Đề tài Ứng dụng số phức vào giải toán Hình học phẳng

MỤC LỤC Trang 1 MỞ ĐẦU Số phức xuất hiện từ thể kỷ XIX do nhu cầu phát triển của Toán họcluận văn - báo cáo - tiểu luận chuyên ngành Toán học về giải những phương trình đại số. Từ khi ra đời số phức đã thúc đẩy toán học tiến lên mạnh mẽ và giải quyết được nhiều vấn đề của khoa học và kỹ thuậtluận văn - báo cáo - tiểu luận - tài liệu chuyên ngành Kỹ thuật. Đối với học sinh bậc THPT thì số phức là một nội dung còn mới mẻ, với thời lượng không nhiều, học sinh mới chỉ biết được những kiến thức rất cơ bản của số phức, việc khai thác các ứng dụng của số phức còn hạn chế, đặc biệt là việc sử dụng số phức như một phương tiện để giải các bài toán Hình học phẳng là một vấn đề khó, đòi hỏi học sinh phải có năng lực giải toán nhất định, biết vận dụng kiến thức đa dạng của toán học. Mặc dù sách giáo khoa Giải tích lớp 12 đã đưa bài tập ứng dụng Số phức vào giải toán hình học phẳng nhưng còn rất ít. Với những lí do trên, tôi chọn đề tài nghiên cứu là: “Ứng dụng số phức vào giải toán Hình học phẳng”. Chương 1: SỐ PHỨC Chương này trình bày lịch sử hình thành số phức, định nghĩa, các phép toán và tính chất của số phức. 1.1 Lịch sử hình thành khái niệm số phức Lịch sử số phức bắt đầu từ thế kỉ thứ XVI. Đó là thời kì Phục hưng của toán học châu Âu sau đêm trường trung cổ. Các đại lượng ảo xuất hiện đầu tiên từ thế kỉ XVI trong các công trình của của các nhà toán học Italy “Nghệ thuật vĩ đại hay là về các quy tắc của đại số” (1545) của G. Cardano (1501 – 1576) và “Đại số” (1572) của R. Bombelli (1530 – 1572). Nhà toán học Đức Felix Klein (1849 – 1925) đã đánh giá công trình của G. Cardano như sau: “Tác phẩm quý giá đến tột đỉnh này đã chứa đựng mầm mống của đại số hiện đại và nó vượt xa tầm của toán học thời cổ đại”. Khi giải phương trình bậc hai Cardano và Bombelli đã đưa vào xét kí hiệu là lời giải hình thức của phương trình . Xét biểu thức là nghiệm hình thức của phương trình . Khi đó biểu thức tổng quát hơn có dạng có thể xem là nghiệm hình thức của phương trình . Về sau biểu thức dạng xuất hiện trong quá trình giải phương trình bậc hai, bậc ba (công thức Cardano) được gọi là đại lượng “ảo” và sau đó được Gauss gọi là số phức và thường được kí hiệu là , trong đó kí hiệu được L.Euler đưa vào (năm 1777) gọi là đơn vị “ảo”. Quá trình thừa nhận số phức như một công cụ quý giá của toán học đã diễn ra rất chậm chạp. Ngay tên gọi và kí hiệu là đơn vị ảo cũng đã gây nên nhiều nỗi băn khoăn, thắc mắc từ đó dẫn đến khủng hoảng niềm tin vì nó không có gì chung với số - một công cụ của phép đếm, mặc dù người ta vẫn xem nó là một kí hiệu trừu tượng thỏa mãn định nghĩa . Sự khủng hoảng niềm tin càng trở nên sâu sắc hơn bởi việc chuyển một cách thiếu cân nhắc và thiếu thận trọng một số quy tắc của đại số thông thường cho các số phức đã sản sinh ra những nghịch lí khó chịu. Chẳng hạn như nghịch lí sau đây: vì nên , nhưng đồng thời bằng cách sử dụng các quy tắc thông thường của phép toán khai căn bậc hai lại thu được Như vậy . Ta nhấn mạnh lại rằng hệ thức là định nghĩa số mới cho phép ta đưa vào xét số phức. Điều đó có nghĩa rằng hệ thức đó không thể chứng minh, nó chỉ là quy ước. Tuy vậy, cũng có người muốn chứng minh hệ thức đó. Trong cuốn sách “phương pháp tọa độ” của mình, viện sĩ L.S. Pointriagin đã mô tả lại chứng minh đó như sau: Đầu tiên người ta lấy nửa đường tròn với đường kính AB. Từ điểm R tùy ý của nửa đường tròn hạ đường vuông góc RS là trung bình nhân giữa các độ dài của các đoạn AS và SB. Vì nói đến độ dài nên sẽ không sai sót lớn khi nói rằng bình phương đoạn RS bằng tích các đoạn thẳng AS và BS. Bây giờ, trở về với mặt phẳng phức, kí hiệu điểm -1 là A, điểm +1 là B và điểm là R. Khi đó S sẽ là điểm 0. Tác giả của phép chứng minh đã lập luận như sau: Đoạn thẳng RS là , đoạn thẳng AS là -1 và SB là +1. Như vậy theo định lí vừa nhắc lại ở trên ta có Thật đáng tiếc là phép chứng minh kì lạ này vẫn được viết trong sách và giảng dạy ở một số trường phổ thông trước thế chiến thứ II. Lịch sử toán học cũng ghi lại rằng Cardano cũng đã nhắc đến các nghiệm phức nhưng lại gọi chúng là các nghiệm “ngụy biện”. Chẳng hạn khi giải hệ phương trình Cardano đã tìm được nghiệm và ông đã gọi nghiệm này là “âm thuần túy” và thậm chí còn gọi là “nghiệm âm ngụy biện”. Có lẽ tên gọi “ảo” là di sản vĩnh cửu của “một thời ngây thơ đáng trân trọng của số học”. Thậm chí đối với nhiều nhà bác học lớn thế kỉ XVIII bản chất đại số và bản chất hình học của các đại lượng ảo không được hình dung một cách rõ ràng mà còn đầy bí ẩn. Chẳng hạn, lịch sử cũng ghi lại rằng I. Newton đã không thừa nhận cá đại lượng ảo và không xem các đại lượng ảo thuộc vào các khái niệm số, còn G. Leibniz thì thốt lên rằng: “Các đại lượng ảo – đó là nơi ẩn náu đẹp đẽ huyền diệu đối với tinh thần của đấng tối cao, đó dường như một giống lưỡng cư sống ở một chốn nào đó giữa cái có thật và cái không có thật”. Người đầu tiên nhìn thấy lợi ích do đưa số phức vào toán học mang lại chính là nhà toán học Italy R. Bombelli. Trong cuốn “Đại số” (1572) ông đã định nghĩa các phép tính số học trên các đại lượng ảo và do đó ông đã sáng tạo nên lí thuyết các số “ảo”. Thuật ngữ số phức được dùng đầu tiên bởi K. Gauss (năm 1831). Vào thế kỉ XVII – XVIII nhiều nhà toán học khác cũng đã nghiên cứu các tính chất của đại lượng ảo (số phức) và khảo sát các ứng dụng của chúng. Chẳng hạn L. Euler (1777 – 1855) nhà toán học Đức mở rộng khái niệm logarit cho số phức bất kì (1738), còn A. Moivre (1667 – 1754) nhà toán học Anh nghiên cứu và giải bài toán căn bậc tự nhiên đối với số phức (1736). Sự nghi ngờ đối với số ảo (số phức) chỉ tiêu tan khi nhà toán học người Nauy là C.Wessel đưa ra sự minh họa hình học về số phức và các phép toán trên chúng trong công trình công bố năm 1799. Đôi khi phép biểu diễn minh họa số phức cũng được gọi là “sơ đố Argand” để ghi nhận công lao của nhà toán học Thụy Sỹ R. Argand – người thu được kết quả như của Wessel một cách độc lập. Lí thuyết thuần túy số học đối với các số phức với tư cách là các cặp số thực có thứ tự (a,b), được xây dựng bởi nhà toán học Ailen là W.Hamilton (1837). Ở đây đơn vị “ảo” chỉ đơn giản là một cặp số thực có thứ tự - cặp (0;1), tức là đơn vị “ảo” được lí giải một cách hiện thực. Cho đến thế kỉ thứ XIX, Gauss mới thành công trong việc luận chứng một cách vững chắc khái niệm số phức. Tên tuổi của Gauss cũng gắn liền với phép chứng minh chính xác đầu tiên đối với định lí cơ bản của Đại số khẳng định rằng trong trường số phức C mọi phương trình đa thức đều có nghiệm. Bản chất đại số của số phức thể hiện ở chỗ số phức là phần tử của trường mở rộng (đại số) C của trường số thực R thu được bằng phép ghép đại số cho R nghiệm của phương trình . Với định lí cơ bản của Đại số, Gauss đã chứng minh được trường C trở thành trường đóng đại số. Điều đó có nghĩa là khi xét các nghiệm của phương trình đại số trong trường này ta không thu được thêm số mới. Đương nhiên trường số thực R (và do đó cả trường hữu tỉ Q) không có tính chất đóng đại số. Chẳng hạn, phương trình với hệ số thực có thể không có nghiệm thực. Nhìn lại hơn 2500 năm từ thời Pythagor tới giờ, con đường phát triển khái niệm về số có thể tóm tắt bởi với các bao hàm thức: . Bằng các kết quả sâu sắc trong các công trình của các nhà toán học K.Weierstrass, G.Frobenius, B.Peirce người ta mới nhận ra rằng mọi cố gắng mở rộng tập số phức theo con đường trên đều không có kết quả khả quan. K.Weierstrass đã chứng minh tập hợp số phức C không thể mở rộng thành tập hợp rộng hơn bằng cách ghép thêm số mới để trong tập hợp số rộng hơn thu được vẫn bảo toàn mọi phép tính và mọi quy luật của các phép toán đã đúng trong tập hợp số phức. Nhìn lại lịch sử lâu dài của sự phát triển khái niệm số ta thấy rằng cứ mỗi lần khi đưa vào những số mới các nhà toán học cũng đồng thời đưa vào các quy tgawcs thực hiện các phép toán trên chúng. Đồng thời với điều đó các nhà Toán học luôn luôn cố gắng bảo toàn các quy luật số học cơ bản (luật giao hoán của phép cộng và phép nhân, luật kết hợp và luật phân bố, luật sắp xếp tuyến tính của tập hợp số). Tuy nhiên sự bảo toàn đó không phải khi nào cũng thực hiện được, ví dụ như khi xây dựng trường số phức người ta không bảo toàn được luật sắp xếp tuyến tính vốn có trong trường số thực. Tổng kết lịch sử toàn bộ quá trình phát triển khái niệm số, nhà toán học Đức L.Kronecker (1823 - 1891) đã viết: “Thượng đế đã tạo ra số tự nhiên, còn tất cả các loại số còn lại đều là công trình sáng tạo của con người” Có thể nói rằng với khẳng định bất hủ này, L.Kronecker đã xác định nền móng vững chắc cho tòa lâu đài toán học tráng lệ , mà con người đang sở hữu. 1.2 Khái niệm số phức Ta biết rằng trường số thực nhận được bằng cách làm “đầy” trường số hữu tỉ , mà nó được xây dựng từ vành số nguyên . Việc làm đầy xuất phát từ sự nghiên cứu các phương trình đại số với hệ số hữu tỉ và giới hạn của các dãy số hữu tỉ. Tuy nhiên trường vẫn không đầy đủ, bởi vì ngay cả phương trình đơn giản cũng không có nghiệm trong . Còn trong giải tích nếu chỉ giới hạn trong , người ta không thể giải thích được tại sao hàm không thể khai triển được thành chuỗi lũy thừa trên toàn bộ đường thẳng. Với lí do trên, buộc ta phải tìm kiếm trường K nào đó chứa như một trường con sao cho tối thiểu phương trình (1) có nghiệm. Ở đây ta nói là trường con của K nếu các phép toán trên được cảm sinh bởi các phép toán trên K. 1.2.1 Xây dựng trường số phức Giả sử trường chứa như một trường con mà phương trình có nghiệm trong nó, khi đó phải có một phần tử i để . Vì nên chứa tất cả các phần tử dạng . Do đó, một cách tự nhiên ta xét tập các cặp số thực (a,b): . Sau đó đưa vào quan hệ bằng nhau và các phép toán sao cho với chúng trở thành một trường chứa như một trường con (qua phép đồng nhất nào đó). Các phép toán náy được dẫn dắt từ các phép toán của trường với chú ý i) Quan hệ bằng nhau: ii) Phép cộng: iii) Phép nhân: Tập hợp với quan hệ bằng nhau, các phép cộng và nhân xác định như trên lập thành một trường thỏa mãn các điều kiện sau: chứa trong như một trường con (qua đồng nhất với ) Tồn tại nghiệm của phương trình trong . 1.2.2 Định nghĩa Trường được xây dựng như trên được gọi là trường số phức Mọi phần tử của được gọi là số phức Vậy, ta có Đây là dạng đại số của số phức z, trong đó a được gọi là phần thực của số phức z, kí hiệu là Rez b được gọi là phần ảo của số phức z kí hiệu là Imz Số phức liên hợp Cho , khi đó được gọi là số phức liên hợp của số phức z, kí hiệu là . 1.3 Các phép toán trên tập các số phức 1.3.1 Phép cộng Ta gọi tổng của hai số phức là số phức và được kí hiệu là . Từ định nghĩa của phép cộng ta có các tính chất sau: Kết hợp: Giao hoán: Đặc biệt khi là hai số thực thì định nghĩa (1) trùng với định nghĩa phép cộng các số thực. 1.3.2 Phép trừ Phép cộng trên có phép toán ngược, nghĩa là với hai số phức ta có thể tìm được số phức z sao cho . Số phức này gọi là hiệu của hai số phức và , kí hiệu là , rõ ràng từ định nghĩa ta có 1.3.3 Phép nhân Ta gọi tích của hai số phức là số phức z xác định bởi Và kí hiệu là . Từ định nghĩa ta có những tính chất sau: i) Kết hợp . ii) Giao hoán . iii) Phép nhân có tình phân phối với phép cộng . Nếu và là hai số thực thì định nghĩa (3) trùng với định nghĩa thông thường của phép nhân trong tập hợp các số thực. Đặc biệt khi lấy từ định nghĩa (3) ta có Rõ ràng với thì công thức (3) có được bằng cách nhân thông thường (phép nhân trong tập hợp số thực) và thay . Chú ý: 1.3.4 Phép chia Phép toán nhân có phép toán ngược nếu ít nhất một trong hai số đó khác không. Giả sử . Khi đó ta có thể tìm được một số phức sao cho . Theo định nghĩa của phép nhân ta có hệ phương trình sau Vì nghĩa là định thức của hệ Cramer khác 0 nên hệ phương trình trên luôn luôn có một lời giải duy nhất. Số phức z có được này gọi là thương của hai số phức z1 và z2 . Giải hệ (4), ta được Kí hiệu . Chú ý: Hệ thức (5) cũng có được bằng cách nhân với 1.3.5 Lũy thừa bậc n Tích của n lần số phức z được gọi là lũy thừa bậc n của số phức z. Kí hiệu . 1.3.6 Căn bậc n Số phức w được gọi là Căn bậc n của số phức z nếu . Kí hiệu . 1.3.7 Định lí Với các số phức , ta có: 1.4 Dạng lượng giác và dạng mũ của số phức 1.4.1 Dạng lượng giác của số phức Xét mặt phẳng tương ứng với hệ tọa độ Đềcác Oxy và ta biểu diễn một số phức bởi một điểm có tọa độ (a,b). Như vậy các số thực sẽ được biểu diễn bởi các điểm trên trục Ox, nó được gọi là trục thực, các số thuần ảo được biểu diễn bởi các điểm trên trục Oy, nó được gọi là trục ảo. Ngược lại, với mỗi điểm của mặt phẳng Oxy có tọa độ (a,b), ta đặt tương ứng với một số phức Hình 1 Vậy có sự tương ứng 1 -1 giữa tập hợp tất cả các số phức với tập hợp tất cả các điểm của một mặt phẳng. Vì mỗi điểm có tọa độ (a,b) trong mặt phẳng tương ứng với một véc tơ có bán kính véc tơ và góc cực tương ứng . Do đó mỗi số phức z có thể biểu diễn dưới dạng . Đây là dạng lượng giác của số phức, trong đó r, lần lượt là bán kính cực và góc cực của số phức z. Bán kính r gọi là modun của số phức z, kí hiệu . Góc cực gọi là argument của số phức z, kí hiệu là Hình 2 Modun của số phức được xác định một cách duy nhất . Và argument của số phức được xác định với sai khác một bội của . Với là giá trị chính của hàm . Một số tính chất Cho các số phức ; ; . Ta có các tính chất sau: Nếu thì modul của chúng trùng nhau và argument của chúng sai khác nhau một số nguyên lần Tính chất của modun và argument Tích của hai số phức Như vậy, tích của hai số phức viết dưới dạng lượng giác , ở đó là tích của , hoặc ; còn argument là tổng của hai argument thừa số, hay nói cách khác . Bằng phương pháp quy nạp toán học dễ dàng chứng minh được Hoàn toàn tương tự ta có thể làm phép chia các số phức Do đó, Bây giờ có thể dễ dàng biểu diễn tích của hai số phức , với ; là một điểm với bán kính véc tơ và argument . Hình 3 Công thức Moivre Cho một số phức bất kì dưới dạng lượng giác , theo công thức ở trên ta có Công thức trên được gọi là công thức Moivre. Công thức Moivre cũng đúng khi là các số nguyên âm. Thật vậy: Và: Dựa vào công thức Moivre ta định nghĩa căn bậc n của số phức: Cho , căn bậc n của số phức z là một số phức biểu diễn dưới dạng lượng giác , sao cho , hay . Theo công thức Moivre, ta có , suy ra , Còn argument và sai khác nhau , hay . Vậy . Ngược lại, khi ta nâng bậc mũ n số thì ta được . Như vậy: với sẽ nhận được giá trị khác nhau cho . Mỗi giá trị của tạo thành cấp số cộng với công bội , và số hạng đầu (tương ứng k=0). Do tính chu kì của hàm với thì những giá trị của lại lặp lại một trong giá trị ban đầu. Do đó, căn bậc của một số phức có đúng giá trị khác nhau. Những số này biểu diễn như đỉnh của đa giác đều nằm trên đường tròn với tâm là gốc tọa độ và bán kính là . Hình 4 1.4.4 Dạng mũ của số phức Để đơn giản cách viết số phức ta đặt dạng lượng giác được biến đổi thành dạng mũ đó là dạng số mũ của số phức . Dễ dàng chứng minh rằng nếu thì : Phép nâng số phức lên lũy thữa bậc n của số phức được thực hiện theo công thức Moivre Chương 2: ỨNG DỤNG SỐ PHỨC VÀO GIẢI TOÁN HÌNH HỌC PHẲNG Chương này trình bày phương pháp giải toán, mô tả một số kết quả của hình học phẳng bằng ngôn ngữ số phức và ba ứng dụng của số phức vào giải toán hình học. 2.1 Phương pháp giải toán Khi giải các bài toán trong hình học phẳng ta đồng nhất số phức với điểm M(x,y) trong mặt phẳng với hệ tọa độ vuông góc Descartes Oxy, và gọi z là tọa vị của điểm M (đối với hệ tọa độ đó); kí hiệu M(z), hoặc kí hiệu đơn giản hơn là M; đồng thời cũng đồng nhất số phức với véc tơ trong đó điểm đầu O là gốc tọa độ, điểm cuối M là điểm biểu diễn số phức z, vì vậy nếu nói M có tọa vị z thì cũng nói véc tơ có tọa vị z. Nhờ vậy, nếu A(z), B(z’) thì véc tơ có tọa vị (z’ -z), hoặc kí hiệu là (A-B), và = |z’ – z| (hay =|A-B|). Do đó trong mặt phẳng phức C, phương trình đường tròn tâm tại điểm M0(z0), bán kính R là |z – z0| = R hay với tham số t biến thiên trong đoạn [0; 2] hay một phần của đoạn đó mà ta có toàn bộ đường tròn hay một cung tương ứng, còn phương trình đường thẳng có dạng: , , đường thẳng song song với trục Ox , , đường thẳng song song với trục Oy , , là số đo góc định hướng hợp bởi đường thẳng và tia Ox. Sau đó nhờ phép chuyển tương ứng điểm hình học hay điểm phức M thành vectơ (O là gốc tọa độ), chuyển khoảng cách giữa hai điểm phức thành độ dài vectơ , bình phương modul của điểm phức thành vô hướng vectơ ta sẽ nhận được lời giải thông thường của bài toán đã cho, một lời giải không ứng dụng số phức. Nhờ đó ta nhận được lời giải thông thường của bài toán đã cho. 2.2 Mô tả một số kết quả của hình học phẳng bằng ngôn ngữ số phức Cho trước hai điểm M(m), N(n). Khi đó, độ dài đoạn . Trong mặt phẳng cho trước đoạn thẳng AB. Khi đó, điểm M chia đoạn thẳng AB theo tỷ số khi và chỉ khi , trong đó a, b và m là tọa vị các điểm A, B và M theo thứ tự đó. Từ đó, nếu kí hiệu là chỉ đoạn thẳng AB, kí hiệu (AB) là chỉ đường thẳng AB, kí hiệu là chỉ tia AB, ta có các kết quả sau Cho trước hai điểm phân biệt và điểm . Khi đó Định lý 2.1. Cho trước hai điểm phân biệt và điểm . Khi đó, các mệnh đề sau tương đương Từ đó, để ý rằng, ta thu được phương trình của đường thẳng đi qua hai điểm là 2.2.1 Góc giữa hai đường thẳng Trong mặt phẳng phức, cho hai điểm và . Khi đó, do nên hay góc định hướng tạo bởi tia với tia Hình 5 bằng . Từ đó, nếu cho bốn điểm phân biệt thì góc định hướng tạo bởi đường thẳng với bằng . Định lý 2.2. Hai tam giác ABC và A'B'C' đồng dạng cùng hướng khi và chỉ khi Và hai tam giác ABC và A'B'C' đồng dạng ngược hướng khi và chỉ khi 2.2.2 Tích vô hướng của hai số phức Trong mặt phẳng phức cho hai điểm . Khi đó Nếu có modul bằng và có argument bằng thì Do đó Từ đó suy ra và do đó . Tích vô hướng của hai số phức cũng có tính chất như tích vô hướng của hai vectơ. Ngoài ra . Nhận xét 2.1. 1. Trong mặt phẳng phức cho hai điểm . Khi đó bằng phương tích của O với đường tròn đường kính . Nếu là bốn điểm phân biệt của mặt phẳng phức, thì 2.2.3 Công thức tính diện tích tam giác Diện tích của tam giác ABC định hướng, với các đỉnh được tính theo công thức Do đó thẳng hàng khi và chỉ khi . 2.2.4 Khoảng cách từ một điểm đến một đường thẳng Khoảng cách từ điểm đến đường thẳng bằng 2.2.5 Đường tròn Đường tròn tâm bán kính R là tập hợp những điểm M(z) sao cho tức là . Từ đó mọi đường tròn đều có phương trình dạng , trong đó . Đường tròn này có tâm với tọa vị , bán kính . 2.2.6 Mô tả các phép biến hình phẳng bằng ngôn ngữ số phức Phép dời hình. Phép tịnh tiến. Phép tịnh tiến theo véc-tơ là phép biến hình biến điểm M(z) thành điểm M'(z') sao cho Do đó, biểu thức của phép tịnh tiến là Phép quay. Phép quay tâm góc quay là phép biến hình biến M(z) thành điểm M'(z') mà . Từ đó, biểu thức của phép quay là Phép đối xứng trục. Phép đối xứng qua đường thẳng là phép biến hình biến mỗi điểm M(z) thành điểm M'(z') sao cho là trung trực của MM'. Từ đó Phép đối xứng qua trục thực: Phép đối xứng qua trục ảo: Do ( ở đây ) nên phép đối xứng qua đường thẳng đi qua gốc tọa độ O và điểm có biểu thức . Từ đó, nếu với thì phép đối xứng qua có biểu thức Hình 7 Hình 6 Phép vị tự. Phép vị tự tâm , tỷ số là phép biến hình biến mỗi điểm M(z) thành điểm M'(z') mà . Do đó, có biểu thức . 2.2.7 Điều kiện thẳng hàng, vuông góc và cùng nằm trên một đường tròn Định lý 2.3. Ba điểm thẳng hàng khi và chỉ khi hay . Định lý 2.4. Bốn điểm cùng nằm trên một đường thẳng hay đường tròn khi và chỉ khi Hệ quả 2.1. Bốn điểm cùng nằm trên một đường thẳng khi và chỉ khi Bốn điểm cùng nằm trên một đường tròn khi và chỉ khi . 2.2.8 Tích ngoài của hai số phức Trong mặt phẳng phức cho hai điểm . Khi đó Nếu có modul bằng , và có argument bằng thì Do đó . Từ đó, do nên suy ra . Tích ngoài của hai số phức cũng có các tích chất như tích ngoài của hai véc-tơ trong mặt phẳng, ngoài ra . Chương này mô tả một số kết quả của hình học phẳng bằng ngôn ngữ số phức và ba ứng dụng của số phức vào giải toán hình học phẳng. 2.3 Ứng dụng số phức giải toán chứng minh hình học và tính toán Ví dụ 1. Cho tam giác ABC. Trên BC lấy các điểm E và F sao cho . Tính Chứng minh các tam giác ABC, AEF có cùng trọng tâm. Trên AB lấy điểm D, trên AC lấy điểm I sao cho Chứng minh . Giải Tính . Ta viết . Từ giả thiết Từ đó ta có . Tính Ta viết . Từ giả thiết Từ đó ta có . Tính Ta có ; Suy ra Đẳng thức này chứng tỏ hai tam giác ABC và AEF có cùng trọng tâm. 3) Từ giả thiết ta tính được Sử dụng đã tính ở câu 1) ta có Hệ thức được chứng minh. Ví dụ 2. Cho lục giác đều ABCDEF, K là trung điểm của BD, M là trung điểm của EF. Chứng minh AMK là tam giác đều. Giải Giả sử mặt phẳng với hệ tọa độ vuông góc Oxy sao cho gốc tọa độ O trùng với đỉnh A của lục giác đều ABCDEF, trục hoành đi qua hai điểm A, D. Gọi I là tâm lục giác đều ABCDEF. Ta nhận thấy tứ giác BCDI là hình thoi nên K là trung điểm của CI. Ta có . Hình 8 Vì M là trung điểm của EF, K là trung điểm của CI, nên Từ đó suy ra , do đó tam giác KAM cân ( AK=AM), và có góc ở đỉnh nên KAM là tam giác đều. Ví dụ 3. (Bất đẳng thức Ptolemy). Cho tứ giác ABCD. Chứng minh rằng ta luôn có . Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi A, B, C, D theo thứ tự là đỉnh của một tứ một tứ giác lồi nội tiếp một đường tròn. Giải Xét mặt phẳng phức, gọi a, b, c, d là tọa vị các đỉnh A, B, C, D trong mặt phẳng phức. Ta có Dấu bằng xảy ra khi . Khi đó Hình 9 Vậy tứ giác ABCD nội tiếp đường tròn. Ví dụ 4. Cho tam giác ABC với trọng tâm G và một điểm M bất kì trong mặt phẳng. Chứng minh rằng . Giải Chọn đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC làm đường tròn đơn vị và giả sử . Vì G là trọng tâm của tam giác ABC nên tọa độ của G xác định bởi . Hình 10 Khi đó . Thay vào vế trái ta có Biến đổi biểu thưc trên với chú ý ta được Vậy ta có . Ví dụ 5. (Bài toán Napoleon). Lấy các cạnh của BC, CA, AB của tam giác ABC làm đáy, dựng ra ngoài các tam giác đều với tâm tương ứng . Chứng minh rằng là đỉnh của một tam giác đều. Giải Giả sử tam giác ABC định hướng dương. Gọi x là tọa vị của điểm X nào đó trong mặt phẳng. Ta có: Hình 11 Do theo thứ tự là trọng tâm của các tam giác nên Từ đó Suy ra điều phải chứng minh. Lời giải 2. Giả sử tam giác ABC định hướng âm. Gọi x là tọa vị của điểm X nào đó trong mặt phẳng. Ta có Từ đó điều đó có nghĩa tam giác đều. Ví dụ 6. (IMO 1977). Cho hình vuông ABCD. Dựng về phía trong hình vuông các tam giác đều ABK, BCL, CDM, DAN. Chứng minh rằng các trung điểm các đoạn thẳng KL, LM, MN, NK, BK, BL, CL, DM, DN, NA là đỉnh của một thập nhị giác đều. Giải Giả sử hình vuông ABCD định hướng dương. Chọn tâm O của hình vuông làm gốc, gọi x là tọa vị của điểm X trong mặt phẳng phức. Khi đó Đặt ta có Hình 12 Để ý rằng đa giác nhận O làm tâm đối xứng, do đó với f là phép quay tâm O, góc quay thì chỉ cần chứng minh là đủ. Ta có Khi đó, với thì Một cách tương tự, cũng được Ví dụ 7. (Đề vô địch Anh 1983). Cho tam giác ABC cân đỉnh A, gọi I là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC; D là trung điểm của AB và J là trọng tâm của tam giác ACD. Chứng minh rằng . Giải Hình 13 Chọn đường tròn tâm I làm đường tròn đơn vị. Giả sử . Vì A, B, C cùng thuộc đường tròn nên ta có và D là trung điểm của AB nên tọa vị của . Suy ra . Mặt khác, J là trọng tâm của tam giác ACD nên . Từ đó suy ra ( I là gốc tọa độ) Để chứng minh ta cần chứng minh . Thật vậy ta có Suy ra . Mặt khác AC = AB nên suy ra Suy ra , vậy . Ví dụ 8. ( IMO 17, 1975). Về phía ngoài của tam giác ABC, lần lượt dựng các tam giác ABR, BCP, CAQ sao cho . Chứng minh rằng . Giải Ta xét bài toán trong mặt phẳng phức. Gọi M là chân đường vuông góc hạ từ điểm P xuống đường thẳng BC. Ta quy ước chữ cái thường là tọa vị của đỉnh tương ứng, chẳng hạn a là tọa vị của A. Vì MP = MB và nên Do đó Tương tự ta cũng tính được Điểm B nhận được từ điểm A bằng phép quay tâm R, góc quay . Do đó . Từ đó, bằng các phép biến đổi đại số, ta được . Suy ra QR vuông góc với PR hay . Hơn nữa, Bên cạnh các bài toán chứng minh vuông góc, số phức cũng tỏ ra hiệu quả trong các bài toán về thẳng hàng, đồng quy. Ví dụ 9. Cho ABCD và BNMK là hai hình vuông không giao nhau, E là trung điểm của AN. Gọi F là chân đường vuông góc hạ từ B xuống đường thẳng CK. Chứng minh rằng các điểm E, F, B thẳng hàng. Giải Ta xét bài toán trong mặt phẳng phức. Chọn F làm gốc tọa độ và CK, FB lần lượt là trục hoành và trục tung. Gọi lần lượt là tọa vị của các điểm C, K, B với . Phép quay tâm B, góc quay biến điểm C thành điểm A, do đó A có tọa vị là . Tương tự, điểm N có tọa vị là . Từ đó suy ra tọa cị của điểm E, trung điểm của đoạn thẳng AN là . Từ đó suy ra điểm E nằm trên đường thẳng FB hay các điểm E, F, B thẳng hàng. Ví dụ 10. Trên các cạnh AB, BC, CA của tam giác ABC ta lần lượt dựng các tam giác đồng dạng có cùng hướng là ADB, BEC, CFA. Chứng minh rằng các tam giác ABC và DEF có cùng trọng tâm. Giải Ta quy ước chữ cái thường là tọa vị của đỉnh tương ứng, chẳng hạn a là tọa vị của A. Vì ADB, BEC, CFA là các tam giác đồng dạng cùng hướng nên . Do đó Hay các tam giác ABC và DEF có cùng trọng tâm. Ví dụ 11. ( Định lí con nhím). Trong mặt phẳng cho đa giác đơn . Xét các véc-tơ , hướng ra ngoài miền đa giác đơn. Chứng minh rằng . Giải Nếu đa giác đó được định hướng thuận thì có được do quay véc-tơ góc nên có tọa vị ( coi là điểm của mặt phẳng phức có tọa độ ). Vậy có tọa vị Ví dụ 12. (Đường tròn Euler và đường thẳng Euler). Cho tam giác có tâm đường tròn ngoại tiếp là O, trực tâm H, trọng tâm G. Gọi lần lượt là trung điểm các cạnh ; là chân đường cao hạ từ hạ từ xuống các đỉnh tương ứng; là trung điểm của đoạn thẳng nối từ đỉnh với trực tâm của tam giác. Chứng minh rằng H, O, G thẳng hàng và đường thẳng đi qua ba điểm này gọi là đường thẳng Euler. Chín điểm , , thuộc một đường tròn, gọi là đường tròn Euler. Giải Xét bài toán trong mặt phẳng phức. Chọn tâm O làm gốc tọa độ, đường tròn ngoại tiếp tam giác là đường tròn đơn vị, ta quy ước chữ cái thường là tọa vị của các đỉnh tương ứng. 1) Ta có Lấy là điểm đối xứng tâm đường tròn qua dây , vậy là hình thoi, do đó . Mặt khác, xét H là đỉnh hình bình hành . Khi đó . Do đó , tức là và H, O, G thẳng hàng. Ta có . Do là chân đường cao hạ từ hạ từ xuống các đỉnh tương ứng nên Mặt khác là trung điểm của đoạn thẳng nối từ đỉnh với trực tâm của tam giác, ta có Gọi E là trung điểm của . Khi đó . Do tính đối xứng của e đối với thì E cũng chính là điểm giữa các đoạn thẳng . Dễ thấy . Do đó 6 điểm , nằm trên cùng một đường tròn w tâm E có bán kính bằng nửa bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác . Ta cũng thấy E nằm trên đường thẳng Euler và , nghĩa là E nằm giữa trực tâm và tâm đường tròn ngoại tiếp. Ta xét Do đó cũng nằm trên đường tròn w tâm E có bán kính bằng nửa bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác . Tương tự với . Vậy đường tròn tâm E đi qua chín điểm của tam giác. 2.4 Ứng dụng số phức giải toán dựng hình Ví dụ 1. Cho đường tròn tâm O bán kính R và hai dây cung AB, CD. Tìm điểm X trên đường tròn sao cho Giải Giả sử mặt phẳng với hệ tọa độ vuông góc Oxy sao cho gốc tọa độ trùng với tâm đường tròn đã cho. Ta xét trường hợp hai dây cung AB, CD không cắt nhau tại trung điểm của mỗi đường. Ta có Gọi I, J lần lượt là trung điểm của AB, CD thì . Từ đó và các hệ thức trên ta được Đặt thì Do đó Suy ra điểm X là giao của đường tròn đã cho với đường thẳng d đi qua gốc tọa độ O và vuông góc với đường thẳng JI. Ví dụ 2. Cho tam giác ABC với trọng tâm G, M là điểm bất kì thuộc mặt phẳng tam giác. Chứng minh rằng: . Hãy tìm trong tam giác ABC điểm M sao cho là nhỏ nhất. Giải Không làm mất tính tổng quát ta có thể giả thiết rằng trọng tâm G của tam giác ABC trùng với gốc tọa độ O. Trên mặt phẳng tọa độ phức, giả sử tọa độ của các đỉnh là Vì G là trọng tâm tam giác ABC nên suy ra tọa độ của G là mà nên suy ra . Ta có Tính từng số hạng theo công thức , ta có Cộng các đẳng thức trên, vế với vế ta được Do suy ra . Từ đó suy ra . Do đó ta có Vậy ta có Ta có Vậy nhỏ nhất khi và chỉ khi nhỏ nhất khi và chỉ khi , nghĩa là M là trọng tâm của tam giác ABC. Ví dụ 3. Trong tất cả các tam giác nội tiếp trong cùng một đường tròn cho trước, hãy tìm tam giác có tổng bình phương các cạnh là lớn nhất. Giải Dựng hệ tọa độ vuông góc Oxy sao cho gốc tọa độ O trùng với tâm đường tròn. Gọi G là trọng tâm G tam giác ABC, ta có Từ đó suy ra tổng lớn nhất khi và chỉ khi hay tam giác ABC đều và tổng lớn nhất đó bằng . Ví dụ 4. Cho tam giác ABC nội tiếp đường tròn w. Gọi là trung điểm cạnh BC và là hình chiếu của trên tiếp tuyến của w tại A. Các điểm được xác định một cách tương tự. Chứng minh rằng các đường thẳng đồng quy. Hãy xác định vị trí hình học của điểm đồng quy. Giải Không mất tính tổng quát, coi w là đường tròn đơn vị. Gọi w là tọa vị của điểm W trong mặt phẳng phức. Ta có và đường thẳng là đường thẳng đi qua , song song với OA, do đó có phương trình Do nên phương trình được viết lại dưới dạng hay Gọi N là tâm đường tròn Euler của tam giác, thì do đó đi qua N. Tương tự cũng có đi qua N. Hình 15 2.5 Ứng dụng số phức giải toán quỹ tích Ví dụ 1. Cho tam giác ABC, trong đó các đỉnh B, C cố định, đỉnh A thay đổi. Tìm quỹ tích các trung điểm M, N của các cạnh tương ứng AB, AC và trọng tâm G của tam giác ABC trong các trường hợp: Độ dài đường cao AA' không đổi. Chân A' của đường cao AA' cố định. Độ dài đường cao AA' không đổi. Giải a) Độ dài đường cao AA' không đổi. Giả sử mặt phẳng với hệ tọa độ vuông góc Descartes Oxy sao cho gốc tọa độ trùng với trung điểm cạnh BC, trục hoành đi qua hai đỉnh B, C. + Quỹ tích các trung điểm M, N tương ứng của các cạnh AB, AC. Ta có: B = -C, AA' = h = const => A = x + ih (- < x < +) Do đó M = (B + x + ih) = (-C + x + ih), N = (C + x + ih). Suy ra các điểm M, N chuyển động trên đường thẳng song song với trục hoành có phương trình z =(x' + ih), -< x' < +, và cách trục hoành một khoảng bằng h, khoảng cách giữa M và N luôn bằng |M - N| =| (-C + x + ih) -(C + x + ih)| = |C|. + Quỹ tích trọng tâm G của tam giác ABC. Vì G là trọng tâm của tam giác ABC nên G = (A + B + C) = A = (x + ih), -< x < + Suy ra, G chuyển động trên đường thẳng có phương trình z = (x + ih), -< x <+, song song với trục hoành và cách trục hoành một khoảng bằng h. b) Chân A' của đường cao AA' cố định. Ta có A = A' + iy, - < y < +, do đó M = (A + B) = (B + A' + iy) N = (A + C) = (C + A' + iy) G = (A + B + C) = (A' + iy). Từ đó suy ra Điểm M chuyển động trên đường thẳng vuông góc với trục Ox, đi qua điểm (A' + B) thuộc trục Ox và có phương trình z = (A' + B) + iy. Điểm N chuyển động trên đường thẳng vuông góc với trục Ox, đi qua điểm (A' + C) thuộc trục Ox và có phương trình z = (A' + C) + iy. Điểm G chuyển động trên đường thẳng vuông góc với trục Ox, đi qua điểm A' thuộc trục Ox và có phương trình z = A' + iy. Ví dụ 2: Cho hình bình hành ABCD. Chứng minh rằng: là hằng số, không bị phụ thuộc vị trí điểm M. Tìm tập hợp điểm M sao cho (k là số thực). Giải Đặt giao điểm hai đường chéo của hình bình hành trùng với gốc tọa độ O. Chứng minh không phụ thuộc vào vị trí điểm M. Ta tính là bình phương của modun các số phức . Tương tự Từ đó không đổi. b) Tìm tập hợp điểm M sao cho: Sử dụng các kết quả tính được ở phần trên ta có Từ đó . Ví dụ 3. Cho đường tròn (C) đường kính AB = 2R, điểm M chuyển động trên (C), A' là điểm đối xứng của A qua M. Tìm tập hợp điểm A' và trọng tâm G của tam giác A'AB. Giải Chọn hệ tọa độ Oxy sao cho gốc tọa độ O trùng với tâm đường tròn (C) đã cho, trục hoành đi qua các điểm A, B. * Tập hợp các điểm A' Ta có . Suy ra, điểm A' chuyển động trên đường tròn tâm B, bán kính 2R. * Tập hợp trọng tâm G của tam giác A'AB. Gọi G là trọng tâm của tam giác A'AB. Ta có Suy ra , trong đó . Do đó. Vậy điểm G chuyển động trên đường tròn tâm tại , bán kính . Hình 16 Ví dụ 4. Cho nửa đường tròn có đường kính AB = 2R cố định. Điểm C chuyển động trên nửa đường tròn. Về phía ngoài tam giác ABC dựng tam giác ACD vuông cân ở A. Tìm tập hợp điểm D. Giải Đặt đoạn AB = 2R trên trục thực, điểm A trùng với gốc tọa độ O. Tam giác ACD vuông ở A và nằm ở phía ngoài tam giác ABC nên . Điểm C chuyển động trên nửa đường tròn đường kính AB nên Do đó . và theo công thức nhân hai số phức dưới dạng lượng giác ta có Vậy tập hợp điểm D là nửa đường tròn bên trái của đường tròn tâm , bán kính R. Hình 17 Ví dụ 5. Cho đường tròn (C) tâm O, bán kính R, BC là dây cung cố định không phải là đường kính của đường tròn (C), điểm A chuyển động trên cung lớn BC. Tìm tập hợp trọng tâm G của tam giác ABC. Giải Giả sử mặt phẳng với hệ tọa độ vuông góc Oxy sao cho gốc tọa độ O trùng với tâm đường tròn (C), trục hoành song song với dây cung BC. Do đó trục tung vuông góc với BC và đi qua trung điểm I của BC. Ta có Trong đó . Vậy G chuyển động trên đường tròn tâm J bán kính . Vì A chuyển động trên cung lớn BC nên G chuyển động trên một cung tròn của đường tròn tâm J bán kính . KẾT LUẬN Có thể nói rằng, số phức tuy không phải là nội dung mới của Toán học song nó là một vấn đề rất mới mẻ và tương đối phức tạp với các em HS bậc Trung học phổ thông, đặc biệt là ứng dụng số phức vào giải toán hình học phẳng, hơn nữa đây lại là một vấn đề mà trong thực tế giảng dạy hiện nay chưa được quan tâm, chưa được chú trọng bồi dưỡng cho các em khá giỏi.. Tuy nhiên, việc sử dụng số phức như một công cụ giải toán không những mang lại cho học sinh một phương pháp giải toán mới mà góp phần đáng kể vào việc rèn luyện kĩ năng bồi dưỡng năng lực giải toán của HS, đặc biệt là giải toán hình học phẳng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Đoàn Quỳnh (1997), Số phức với hình học phẳng, NXB Giáo dục. [2]. Nguyễn Văn Mậu – chủ biên (2009), Chuyên đề số phức và áp dụng, NXB ĐH Quốc Gia Hà Nội. [3]. Nguyễn Hữu Điển (2000), Phương pháp số phức và hình học phẳng, NXB ĐH Quốc Gia Hà Nội. [4]. Võ Thanh Vân - chủ biên (2009), Lê Hiển Dương, Nguyễn Ngọc Giang, Chuyên đề ứng dụng số phức trong giải toán THPT, NXB ĐH Sư Phạm. [5]. Nguyễn Phụ Hy (2006), Ứng dụng giải tích để giải toán THPT, tập 2, NXB giáo dục. [6]. A.I. Markusevits (1987), Số phức và ánh xạ bảo giác, NXB Khoa học và kĩ thuật. [7]. Liang-shin Hahn, Complex and Geometry, The Mathematical Association of America. [8]. Nguyễn Văn Khuê, Lê Mậu Hải (2001), Hàm số biến số phức, NXB ĐH Quốc Gia Hà Nội. [9]. Titu Andreescu, Dorin Andrica (2002), Complex numbers from A to–Z. [10]. Http//:www.mathscope.com.vn [11].