archimedes, chuỗi đường trịn Pappus số đồng thức Những vấn đề đề cập đến báo từ năm 2004 trở lại - Sử dụng công cụ phương pháp hình học như: Dựng hình com pa-thước kẻ, phép nghịch đảo, tọa độ Descartes, tọa độ Barycentric để giải toán Các phương pháp tiếp cận hình arbelos thời Archimedes cơng cụ đại mang lại nhiều kết đẹp có ích - Bồi dưỡng lực dạy chun đề khó trường THCS THPT góp phần đào tạo học sinh có tư tốt Hình học Nội dung đề tài, vấn đề cần giải Trình bày số tốn hình arbelos, đặc biệt kết arbelos vàng (tham khảo [3] chi tiết hóa), giới thiệu số tính chất đường trịn Archimedes (tham khảo [7]), số hướng tổng quát để tìm họ đường trịn Archimedes (tổng hợp từ báo [4], [2], [5] ), trình bày chuỗi Pappus đường trịn hình arbelos số đồng thức Nội dung luận văn chia làm chương: Chương Hình arbelos cặp đường trịn Archimedes Hình arbelos dựa hình tạo nửa đường tròn (α, β, γ), gọi "hình dao thợ đóng giầy" Chúng tơi giới thiệu số kiện hình học này, kết arbelos vàng, cách dựng cặp đường tròn Archimedes đường tròn nội tiếp arbelos Chương bao gồm: 1.1 Giới thiệu arbelos 1.2 Kết arbelos vàng 1.3 Đường tròn nội tiếp arbelos 1.4 Các cặp đường tròn Archimedes Chương Một số họ đường trịn Archimedes Chương trình bày cách tổng quát hóa để thu số họ đường tròn Archimedes Nội dung bao gồm mục sau: 2.1 Họ đường tròn Archimedes T Schoch 2.2 Các đường trịn Archimedes P.Woo 2.3 Tổng qt hóa kiểu Power 2.4 Đặc trưng đường tròn Archimedes qua gốc tọa độ Chương Chuỗi đường tròn nội tiếp hình arbelos Bằng cơng cụ tọa độ phép nghịch đảo, chương giới thiệu số chuỗi đường trịn nội tiếp arbelos Từ cơng thức tính bán kính đường trịn chuỗi lập số đồng thức liên quan đến dãy số tự nhiên 3.1 Chuỗi Pappus đường tròn nội tiếp arbelos 3.2 Ba chuỗi Pappus đường tròn nội tiếp arbelos 3.3 Một số đồng thức Chương Hình arbelos cặp đường trịn Archimedes 1.1 Giới thiệu arbelos Hình arbelos nghiên cứu nửa đường tròn tiếp xúc, chữ "arbelos" ghép từ chữ α, , β, η, λ, θ, ς thành (α βηλθς ) Trên đoạn thẳng AB ta lấy điểm C dựng nửa đường trịn đường kính AC, BC, AB, ta gọi nửa đường tròn O1 (a), O2 (b) O(a + b) tương ứng Nếu ta cắt hai nửa hình trịn nhỏ khỏi nửa hình trịn lớn ta nhận hình “con dao thợ đóng giầy” hay cịn gọi hình arbelos Archimedes Trong luận văn chúng tơi thống dùng (a) Hình “con dao thợ đóng giầy” (b) S(1) + S(2) = S(3) Hình 1.1: Arbelos-“hình dao thợ đóng giầy” tên gọi “arbelos [ABC ]” để hình vẽ 1.1, bán kính hai nửa đường trịn nhỏ AC = a, CB = b, O1 , O2 hai tâm nửa đường tròn, C tiếp điểm hai nửa đường tròn nhỏ, D giao nửa đường tròn lớn với đường vng góc Ct ⊥ AB Như đường trịn lớn có bán kính a + b Ta dùng ký hiệu (P Q) để nửa đường trịn đường kính P Q hay O(r) để đường trịn tâm O, bán kính r Nhà toán học thiên văn học Archimedes khám phá nhiều định lý arbelos công bố sách “Sách bổ đề” ông Mặc dù tốn hình arbelos có từ thời đến tận ngày người ta phát nhiều bí ẩn, nhiều kết cơng bố diễn đàn tốn học mà điển hình Forum Geometricorum (ISSN 1534-1178) Đây tạp chí khoa học hình học Euclide khoa tốn trường đại học Florida Atlantic (Mỹ) Tạp chí thành lập giáo sư Paul Yiu từ năm 2001 ơng tổng biên tập tạp chí Trong hình arbelos có số kết sau phát biểu trình bày phép chứng minh [1]: Bài toán 1.1 Cho arbelos [ABC] hình 1.1 b) Chứng minh diện tích hình arbelos diện tích hình trịn đường kính CD 2πab Bài tốn 1.2 Trong arbelos [ABC] gọi U = AD ∩ (AC) V = BD ∩ (BC) tứ giác CU DV hình chữ nhật Bài toán 1.3 Giả thiết toán trên, đường thẳng U V tiếp tuyến hai nửa đường tròn (AC) (CB) 1.2 Kết arbelos vàng Năm 1999 có báo mang tên Those ubiquitious Archimedes circles công bố Math Mag 72 (1999) tập thể tác giả: C.W Dodge, T Schoch, P.Y Woo, P Yiu Bài báo làm cho nhà tốn học chun khơng chun quan tâm đến hình arbelos Ở kỷ có nhiều thảo luận arbelos mà đa số chúng công bố tác phẩm “The arbelos: A cosmos made by three semicircles” (Arbelos: vũ trụ tạo ba nửa đường tròn) hai nhà toán học H Okumura M Watanabe (Nhật bản) Tác phẩm đăng tạp chí Iwanami Shoten năm 2010 Tiếng Nhật Sau phát hay Hiroshi Okumura: Một đặc trưng arbelos vàng, [6] Với hình arbelos [ABC], giả sử a, b bán kính nửa đường trịn (AC), (CB) với a > b > a, b gọi “ở tỷ số vàng” a b = (1.1) a+b a 38 Bổ đề 3.1 Cho hai nửa đường tròn BC, BD tiếp xúc B Hai đường tròn (A), (P ) (tâm A P ) tiếp xúc hai nửa đường trịn tiếp xúc ngồi H Hạ P N ⊥ BC, AM ⊥ P N, P N cắt (P ) O, AM cắt (A) S , ký hiệu K = BP ∩ M A Khi đó, d, d tương ứng đường kính (A), (P ) (i) BM d = , BN d (ii) Bốn điểm B, O, H, S thẳng hàng, (iii) AM PN +1= d d Chứng minh Xem hình 3.2 d d (i) Đặt r = , r = Vẽ đường kính W AZ BC W X , AM, 2 ZY ⊥ BC Thật vậy, Gọi E = W D ∩ CZ E tiếp điểm A với nửa đường tròn nhỏ, tương tự, gọi G = BW ∩ CZ G tiếp điểm A với nửa đường tròn lớn BC + BD BM = Ta có ∆BW X ∼ ∆BCG ⇒ Ta chứng minh r BC − BD BC BW BZ = ⇒ BC.BX = BW.BG ∆BY Z ∼ ∆BED ⇒ = BG BX BY BD ⇒ BD.BY = BE.BZ Nhưng BW.BG = BE.BZ = p, BE BC BY p = PB/(CA ) Do đó, BC.BX = BD.BY ⇒ = BD BX (a) (b) Hình 3.2: Phép chứng minh bổ đề 3.1 39 Mặt khác, BM = BX + r = BY − r =⇒ BX + BY = 2BM Áp c a+b c+d a = =⇒ = , ta có dụng tính chất tỷ số b d a−b c−d BC + BD BY + BX 2BM 2BM BM = = = = BC − BD BY − BX XY 2r r BC + BD BM = vế phải không phụ thuộc vào đường Như r BC − BD tròn (A), (P ) nên viết BM = λ.r; BN = λ · r Từ ta khẳng BM r d định = = BN r d (ii) Các điểm O, H, S thẳng hàng hiển nhiên Ta phải chứng minh đường thẳng OHS qua B (hình 3.2b) F giao đường vng góc với BC kẻ từ B đường nối tâm P A; V = F J ∩ (P ); Q tâm đường tròn kính BD Ta chứng minh EJ qua F Ký hiệu O = BH ∩ P N, O = P N ∩ (P ) Vì F B P N nên ∆HF P ∼ ∆HF P =⇒ PO FB FA BM r = ( ) Vì F B P N AM nên = = (theo i.) PH FH FB BN r FA AE r FA Gọi F = EJ ∩ AP = = = , suy F ≡ F F P P V r F B r Đặt σ = ∆F V P vị tự với ∆F EA với tỷ số σ, ∆F U V vị tự với r ∆F HE với tỷ số σ Từ suy F E = F V · σ, F H = F U.σ Theo tính chất phương tích: F B = F J.F E, F J.F V = F H.F U , F B = F J.F E = F J.F V.σ = F H.F U.σ = F H Ta suy F B = F H Kết hợp với , P O = P H = P O = r , tức O ≡ O, O ∈ BH BM BK (iii) (hình 3.2a) Vì P N KM nên theo định lý Thales: = = BN BP KS KS d AS 1 theo (ii.), = = AS = d P O = d Như vậy, PO PO d PO 2 KS = AS Lại có ∆BM K ∼ ∆BN P nên MK BM KS = = PN BN PO Nhưng M K = AM + d AS = KS = d, đó, MK PN AM + d P N AM PN = =⇒ = =⇒ +1= 1 KS PO d d d d 2 40 Bổ đề chứng minh hoàn tồn Bây ta trình bày định lý Pappus nói chuỗi đường tròn nội tiếp arbelos Mệnh đề 3.1 (Định lý Pappus) Cho chuỗi Pappus đường tròn nội tiếp arbelos C1 , C2 , , , Cn , Khi với n khoảng cách từ tâm Cn đến đáy BC arbelos n lần đường kính Cn Nói cách khác, với ký hiệu hn khoảng cách từ tâm Cn đến BC , rn bán kính Cn với n, ta có cơng thức hn = 2n.rn (3.1) Chứng minh Có phương pháp chứng minh Cách (Phương pháp sơ cấp) Nếu gọi dãy tâm A1 , A2 , , An , , chân đường vuông góc hạ từ tâm xuống BC M1 , M2 , , Mn , dãy đường kính d1 , d2 , , dn , ta cần chứng minh An Mn = n.dn Chứng minh quy nạp n = kết ta coi nửa đường tròn đóng vai trị C0 Với n = 1, ta cần chứng minh A1 M1 = d1 , tức cần có tâm đường trịn nội tiếp arbelos cách BC khoảng đường kính đường trịn Điều chứng minh nhờ tính tốn A1 M1 = 2ρ, với ρ bán kính đường trịn nội tiếp arbelos (trong (ii.), mệnh đề 1.6, chương 1) Giả sử mệnh đề với n ta chứng minh với (n + 1) Thật vậy, ta coi C(A) C(P ) đóng vai trị Cn−1 , Cn định lý phần (iii) bổ đề điều ta cần chứng minh Cách (Phương pháp nghịch đảo) Xét phép nghịch đảo fpA với đường tròn nghịch đảo (A, 2AB), p = (AB)2 Hai đường tròn (AB) (AC) biến thành hai đường thẳng song song qua B C = fpA (C), vng góc với AB Các đường trịn C0 , C1 , · · · , Cn , · · · biến thành đường tròn tiếp xúc với hai đường thẳng song song nên có bán kính nhau, C0 , C1 , · · · , Cn , · · · Đối với đường trịn ta có h = 2n · r với h0 khoảng cách từ tâm O0 C _n đến AB, r0 bán kính Cn Tuy nhiên, đường tròn tương ứng nghịch đảo vị tự với tâm vị tự A Gọi d, d khoảng cách từ A đến tâm Cn tâm Cn từ hai tam giác đồng dạng ta suy dn d = n rn rn 41 Hình 3.3: Phép nghịch đảo chuỗi Pappus Mặt khác từ cặp tam giác vuông tạo AB đường vuông h hn h hn = n Từ suy = n = 2n (3.1) chứng góc ta có: dn dn rn rn minh Với phép nghịch đảo ta xây dựng nhiều công thức khác b Đặt k = hay b = ka, R = a + b Vẫn xét phép nghịch đảo nói a (2R)2 A trên, gọi C = IAB (C) Ta có AB = AC · AC nên AC = = AC 4R2 AB + AC = 2(1 + k)R Lại AO = = (2 + k)R, BO = kR nên 2a hn BO rn BO = 2n · hay = Từ 4Pn AO APn AO AP n = AO · rn (2 + k)rn = BO k Mệnh đề 3.2 (Công thức Archimedes) Với ký hiệu trên, ta có rn = Chứng minh Ta có (k n2 kR ab(a + b) = 2 + k + 1) n b + ab + a2 ATn r kR = n= ATn rn rn (3.2) 42 4R3 k ATn · ATn = (2R) =⇒ (ATn ) = rn 2 Mặt khác, (ATn ) = (2R + kR) + (2nkR)2 − (kR)2 Khử ATn ta phương trình rn : 2 4R3 k = (2R + kR)2 + (2nkR)2 − (kR)2 rn = 4R2 + 4kR2 + k R2 + 4n2 k R2 − k R2 = 4R2 + k + n2 k kR ab(a + b) cab ⇒ rn = 2 = 2 = n k + k + n b + ab + a2 n2 b2 + ca Hệ 3.1.1 Khoảng cách từ A đến chân đường vng góc hạ từ tâm đường tròn Cn đến AB APn = 3.2 R(2 + k) a(a + b)(2 + b) = k n2 + k + n2 b2 + ba + a2 Ba chuỗi đường tròn Pappus nội tiếp arbelos Trong hình arbelos có chuỗi Pappus hình 3.4 Ta xét đồng thời chuỗi dựa theo báo [2] Đường tròn C1 đường tròn chung cho ba chuỗi Pappus đường trịn nội tiếp arbelos [ABC] Bằng phép nghịch đảo xác dịnh tọa độ tâm bán kính đường trịn chuỗi Γa , Γb , Γc hướng đến điểm B , điểm A điểm C Ta có cơng thức tính bán kính ρc,n , ρa,n , ρb,n : Chuỗi Bk thứ n ρc,n = Γc Γa Γb cab cab cab ρ = ρ = a,n b,n n2 c2 − ab n2 a2 + cb n2 b2 + ca Chứng minh Cơng thức tính ρb,n rn chứng minh mệnh đề 3.2, công thức ρb,n làm tương tự Ta chứng minh công thức cab P (n) = ρc,n = 2 phương pháp quy nạp n c − ab +P (1) đường trịn thứ chuỗi đường trịn (a + b)ab nội tiếp arbelos có bán kính ρ = (theo kết chương 2) a + ab + b2 43 Hình 3.4: Ba chuỗi Pappus arbelos [ABC] + Ta cịn có P (n) =⇒ P (n + 1) Xét đường tròn Cc,n Cc,n+1 chuỗi Γc với nửa đường tròn α β arbelos Áp dụng định lý Descartes ta có (xem [2]): 2 c,n + c,n+1 a + b + =( c,n + c,n+1 + a + b )2 , (3.3) đó, c,n , c,n+1 , a , b độ cong, tức nghịch đảo bán kính đường trịn Khai triển (3.3) biểu diễn thành phương trình bậc c,n+1 : c,n+1 −2 c,n+1 ( c,n + a + b )+ 2 c,n + a + b −2 ( c,n a + a b + b c,n ) =0 Theo công thức nghiệm ta có (ta lấy nghiệm dương): c,n+1 = c,n + a + b + c,n a + a b + b c,n (3.4) 1 cab = , b = , c,n = 2 vào (3.4) ta nhận a b n c − ab (sau số phép biến đổi đại số): Thay giá trị a ρc,n+1 = c,n+1 = cab (n + 1)2 c2 − ab Theo nguyên tắc quy nạp P(n) với n ≥ Sau ta xét số đồng thức xuất kết hợp cơng thức bán kính Bán kính đường trịn nội tiếp arbelos ρi = rn = 44 cab hay bình phương vế: a2 + ab + b2 ρ2i = c2 a2 b2 a4 + 2a3 b + 2a2 b2 + 2ab3 + b4 (3.5) Bây có ba đồng thức thể mối quan hệ bán kính đường trịn nội tiếp arbelos bán kính đường trịn thuộc chuỗi xét Mệnh đề 3.3 Cho arbelos [ABC] với ba chuỗi Pappus, đồng thức sau với n ∈ N ρi ρ2i ρ2i 1 + + ρcn ρa,n ρb,n = 2n2 + (3.6) 1 + + 2 ρc,n ρa,n ρb,n = 2n4 + (3.7) = n4 + 2n2 (3.8) 1 1 1 · + · + · ρc,n ρa,n ρa,n ρb,n ρb,n ρc,n Chứng minh Để chứng minh (3.6) ta việc lấy cơng thức tính bán kính đường trịn nội tiếp ρi = rn cho (3.5) cơng thức tính bán kính đường trịn thứ n biến đổi đại số với lưu ý c = a + b cab n2 c2 − ab n2 a2 + cb n2 b2 + ca + + = a2 + ab + b2 cab cab cab n2 c2 + a2 + b2 − ab + cb + ca = 2 a + ab + b n2 2a2 + 2ab + 2b2 + a2 + b2 + ab = 2n2 + = 2 a + ab + b Để chứng minh (3.7) ta lấy cơng thức bình phương bán kính đường trịn nội tiếp ρ2i cho (3.5) cơng thức tính bán kính đường trịn thứ n biến đổi đại số với lưu ý c = a + b cab a2 + ab + b2 n2 c2 − ab n2 c2 − ab cab + n2 a2 + cb cab + n2 a2 + cb + n2 b2 + ca (a2 + ab + b2 ) cab + = n2 b2 + ca cab = 45 n4 c4 + a4 + b4 + a2 b2 + c2 a2 = 2n4 + 2 (a + ab + b ) cab Để chứng minh (3.8) ta lấy ρ2i có (3.5) cơng thức tính bán kính đường trịn thứ n bảng biến đổi đại số vế trái c2 a2 b2 H (3.8) · 2 , đó, (a2 + ab + b2 ) c a b H = n2 c2 − ab n2 a2 + cb + n2 a2 + cb + n2 b2 + ca n2 c2 − ab = n4 + 2n2 a2 + ab + b2 n2 b2 + ca với c = a + b Thay vào vị trí H rút gọn ta (3.8) Hệ 3.2.1 Ta nhận hai đồng thức sau • • ρi ρic,n ρ2i ρc,n ρa,n + ρi ρia,n + ρi ρib,n ρ2i ρ2i ρ2i − + + = n2 − (3.9) ρa,n ρb,n ρa,n ρc,n ρa,n ρb,n ρi ρ2i ρ2i ρi ρi + + − + + = n4 − ρc,n ρa,n ρc,n ρa,n ρc,n ρa,n ρb,n (3.10) Chứng minh • Vế trái (3.9) 2n4 + − n4 + 2n2 = n2 − • Vế trái (3.10) n4 + 2n2 − 2n2 + = n4 − Như cách xét chuỗi đường trịn Pappus nội tiếp hình arbelos [ABC] ta thu đồng thức biểu diễn mối quan hệ bán kính đường trịn nội tiếp bán kính đường trịn chuỗi Các đồng thức sinh dãy số nguyên 3.3 Phép nghịch đảo hình arbelos Phép nghịch đảo sử dụng chương 1, chương số phép chứng minh Ở ta dùng phép nghịch đảo dạng phương 46 trình tọa độ để tìm số cơng thức chuỗi Pappus, sau suy loạt đồng thức liên quan đến dãy bán kính, phần tổng hợp bổ sung kết báo [2], [3] Ta nhắc lại số biểu thức, tính chất phép nghịch đảo mặt phẳng tọa độ xOy : Phép nghịch đảo cực ω(x0 , y0 ), phương tích R2 hay cịn gọi phép nghịch đảo với đường tròn nghịch đảo (ω, R) thường ký hiệu f (ω, R) xác định E2 M = f(ω,R) (M ) ⇐⇒ ω, M, M ωM · ωM thẳng hàng = R2 Các tính chất sau suy từ định nghĩa phép nghịch đảo qua đường tròn (ω, R): (a) Có tính chất đối hợp, tức f(ω,R) = id (b) Biến đường thẳng qua cực ω thành nó, (c) Biến đường thẳng qua cực thành đường trịn khơng qua cực ngược lại, (d) Biến đường trịn khơng qua cực thành đường trịn khơng qua cực, (e) Có tính chất bảo giác Từ suy ra: phép nghịch đảo biến đường tròn tiếp xúc thành đường tròn tiếp xúc đường thẳng tiếp xúc với đường tròn đường thẳng song song; biến hai đường trịn trực giao thành hai ảnh nghịch đảo trực giao; (f) Nếu M → M , N → N R2 d (M , N ) = ωM.ωN.d(M, N ) Chọn hệ tọa độ Descartes sau: Trục hoành đường thẳng AB , gốc tọa độ điểm C , vậy, A(2a, 0), B(2b, 0) Từ định nghĩa phép nghịch đảo ta suy công thức sau, gọi phương trình phép nghịch đảo   R2 (x − x0 )   x = x0 + (x − x0 )2 + (y − y0 )2 R2 (y − y0 )    y = y +  (x − x0 )2 + (y − y0 )2 47 Với giả thiết chuỗi Pappus nội tiếp arbelos người ta cịn tìm đươc tọa độ tâm đường tròn thuộc chuỗi sau ([3]): Γc Γa Γb ab(a − b) cb(c + b) ca(c + a) xc,n = 2 xa,n = 2b − 2 xb,n = −2a + 2 n c − ab n a + cb n b + ca 2ncab 2ncab 2ncab yc,n = 2 ya,n = 2 yb,n = 2 n c − ab n a + cb n b + ca Đường trịn nội tiếp arbelos có tâm I(xi , yi ) bán kính ρi = rn : (xi , yi ) = 2ab(a + b) ab(a − b) , a2 + ab + b2 a2 + ab + b2 ; ρi = ab(a + b) a2 + ab + b2 Bây ta xét ảnh nghịch đảo ba chuỗi Pappus qua phép nghịch đảo với đường tròn nghịch đảo đường tròn (I, ρi ) nội tiếp arbelos, hình 3.5 Hình 3.5: Đường trịn nội tiếp arbelos [ABC] đường tròn nghịch đảo Để thuận lợi ta sử dụng cơng thức tính ảnh nghịch đảo tâm bán kính đường trịn chuỗi Pappus Bổ đề 3.2 ([3]) Qua phép nghịch đảo f(ω,R0 ) với ω(x0 , y0 ), đường tròn tâm (xC , yC ), bán kính R biến thành đường trịn tâm (xiC , yCi ), bán kính Ri xiC R02 (xC − x0 ) , = x0 + (xC − x0 )2 + (yC − y0 )2 − R2 48 yCi R02 = y0 + (yC − y0 ) , (xC − x0 )2 + (yC − y0 )2 − R2 R02 R = R (xC − x0 )2 + (yC − y0 )2 i Áp dụng công thức vào chuỗi Pappus thu công thức tâm, bán kính đường trịn ảnh nghịch đảo chuỗi Pappus: Chuỗi nghịch đảo Γic ρ2i (xc,n − xi ) i Hoành độ tâm xc,n = xi + (xc,n − xi )2 + (yc,n − yi )2 − ρ2i ρ2i (yc,n − yi ) i = yi + Tung độ tâm yc,n (xc,n − xi )2 + (yc.n − yi )2 − ρ2i ρ2i Bán kính ρic,n = ρc,n (xc,n − xi )2 + (yc,n − yi )2 − ρ2i Chuỗi nghịch đảo Γia ρ2i (xa,n − xi ) i Hoành độ tâm xa,n = xi + (xa,n − xi )2 + (ya,n − yi )2 − ρ2i ρ2i (ya,n − yi ) i Tung độ tâm ya,n = yi + (xa,n − xi )2 + (ya,n − yi )2 − ρ2i ρ2i Bán kính ρia,n = ρa,n (xa,n − xi )2 + (ya,n − yi )2 − ρ2i Chuỗi nghịch đảo Γib ρ2i (xb,n − xi ) i Hoành độ tâm xb,n = xi + (xb,n − xi )2 + (yb,n − yi )2 − ρ2i ρ2i (yb,n − yi ) i Tung độ tâm yb,n = yi + (xb,n − xi )2 + (yb,n − yi )2 − ρ2i ρ2i ρb,n Bán kính ρib,n = (xb,n − xi )2 + (yb,n − yi )2 − ρ2i Từ hệ thức ta có thêm số đồng thức liên hệ bán kính đường trịn Trong phép nghịch đảo với đường tròn nội tiếp (Ii , ρi ) arbelos đường tròn nghịch đảo, ta ký hiệu: bán kính đường trịn ảnh nghịch đảo ρic,n , ρia,n , ρib,n Khi ta 49 Mệnh đề 3.4 Ta có đồng thức ρi ρi ρi ρi ρi ρi − = i − = i − = 4n2 − 8n + i ρc,n ρc,n ρa,n ρa,n ρb,n ρb,n ρi ρi ρi + i + i = 14n2 − 24n + 7, i ρc,n ρa,n ρb,n ρi ρi ρi ρi ρi ρi + + + = + = ρic,n ρa,n ρb,n ρc,n ρia,n ρb,n ρi ρi ρi + + i = 6n2 − 8n + ρc,n ρa,n ρb,n ρi ρi ρi ρi ρi ρi + i + i = i + + i = ρc,n ρa,n ρb,n ρc,n ρa,n ρb,n ρi ρi ρi + + = 10n2 − 16n + i i ρc,n ρa,n ρb,n ρ2i ρ2i ρ2i = 10n4 − 16n3 + 8n2 + 3, + + i i i ρc,n ρc,n ρa,n ρa,n ρb,n ρb,n (3.11) (3.12) (3.13) (3.14) (3.15) (3.16) (3.17) ρ2i ρ2i ρ2i + i i + i i = 65n4 − 224n3 + 258n2 − 112n + 16, i ρa,n ρb,n ρa,n ρc,n ρb,n ρc,n (3.18) ρi ρic,n ρi ρia,n + ρi ρib,n + = 66n4 − 224n3 + 256n2 − 112n + 17 (3.19) Chứng minh Thay kiện vào vế trái biến đổi đại số thu vế phải tương ứng cơng thức Hệ 3.3.1 Ta có ρi ρic,n ρi ρia,n + = n2 − + ρi ρib,n − ρ2i ρ2i ρ2i + + ρia,n ρib,n ρia,n ρic,n ρib,n ρic,n Chứng minh Áp dụng (3.18), (3.19), vế trái bằng, 66n4 −224n3 +256n2 −112n+17− 65n4 − 224n3 + 258n2 − 112n + 16 = n4 − 2n2 + = n2 − vế phải Như cách sử dụng phép nghịch đảo với cực thích hợp áp dụng vào chuỗi đường trịn Pappus nội tiếp hình arbelos [ABC] ta thu 50 loạt đồng thức biểu diễn mối quan hệ bán kính đường trịn chuỗi Đương nhiên đồng thức gắn với dãy số nguyên 51 Kết luận luận văn Luận văn thu kết sau: Trình bày tốn liên quan đến hình arbelos như: arbelos vàng, đường trịn nội tiếp cặp đường tròn Archimedes Giới thiệu họ đường tròn Archimedes Schoch, Woo, Power, đặc trưng đường tròn Archimedes qua gốc tọa độ Đây kết cập nhật năm 2004 đến 2016 Chương trình bày chuỗi đường trịn Pappus nội tiếp arbelos, từ xuất số đồng thức mới, coi ứng dụng chuỗi Chúng tơi nhận thấy có hướng nghiên cứu tiếp theo: − Tìm thêm tốn ứng dụng kết nội dung nói luận văn Tìm hiểu sâu thêm hình arbelos − Sử dụng phép biến hình thích hợp phương pháp tọa độ để nghiên cứu sâu toán xét Tác giả mong góp ý, bổ sung thầy cô giáo đồng nghiệp nhằm làm cho kết nghiên cứu hoàn chỉnh có ích Xin chân thành cảm ơn 52 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1] Nguyễn Thị Năm, 2018, Các tốn đường trịn tiếp xúc, Luận văn tốt nghiệp bảo vệ năm 2018, trường ĐHKH-ĐHTN, trang 48-51 Tiếng Anh [2] Lucca, G., 2007, Three Pappus Chains Inside the Arbelos: Some Identities, Forum Geometricorum, Volume 7, 107-109 [3] Lucca, G., 2008, Some Identities Arising From Inversion of Pappus Chains in an Arbelos, Forum Geometricorum, Volume 8, 171-174 [4] Okumura, H and Watanabe, M., 2006, A generalization of Power’s Archimedean Circles, Forum Geometricorum, Volume 4, 103-105 [5] Okumura, H., Watanabe, M., 2007, Characterizations of an infinite set of Archimedean Circles, Forum Geometricorum, Volume 7(2007), 121-123 [6] Okumura, H., 2016, A characterization of the golden arbelos, Mathematical Medley, Volume 42 N0 [7] Yiu, P., 1998, Euclidean Geometry, Departement of mathematics Florida Atlatic University, Chapter 1, Chapter ... thác sâu sắc vấn đề Các báo hình arbelos đăng thường xuyên năm gần Đó lý tơi chọn đề tài Mục đích đề tài là: - Tìm hiểu trình bày vấn đề hình arbelos (hình dao thợ đóng giầy): đặc trưng arbelos vàng,...ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Nguyễn Sơn Hải MỘT SỐ VẤN ĐỀ MỚI TRONG HÌNH ARBELOS Chuyên ngành: Phương pháp toán sơ cấp Mã số: 8460113 LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC Người hướng dẫn khoa... Pappus đường trịn hình arbelos số đồng thức Nội dung luận văn chia làm chương: Chương Hình arbelos cặp đường trịn Archimedes Hình arbelos dựa hình tạo nửa đường tròn (α, β, γ), gọi "hình dao thợ đóng