Điểm cố định la gì trong hình học

Những bài toán hình học liên qua đến yếu tố thay đổi thường gây rất nhiều khó khăn cho các em học sinh. Để giải các bài toán dạng này, các em cần phải có những kiến thức rộng và tư duy hình học tốt. Trong bài viết nhỏ này, tôi trình bày một vài kinh nghiệm giải các bài toán “Đường qua điểm cố định” thông qua lời giải của một vài bài toán quen thuộc.

Đầu tiên, đường ở đây chỉ có thể là đường thẳng hoặc đường tròn. Các bước thực hiện bài toán là:

• Tìm được điểm cố định.
• Chứng minh đường qua điểm cố định đó.

Vậy làm sao để tìm được điểm cố định? Đây là một việc khó, tất nhiên không phải ai cũng nhận ra được điểm cố định ngay, mà phải dự đoán, mà dự đoán bằng kinh nghiệm và thực hành.

• Ta có thể sử dụng những kiến thức hình học đã biết, những định lý đã biết để dự đoán.
• Vẽ nhiều hình. Ví dụ ta cần chứng minh đường $H$ qua điểm cố định, ta vẽ được hai hình $H_1$ và $H_2$ thì giao của $H_1, H_2$ là điểm cố định.
• Đến lúc này, ta phải nhận biết được tính chất đặc biệt của điểm cố định đó, có thể bằng trực giác để thấy ngay, đôi khi nếu ta vẽ hình có lệch chút đỉnh, thì sử dụng cảm giác hình học để tìm ra tính chất đặc biệt. Mặt khác ta có thể nối điểm cố định mà ta phát hiện với các điểm cố định có trên hình để tìm tính chất.
• Một số tính chất hay gặp: Điểm đặc biệt của tam giác như trực tâm, trọng tâm, tâm đường tròn ngoại tiếp, nội tiếp, chân đường cao; Trung điểm đoạn thẳng [thường gặp], điểm $M$ thuộc tia $Ax$ mà $AM$ có độ dài không đổi,….
• Một chú ý là vai trò của các điểm cố định có trên hình, nếu vai trò $B, C$ như nhau, thì điểm cố định cũng có tính đối xứng đối với $BC$ như: trung điểm $BC$, tạo với $B, C$ tam giác đều, vuông cân…

Sau khi đã xác định chắc chắn điểm cố định, ta đi chứng minh đường đi qua điểm cố định đó. Việc chứng minh này tùy thuộc vào tính chất điểm cố định.

• Nếu là đường thẳng qua điểm cố định ta quy về việc chứng minh thẳng hàng mà các chuyên đề chứng minh thẳng hàng đã trình bày.
• Nếu chứng minh đường tròn qua điểm cố định, ta quy về việc chứng minh tứ giác nội tiếp mà chuyên đề tứ giác nội tiếp đã trình bày.
• Cho đường thẳng hoặc đường tròn cắt một đường cố định chứa điểm đó, sau đó chứng minh tính chất của điểm cố định.

Ví dụ 1. [PTNK 2007] Cho tam giác $ABC$ nội tiếp đường tròn $[O]$. $P$ là điểm thay đổi trên cung $BC$ không chứa $A$. Gọi $H, K$ là hình chiếu của $A$ trên $PB, PC$. Chứng minh rằng $HK$ luôn đi qua một điểm cố định.

Đầu tiên khi $P$ thay đổi thì đường thẳng $HK$ cũng thay đổi, tất nhiên ta chưa biết ngay rằng $HK$ đi qua điểm cố định nào. Vậy ta phải dự đoán được điểm cố định trước bằng cách cho $P$ ở một vị trí khác, ta sẽ được đường $H’K’$. Khi đó $HK$ và $H’K’$ sẽ cắt nhau tại một điểm $T$ nào đó, vậy $T$ là điểm gì? Trong hình, có các điểm $A, B, C$ cố định, ta tìm mối liên hệ của $T$ và $A, B, C$ trước. Đến đây bằng trực giác hình học, ta có thể dự đoán rằng $T$ thuộc $BC$ và $AT \bot BC$, việc dự đoán này là chủ quan dựa trên trực giác và cảm giác về mặt hình học. Nếu muốn chắc chắn, chỉ có thể là chứng minh một cách chính xác và cụ thể.

Vậy khi đã đoán được điểm cố định ta phải làm gì? Ta có nhiều cách để giải quyết bài toán: có thể gọi $T$ là giao điểm của $HK$ và $BC$, sau đó chứng minh $AT \bot BC$ hoặc dựng $AT \bot BC$, chứng minh $H, K, T$ thẳng hàng.

Trên đây là một ví dụ về cách suy nghĩ khi ta cần giải quyết một bài toán kiểu thế này, tất nhiên, nhiều bạn giỏi và nhanh nhẹn hơn có thể nhận ra $HK$ là đường thẳng Simson của $A$ đối với tam giác $PBC$, có thể giải quyết ngay bài toán.

Gọi $T$ là hình chiếu của $A$ trên $BC$. Ta chứng minh $H, K, T$ thẳng hàng.

• Ta có các tứ giác $ATBH, ATKC, ABPC$ nội tiếp. Suy ra $\angle ATH = \angle ABH = \angle ACK = 180^\circ – \angle ATK$.
• Suy ra $\angle ATH + \angle ATK = 180^\circ$.
• Do đó $H, T, K$ thẳng hàng.
• Vậy $KH$ qua điểm $T$ cố định.

Ví dụ 2. Cho đường tròn $[O;R]$ và đường thẳng $d$ nằm ngoài $O$. $A$ là một điểm thay đổi trên $d$. Từ $A$ vẽ các tiếp tuyến $AB, AC$ đến $[O]$. Chứng minh $BC$ luôn đi qua một điểm cố định. 

Tương tự cách làm như ví dụ 1, ta cũng phát hiện được điểm cố định thuộc $BC$ là điểm $T$. Tuy vậy đối với bài toán này, điểm $T$ có vẻ hơi lưng chừng khó dự đó nó là điểm có đặc trưng gì.

Vì thế sau khi đã tìm được điểm $T$, ta thử nối $T$ với các yếu tố cố định có trên hình, và chắc chắn nó sẽ có quan hệ với $O$, đường thẳng $d$ và đường tròn $[O]$.

Sau khi nối lại ta sẽ thấy được, có vẻ $OT \bot d$, vậy $T$ thuộc một tia cố định. Việc còn lại chỉ cần chứng minh $OT$ có độ dài không đổi nữa là $T$ sẽ cố định.

• Gọi $T$ là giao điểm của $BC$ và đường thẳng qua $O$ vuông góc $d$ và $E$ là giao điểm của $OA$ và $BC$.
• Ta có $OH.OT = OE.OA = OB^2=R^2$ không đổi. Suy ra $OT = \dfrac{R^2}{OH}$.
• $OH$ cố định, suy ra $T$ cố định. Vậy $BC$ đi qua điểm cố định.

Ví dụ 3. Cho đường tròn tâm $O$ và dây cung $BC$ cố định. $A$ thay đổi trên cung lớn $BC$. Gọi $D$ là điểm đối xứng của $C$ qua $AB$, $E$ là điểm đối xứng của $B$ qua $AC$. Đường tròn ngoại tiếp các tam giác $ADC$ và $ABE$ cắt nhau tại điểm thứ hai $P$. Chứng minh rằng $AP$ luôn đi qua một điểm cố định.

Đây là một bài toán khá dễ toán điểm cố định, đó chính là tâm $O$. Ta chứng minh $A, O, P$ thẳng hàng.

• Ta có $\angle ADB = \angle ACB$ [t\c đối xứng]. Và $\angle ADP = \angle ACE = \angle ACB$. Suy ra $\angle ADB = \angle ADP$, do đó $D, B, P$ thẳng hàng.
• Chứng minh tương tự ta có $P, C, E$ thẳng hàng.
• Khi đó $\angle BPC = 180^\circ – \angle CAD = 180^\circ  – 2\angle A = 180^\circ – \angle BOC$. Suy ra $PBOC$ nội tiếp. Mà $OB = OC$ nên $PO$ là phân giác góc $\angle PBC$. [1]
• Mặt khác $\angle BPA = \angle ACD = \angle ABE = \angle APC$. Suy ra $PA$ cũng là phân giác của $\angle BPC$. [2]
• Từ [1] và [2] ta có $A, O, P$ thẳng hàng, hay $AP$ luôn đi qua điểm $O$ cố định.

Trên đây là một số bài toán chứng minh đường thẳng đi qua điểm cố định. Tiếp theo chúng ta xem xét một vài ví dụ chứng minh đường tròn đi qua điểm cố định.

Ví dụ 4. Cho tam giác $ABC$ nhọn, nội tiếp đường tròn $[O]$. Trên các cạnh $AB, AC$ lấy các điểm thay đổi $D, E$ sao cho $BD = CE$. Chứng minh rằng đường tròn ngoại tiếp tam giác $ADE$ đi qua một điểm cố định khác $A$.

Đây là một bài toán khá nhẹ nhàng, nếu cho $D, E$ thay đổi ta có thể nhận thấy ngoài $A$ thì điểm đường tròn ngoại tiếp tam giác $ADE$ còn đi qua một điểm nữa, có vẻ gần gần điểm chính giữa cung $BC$. Một chú ý là vai trò $B, C$ như nhau nên điểm cố định đó đối với $B, C$ phải là như nhau. Từ đó ta có thể “mạnh dạn” khẳng định, điểm cố định đó chính là điểm chính giữa cung $BC$. Từ đó đi đến chứng minh.

• Gọi $F$ là điểm chính giữa cung $BC$ chứa $A$.
• Ta có $FB = FC$, $\angle DBF = \angle ECF$ và $BD = CE$, suy ra $\triangle DBF = \angle ECF$ [c.g.c].
• Do đó $\angle BDF = \angle CEF$, suy ra $\angle ADF = \angle AEF$, suy ra tứ giác $ADEF$ nội tiếp hay $[ADE]$ qua điểm $F$ cố định.

Chú ý: $[ADE]$ là đường tròn ngoại tiếp tam giác $ADE$.

Ví dụ 5. Cho tam giác $ABC$ nhọn. Các điểm $M, N$ lần lượt thay đổi trên $AB, AC$ sao cho độ dài hình chiếu của $MN$ trên đường thẳng $BC$ bằng nửa độ dài cạnh $BC$. Chứng minh rằng đường tròn ngoại tiếp tam giác $AMN$ luôn đi qua một điểm cố định khác $A$.

Khi vẽ hình ta sẽ thấy điểm cố định nằm trong tam giác $ABC$, do $B, C$ là vai trò như nhau, ta có thể đoán điểm này là điểm đặc biệt trong tam giác: trực tâm, trọng tâm, hay tâm đường tròn ngoại tiếp.

• Gọi $F, G$ là trung điểm của $AB, AC$, D, E là hính chiếu của $M, N$ trên $BC$ và $O$ là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABC$.
• Đường thẳng qua $O$ song song $BC$ cắt $MD, NE$ tại $P, Q$.
• Ta có $DE = PQ = FG = \dfrac{1}{2}BC$. Suy ra $FGQP$ là hình bình hành.
• Các tứ giác $OMFP, OGNQ$ nội tiếp. Suy ra $\angle ONG = \angle OQG = 180^o – \angle OPF = \angle OMF$.
• Do đó $AMOG$ nội tiếp. Vậy $[AMN]$ đi qua điểm $O$ cố định.

Trên đây là một số ví dụ về các bài toán chứng minh đường đi qua điểm cố định, hy vọng qua các bài toán này các bạn nắm được các bước giải và không ngại khó khi gặp những bài toán dạng này. Sau đây là một số bài tập rèn luyện thêm.

Bài tập

1. Cho tam giác $ABC$ vuông tại $A$, trên các tia $BA, CA$ lấy các điểm $D, E$ thay đổi sao cho $BD = CE$. Chứng minh rằng đường trung trực $DE$ luôn đi qua một điểm cố định.
2. Cho nửa đường tròn đường kính $AB$. $D$ thay đổi trên nửa đường tròn, trên tia $AD$ lấy điểm $D$ sao cho $AE = BD$. Chứng minh rằng đường trung trực của $DE$ đi qua một điểm cố định.
3. Cho tam giác $ABC$, trong đó $BC$ cố định và $A$ thay đổi. Về phía ngoài tam giác dựng các tam giác vuông cân tại $A$ là $ABD$ và $ACE$. Chứng minh rằng đường thẳng qua $A$ vuông góc với $DE$ luôn đi qua một điểm cố định.
4. Cho tam giác $ABC$ nhọn. Về phía ngoài tam giác dựng các hình chữ nhật thay đổi $ABDE$ và $ACFG$ sao cho chúng có diện tích bằng nhau.  Gọi $M$ là trung điểm của $EG$, chứng minh rằng đường thẳng $AM$ luôn đi qua một điểm cố định.
5. Cho tam giác $ABC$ có $BC$ cố định và $A$ thay đổi. Đường tròn tâm $I$ nội tiếp tam giác $ABC$ tiếp xúc với $BC, AB, AC$ tại $D, E, F$. $DI$ cắt $EF$ tại $K$. Chứng minh rằng $AK$ luôn đi qua một điểm cố định.
6. Cho tam giác $ABC$ cân tại $A$,  các điểm $D, E$ thay đổi trên các cạnh $AB, AC$ sao cho $AD = CE$. Chứng minh rằng đường tròn ngoại tiếp tam giác $ADE$ luôn đi qua một điểm cố định.
7. Cho tam giác $ABC$ có $BC$ cố định $A$ thay đổi. Đường tròn tâm $I$ nội tiếp tam giác tiếp xúc với $BC, AC, AB$ tại $D, E, F$. $BI, CI$ cắt $EF$ lần lượt tại $M, N$. Chứng minh rằng đường tròn ngoại tiếp tam giác $DMN$ luôn đi qua một điểm cố định.
8. Cho tam giác $ABC$. Các điểm $D, E$ thay đổi trên cạnh $BC$ sao cho $\angle BAD = \angle CAE$ [$D$ nằm giữa $B, E$]. Gọi $K$ là hình chiếu của $B$ trên $AD$, $L$ là hình chiếu của $C$ trên $AE$. Gọi $M$ là trung điểm của $BC$. Chứng minh rằng đường tròn ngoại tiếp tam giác $MKL$ luôn đi qua một điểm cố định.