Luận văn Số phức và ứng dụng trong chiến lược giải toán bậc trung học phổ thông

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HÀ PHƯỚC ANH KHOA SỐ PHỨC VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHIẾN LƯỢC GIẢI TOÁN BẬC TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Chuyên ngành: Phương pháp Toán sơ cấp Mã số: 60.46.40 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Đà Nẵng - 2011 2 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN DUY THÁI SƠN Phản biện 1: ……………………………………… Phản biện 2: …………………………………….... Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ khoa học họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày…. tháng …. năm 2011. * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Thư viện trường Đại học Sư Phạm, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn ñề tài Số phức có thể ñược dùng như một công cụ hữu hiệu ñể giải quyết nhiều bài toán, cả trong ñại số, hình học lẫn lượng giác, tổ hợp... Với sự trở lại của Số phức trong chương trình trung học phổ thông, nhiều vấn ñề của Toán sơ cấp có thể ñược trình bày rõ ràng và ñầy ñủ hơn. Chương trình Toán học ở bậc trung học phổ thông của hầu hết các nước ñều có phần kiến thức số phức. Ở nước ta, sau nhiều lần cải cách, nội dung số phức cuối cùng cũng ñã ñược ñưa trở lại vào chương trình Giải tích 12 (với dung lượng còn khá khiêm tốn). Vì nhiều lý do khác nhau, không ít học sinh (thậm chí là học sinh khá, giỏi) sau khi học xong phần số phức cũng chỉ hiểu một cách ñơn giản: sử dụng số phức ta có thể giải mọi phương trình bậc hai, tính ñược một vài tổng ñặc biệt… Trên thực tế, trong các kỳ thi học sinh giỏi quốc gia, Olympic khu vực, Olympic quốc tế, có khá nhiều dạng toán có liên quan (thường là gián tiếp) ñến số phức. Có thể nói phương pháp giải các dạng toán như thế vừa mang tính tổng hợp cao vừa mang tính ñặc thù sâu sắc. Việc sử dụng số phức trong nghiên cứu, khảo sát hình học phẳng tỏ ra có nhiều thuận lợi, nhất là trong việc xem xét các vấn ñề liên quan ñến các phép biến hình cùng với hình học của chúng. Dùng số phức ta cũng có thể tìm ñược lời giải hữu hiệu, tự nhiên (nhưng không kém phần ñộc ñáo) cho nhiều hệ phương trình với ẩn số thực 4 (mà nếu chỉ nhìn thoáng qua, ít ai nghĩ ñến việc vận dụng số phức). Số phức còn cho ta cách giải quyết một loạt các bài toán trong số học, tổ hợp và lượng giác mà nếu dùng phương pháp thông thường tình huống sẽ trở nên phức tạp hơn... Được sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Duy Thái Sơn, tôi chọn ñề tài: “Số phức và Ứng dụng trong Chiến lược giải toán bậc trung học phổ thông” với mong muốn tìm hiểu sâu về số phức và ứng dụng của số phức trong việc khai phá các phương pháp giải toán bậc THPT. 2. Mục ñích và nhiệm vụ nghiên cứu Chúng tôi tìm kiếm tài liệu từ các nguồn khác nhau, nghiên cứu kỹ càng các tài liệu ñó, cố gắng lĩnh hội ñầy ñủ các kiến thức cũ và mới về số phức ñể có thể trình bày lại các kiến thức ñó trong luận văn này theo một thể khép kín và hy vọng luận văn có thể ñược sử dụng như một tài liệu tham khảo bổ ích cho giáo viên và học sinh các trường trung học phổ thông. Trong chương 1 của luận văn này, chúng tôi trình bày sơ lược lịch sử về số phức, các kiến thức về số phức và các công thức ứng dụng số phức trong hình học. Trong chương 2, chúng tôi trình bày các ứng dụng của số phức trong giải phương trình, hệ phương trình, trong tổ hợp và lượng giác. Trong chương 3, chúng tôi trình bày các ứng dụng của số phức ñể giải các bài toán hình học. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Số phức và ứng dụng của số phức trong giải toán. 5 Phạm vi nghiên cứu: Số phức trong các mối liên hệ với hình học, phương trình, hệ phương trình, tổ hợp, lượng giác thuộc phạm vi chương trình Toán THPT. 4.Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu tài liệu, phân tích, giải thích, ñánh giá, tổng hợp. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài Xây dựng ñược một giáo trình có tính hệ thống với thời lượng thu gọn, có thể dùng ñể giảng dạy về số phức và ứng dụng của số phức cho học sinh chuyên toán bậc trung học phổ thông. Xây dựng ñược một hệ thống các bài toán với các mức ñộ khó dễ khác nhau. 6. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở ñầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn này còn ñược chia làm ba chương. Chương 1. Các kiến thức cơ bản về số phức. Trong chương này, chúng tôi trình bày sơ lược lịch sử về số phức, các kiến thức về số phức và các công thức ứng dụng số phức trong hình học. Chương 2. Ứng dụng của số phức trong giải hệ phương trình, trong tổ hợp và lượng giác. Chương 3. Ứng dụng của số phức ñể giải các bài toán hình học. 6 Chương 1 CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ SỐ PHỨC 1.1 Đôi dòng lịch sử 1.2 Các kiến thức cơ bản về số phức 1.2.1 Khái niệm số phức Một biểu thức có dạng a bi+ , trong ñó a và b là những số thực, ñược gọi là một số phức. Số a ñược gọi là phần thực (kí hiệu a =Re z ), còn số b ñược gọi là phần ảo (kí hiệu b = Im z ) của số phức z = a bi+ . 1.2.2 Mặt phẳng phức Một số phức z = a bi+ ñược biểu diễn hình học bởi một ñiểm M ( ),a b trên mặt phẳng tọa ñộ vuông góc Descartes ( 1 2, ,O e e ur uur ) với gốc là ñiểm O và 2 vectơ ñơn vị 1 2,e e ur uur vuông góc tại O (ngắn gọn: mặt phẳng tọa ñộ). Điểm M ( ),a b ñược gọi là tọa vị của số phức z = a bi+ . 1.2.3 Các phép toán trên trường số phức Hai số phức a bi+ và c di+ ñược gọi là bằng nhau nếu phần thực và phần ảo của chúng bằng nhau: . a c a bi c di b d = + = + ⇔ =    Tổng của hai số phức 1z a bi= + và 2 c diz = + là số phức dạng 1 2: ( ) ( ) .z z z a c b d i= + = + + + Số phức 0 : 0 .0i= + là số phức duy nhất thỏa 0 0z z z+ = + = , với mọi số phức z . 7 Với mọi số phức z a bi= + , số phức ñối ( ) ( ):z a b i− = − + − là số phức duy nhất mà ( ) ( ) 0. z z z z+ − = − + = Hiệu của hai số phức 1z a bi= + và 2z c di= + là số phức dạng 1 2: ( ) ( ) .z z z a c b d i= − = − + − Tích của hai số phức 1z a bi= + và 2z c di= + là số phức 1 2: ( ) ( ) .z z z ac bd ad cb i= = − + + Tồn tại duy nhất một số phức 1:= 1 + 0i mà .1 1. z z z= = , với mọi số phức .z Nghịch ñảo của số phức z = a bi+ ≠ 0 là số phức 2 2 2 2 1 ( )( ) 1 a bi a b i a bi a bi a bi a b a bz − = = = − + + − + + ; Thương của hai số phức 1z a bi= + và 2z c di= + , 2 0z ≠ là số phức dạng 1 2 2 2 ( )( ) ( ) : ( )( ) z a bi a bi c di ac bd bc ad i z z c di c di c di c d + + − + + − = = = = + + − + 2 2 2 2 ( ) . ac bd bc ad i c d c d + − = + + + Tập hợp tất cả các số phức tạo thành một trường với các phép toán cộng, nhân hai số phức, và nghịch ñảo của số phức như trên. Tập hợp tất cả các số phức (trường số phức) ñược kí hiệu là
, là một trường, nhận
làm một trường con. 8 1.2.4 Số phức liên hợp Số phức a bi− ñược gọi là số phức liên hợp của số phức a bi+ ( ),a b∈
và ñược kí hiệu là z . Như vậy, số phức z trở thành một số thực khi và chỉ khi z là liên hợp với chính nó: .z z= Từ ñịnh nghĩa các phép toán của hai số phức và ñịnh nghĩa số phức liên hợp ta suy ra 1.2.5 Lũy thừa bậc n của số phức Lũy thừa bậc n của số phức z có thể tính theo công thức ( )n nz a bi= + = 2 2 2 4 4 4 1 1 3 3 3 5 5 5 ... ... n n n n n n n n n n n a C a b C a b i C a b C a b C a b− − − − −− + − + − + −       Công thức Moivre: (cos sin ) (cos sin )ni n i nϕ ϕ ϕ ϕ+ = + 1.2.6 Căn bậc n của một số phức Ta ñịnh nghĩa căn bậc n ( n là số tự nhiên) của một số phức z (kí hiệu là n z ) là những số phức u mà luỹ thừa bậc n của u bằng z . Ta có nnu z u z= ⇔ = Khi r =1 thì 2 2 cos sin , 0,1, 2,... 1k k k z k n n n ϕ pi ϕ pi+ + = + = − Mỗi số phức có ñúng n giá trị căn bậc n . 1.3 Các công thức dùng trong việc ứng dụng số phức vào giải toán hình học. 9 1.3.1 Các kiến thức bổ trợ 1. Một số phức z = a bi+ ñược biểu diễn hình học bởi một ñiểm M ( ),a b trên mặt phẳng tọa ñộ vuông góc Descartes ( 1 2, ,O e e ur uur ) với gốc là ñiểm O và 2 vectơ ñơn vị 1 2,e e ur uur vuông góc tại O (ngắn gọn: mặt phẳng tọa ñộ). Điểm M ( ),a b ñược gọi là tọa vị của số phức z = a bi+ . 2. Khi làm việc với các phép biến hình (mà ta thường ký hiệu là 1 2; ; ;...F F F ), các ñiểm trên mặt phẳng ñược ký hiệu bởi 1 2, , , ...M N M M còn ảnh của chúng qua phép biến hình sẽ ñược ký hiệu bởi ' ' ' '1 2, , , ...M N M M Vì thế, nếu M là tọa vị của số phức z thì ảnh 'M của M qua một phép biến hình F nào ñó là tọa vị của một số phức mà ta sẽ ký hiệu là 'z . Hơn nữa, ñôi khi, ñể ñơn giản, ta ñồng nhất các số phức , , , ...a b c d với các tọa vị A, B, C, D của chúng. Bằng cách như vậy, thay vì viết: AB CD
khi và chỉ khi a b c d a b c d − − = − − ta cho phép viết ab cd
khi và chỉ khi a b c d a b c d − − = − − . Chúng ta có các công thức về phép biến hình ñơn giản sau: - Phép ñối xứng qua gốc tọa ñộ O: ' - .z z= 10 - Phép ñối xứng qua trục Ox: 'z = z . - Phép tịnh tiến theo véctơ OA uuur : 'z z a= + . - Phép quay góc lượng giác α xung quanh gốc tọa ñộ O: 'z pz= trong ñó cos sinp iα α= + - Phép vị tự tâm O tỉ số k: 'z kz= . - Phép quay góc lượng giác α xung quanh gốc tọa ñộ O rồi tiếp theo, phép vị tự tâm O tỉ số k: 'z pz= với (cos sin )p k iα α= + . Phép ñối xứng qua ñiểm A: ' 2z a z= − . - Phép quay góc lượng giác α xung quanh A. Ta có 1 1' hay ' ( )z pz z a p z a= − = − với cos sinp iα α= + . - Phép quay góc lượng giác α xung quanh A rồi tiếp theo, phép vị tự tâm A tỉ số k: '- .( - ) z a p z a= với (cos sin )p k iα α= + 1.3.2 Các công thức và ñịnh lí Khi chúng ta không thể giải một vài vấn ñề trong hình học phẳng, một lời khuyên là chúng ta thử giải bằng cách tính toán. Đó là một vài kỹ thuật ñể làm tính toán thay cho hình học. Đó là ứng dụng của số phức trong hình học. Mặt phẳng sẽ là mặt phẳng phức và mỗi ñiểm sẽ tương ứng là một số phức. Bởi thế các ñiểm sẽ ñược thường xuyên kí hiệu như những chữ cái thường , , , a b c d ,..., như các số phức. Định lí 1. • ab cd
⇔ a b c d a b c d − − = − − với ( ), .a b c d≠ ≠ 11 • , , a b c ⇔ a b a c a b a c − − = − − với { }( ), .a b c∉ • ab cd⊥ ⇔ a b c d a b c d − − = − − − với ( ), .a b c d≠ ≠ •
acbϕ = (từ a ñến b theo chiều dương) ⇔ i c b c a e c b c a ϕ− − = − − . Định lí 2. Các tính chất của ñường tròn ñơn vị: • Với một dây cung ab ta có a b ab a b − = − − với ( ); 1 .a b a b≠ = = • Nếu c nằm trên ñường thẳng chứa dây cung ab thì a b c c ab + − = với ( )1 .a b= = • Giao ñiểm của các tiếp tuyến tại các ñiểm a và b của ñường tròn ñơn vị là ñiểm 2ab a b+ . •Chân ñường cao từ một ñiểm tùy ý c ñến dây cung ab là ñiểm ( )1 2 p a b c abc= + + − . • Giao ñiểm của dây cung ab và cd là ñiểm ( ) ( )ab c d cd a b ab cd + − + − . 12 Định lí 3. Các ñiểm , , , a b c d thẳng hàng hay cùng thuộc một ñường tròn khi và chỉ khi :c b c d a b a d ∗− − ∈ − −
. Cụ thể • Các ñiểm , , , a b c d thẳng hàng khi và chỉ khi , c b c d a b a d ∗ ∗− − ∈ ∈ − −

. • Các ñiểm , , , a b c d cùng thuộc một ñường tròn khi và chỉ khi : a c a d b c b d ∗− − ∈ − −
nhưng , . c b c d a b a d ∗ ∗− −∉ ∉ − −

Định lí 4. • Tam giác abc và pqr ñồng dạng và cùng chiều khi và chỉ khi a c p r b c q r − − = − − . • Tam giác abc và pqr ñồng dạng và ngược chiều khi và chỉ khi a c p r b c q r − − = − − . Định lí 5. Diện tích của tam giác abc bằng môñun của ñịnh thức ( ) 1 1 . 4 4 1 a a i ib b ab bc ca ab bc ca c c = + + − − − 13 Định lí 6. •Điểm c chia ñoạn thẳng ab theo tỉ số 1λ ≠ − ⇔ 1 a b c λ λ + = + • Điểm t là trọng tâm tam giác abc ⇔ 3 a b c t + + = . • Với trực tâm h và tâm o ñường tròn ngoại tiếp tam giác abc ta có: 2h o a b c+ = + + . Định lí 7. Giả sử rằng ñường tròn ñơn vị là nội tiếp trong tam giác abc và nó tiếp xúc với các cạnh , , bc ca ab tương ứng tại , , p q r . • Ta có 2 2, qr rpa b q r r p = = + + và 2pqc p q = + . • Tâm o ñường tròn ngoại tiếp tam giác abc : 2 ( ) ( )( )( ) pqr p q r o p q q r r p + + = + + + . • Trực tâm h của tam giác abc là : ( ) ( )( )( ) 2 2 2 2 2 22 ( )p q q r r p pqr p q r h p q q r r p + + + + + = + + + Định lí 8. • Tam giác abc nội tiếp trong một ñường tròn ñơn vị có những số , , wu v sao cho 2 2 2, , wa u b v c= = = , và , , uv vw wu− − là trung ñiểm của các cung , , , ab bc ca (tương ứng) mà không chứa , , c a b . 14 • Với tam giác nêu trên thì tâm ñường tròn nội tiếp của nó là ( )i uv vw wu= − + + . Định lí 9. Giả sử rằng tam giác∆ với một ñỉnh là 0, hai ñỉnh còn lại là x và y . •Nếu h là trực tâm của tam giác ∆ thì ( )( )xy x y x y h xy xy + − = − . •Nếu o là tâm ñường tròn ngoại tiếp của ∆ thì ( )xy x y o xy xy − = − . Chương 2 CÁC ỨNG DỤNG CỦA SỐ PHỨC TRONG GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH, LƯỢNG GIÁC VÀ TỔ HỢP 2.1 Ứng dụng số phức trong giải các phương trình, hệ phương trình Một số hệ phương trình có thể “xuất xứ “ từ các phương trình nghiệm phức. Bằng cách ñi ngược lại quá trình từ phương trình→hệ phương trình, ta sẽ ñược quá trình hệ phương trình → phương trình. Giải phương trình, so sánh phần thực và phần ảo, ta sẽ ñược nghiệm của hệ phương trình. Bài toán 2.1.1. Giải hệ phương trình 13 (1 ) 2 1 7 (1 ) 4 2 x x y y x y + = + − = +      15 Bài toán 2.1.2. Giải hệ phương trình 12(1 ) 2 3 12(1 ) 6 x x y y x y − = + + = +      Bài toán 2.1.3. Giải hệ phương trình 2 2 2 2 3 3 3 0 x y x x y x y y x y − + = + + − = +      Bài toán 2.1. 4. Giải hệ phương trình 3 2 2 3 3 1 3 3 x xy x y y − = − = −    Vậy là chúng ta ñã khảo sát ví dụ về giải hệ phương trình, bây giờ câu hỏi ñặt ra là ta có thể sáng tác các hệ phương trình này như thế nào? Câu trả lời là hoàn toàn có thể. Bài toán mở rộng 1. Cho z ax byi= + với , a b là các số thực tuỳ ý. Với số phức tùy ý iα β+ , ta xác ñịnh , x y sao cho 3z iα β= + . Khi ñó, chúng ta có: ( )33 3 3 2 2 2 2 2 3 3 33 3z ax byi a x a x byi axb y i b y i= + = + + + 3 3 2 2 2 2 3 3( 3 ) (3 )a x axb y a x by b y i= − + − Khi ñồng nhất phần thực và phần ảo ta có hệ phương trình : 3 3 2 2 2 2 3 3 3 3 a x ab xy a bx y b y α β  − =  − = 16 Với bài toán này nếu chúng ta dùng 2z thì chúng ta ñưa về bài toán tìm căn bậc hai của một số phức ñược trình bày trong sách giáo khoa 12 hiện hành. Bài toán mở rộng 2. Ta nhắc lại rằng nghiệm ( , )x y của hệ mà chúng ta phải giải sẽ ñược biểu diễn dưới dạng z x yi= + , (hoặc z u iv= + , với u là hàm số ñơn giản chứa x , v là hàm số ñơn giản chứa y ). Gọi 1 2, zz là hai số phức bất kì chúng ta cho trước ñể trở thành nghiệm của hệ phương mà chúng ta sắp sáng tác. Khi ñó chúng ta sẽ ñi từ phương trình: ( ) ( )1 2. 0z z z z− − = 2 1 2 1 2( ) 0z z z z z z⇔ − + + = 1 2 1 2 z z z z z z ⇒ + = + 1 2 1 22 .z z z z z z z ⇒ + = + Do z x yi= + và 1 2 1 2, ' ' ,z z i z z iα β α β= + + = + Khi ñó ta sẽ viết lại thành phương trình: 2 2 ( )( ) ' ' i x yi x yi i x y α β α β+ −+ + = + + 2 2 2 2 ' ' x y x x y x y y x y α β α β α β + + = + ⇔ − + = +      Và tùy vào mỗi bài chúng ta có thể làm phức tạp hơn khi cho z u iv= + , với , u v là các hàm số biễu diễn , x y . 17 Các bài tập tương tự Bài toán 2.1.5. Giải phương trình 2 2 2 2 8 2 1 4 9 2 4 1 4 9 x y x x y x y y x y − + + = + + + = +      Bài toán 2.1.6. Giải phương trình 2 2 4 2 2 4 2 4 2 2 2 4 2 x y x x y x y y x y − + = + + − = − +       2.2 Ứng dụng của số phức trong tổ hợp Một trong những ứng dụng của số phức vào tổ hợp ñó là tính tổng của một dãy hữu hạn mà trong ñó nếu dùng phương pháp thông thường thì có lẽ khá phức tạp. Bài toán 2.2.1. Chứng minh các ñồng nhất thức 1) na = [ ]/ 3 0 3 6 3 0 1 ... 2 2cos 3 3 n k n n n n n k n C C C C pi = + + + = = +       ∑ 2) nb = 1 4 7 1 ( 2) ... 2 2cos 3 3 n n n n n C C C pi− + + + = +       3) nc = 2 5 8 1 ( 4) ... 2 2cos 3 3 n n n n n C C C pi− + + + = +       4) 3 3 3 3 2n n n n n n n a b c a b c+ + − = 5) 2 2 2 1 n n n n n n n n n a b c a b b c c a+ + − − − = 18 6) 1 (mod 3) 2 (mod 3) 0 (mod 3) n n n n n n a b n a c n c b n = ⇔ ≡ = ⇔ ≡ = ⇔ ≡ Bài toán 2.2.2. Chứng minh các ñồng nhất thức 1) 0 4 8 1 21... 2 2 cos 2 4 n n n n n n C C C pi −+ + + = +       2) 1 5 9 1 21... 2 2 sin 2 4 n n n n n n C C C pi −+ + + = +       3) 2 6 10 1 21... 2 2 os 2 4 n n n n n n C C C c pi −+ + + = −       4) 3 7 11 1 21... 2 2 sin 2 4 n n n n n n C C C pi −+ + + = −       2.3 Ứng dụng của số phức trong lượng giác Một trong những ứng dụng của số phức vào lượng giác ñó là tính tổng của một dãy hữu hạn và ñôi khi dùng số phức ta sẽ có những cách giải thú vị. Bài toán 2.3.1. Chứng minh rằng với mọi số tự nhiên n, ta có n 2 n-2 2 4 n-4 4 6 n-6 6 osn =cos os sin os sin os sin ... n n n c C c C c C cα α α α α α α α− + − + 1 -1 3 -3 3 5 -5 5 sin cos sin cos sin cos sin ...n n n n n n n C C Cα α α α α α α= − + − Bài toán 2.3.2. Chứng minh các ñẳng thức sau: 1) 1 2 2m 2 2 0 2 os 2 os(2m - 2k ) m m k m m m k c C c Cϕ ϕ − = = +∑ 19 2) 1 2 2m 2 2 0 2 sin ( 1) 2 os(2m - 2k ) m m m k k m m m k C c Cϕ ϕ − + = = − +∑ 3) 2 2m+1 2 1 0 2 os os(2m - 2k+1 ) m m k m k c C cϕ ϕ+ = =∑ 4) 1 2 2m+1 2 0 2 sin ( 1) sin(2m - 2k +1 ) m m m k k m k Cϕ ϕ − + = = −∑ Chương 3 ỨNG DỤNG CỦA SỐ PHỨC TRONG HÌNH HỌC Số phức có ứng dụng to lớn và hiệu quả trong các bài toán hình học. Bằng cách biểu diễn tọa ñộ các ñiểm của một hình hình học bằng số phức, ta có thể biểu diễn các ñiều kiện ñề bài có bản chất hình học bằng các ñẳng thức ñại sốvà chuyển kết luận hình học của bài toán về các ñẳng thức số. Như vậy, bài toán chứng minh hình học có thể ñưa về việc kiểm tra một hằng ñẳng thức, hoặc một hằng ñẳng thức có ñiều kiện. 3.1. Số phức và vectơ. Phép quay Mục này chứa những vấn ñề là sử dụng các tính chất chính của số phức như là vectơ (Định lí 6) và hệ quả của phần cuối của ñịnh lí 1. Đó là, nếu ñiểm b nhận ñược từ phép quay của ñiểm a quanh ñiểm c một góc ϕ thì ( )ib c e a cϕ− = − . Bài toán 3.1.1(IMO Shortlist 1992). Về phía ngoài của tứ giác lồi ABCD, lần lượt dựng các hình vuông nhận AB, BC, CD, DA làm 20 cạnh. Các hình vuông này có tâm là 1 2 3 4, , ,O O O O . Chứng minh rằng 1 3OO vuông góc với 2 4O O và 1 3OO = 2 4O O . Bài toán 3.1.2(IMO 1982 shortlist). Về phía ngoài tứ giác lồi ABCD ta dựng các tam giác ñều ABM, CDP; về phía trong của tứ giác, ta dựng các tam giác ñều BCN, ADQ. Chứng minh tứ giác MNPQ là hình bình hành. 3.2. Khoảng cách. Đa giác ñều Trong mục này chúng ta sẽ sử dụng công thức sau ñây của số phức: 2 .a a a= . Việc tính toán tổng các khoảng cách sẽ rất thuận lợi nếu các ñiểm này thẳng hàng hoặc nằm trên các ñường thẳng song song.Vì thế ta thường sử dụng phép quay ñể di chuyển các ñiểm ñến vị trí ñẹp. Bây giờ ta xét ñến ña giác ñều. Ta biết rằng phương trình 1nx = có chính xác n nghiệm trong số phức và nó có dạng 2 , 0 1 ki n kx e k n pi = ≤ ≤ − . Bây giờ ta cho 0 1x = và ,1 1 k kx k nε= ≤ ≤ − với 1x ε= . Bài toán 3.2.1. Cho 0 1 2 3 4 5 6A A A A A A A là 7-giác ñều. Chứng minh rằng: 0 1 0 2 0 3 1 1 1 A A A A A A = + . Bài toán 3.2.2(BMO 1990 shortlist). Trên các cạnh của tam giác ABC, ta dựng ba n-giác ñều bên ngoài tam giác ABC. Tìm tất cả 21 các giá trị của n sao cho tâm của ba n-giác ñều là ñỉnh của một tam giác ñều. 3.3. Đa giác nội tiếp trong ñường tròn Trong vấn ñề này, ña giác nội tiếp trong ñường tròn ta thường giả sử ñó là ñường tròn ñơn vị. Trong ñịnh lí 2 ta có thể nhận thấy nhiều lợi thế của ñường tròn ñơn vị (ñặc biệt trong cách phát biểu thứ nhất ) và trong thực hành chúng ta có thể dùng ñịnh lí này. Trong trường hợp ñặc biệt, ta biết rằng tam giác nội tiếp ñường tròn và nhiều vấn ñề của hình học trong tam giác ta có thể sử dụng số phức. Vấn ñề trong phần này là ñi tìm tâm ñường tròn ngoại tiếp tam giác. Bài toán 3.3.1(IMO Shortist 1996). H là trực tâm tam giác ABC và P là một ñiểm thuộc ñường tròn ngoại tiếp tam giác. Gọi E là chân ñường cao BH và lấy PAQB, PARC là các hình bình hành. Nếu AQ và HR cắt nhau tại X thì chứng minh rằng EX
AP. Bài toán 3.3.2(IMO Shortist 1996). Cho tam giác ABC là tam giác nhọn sao cho BC > CA. Gọi O là tâm ñường tròn ngoại tiếp, H là trực tâm, F là chân ñường cao CH của tam giác ABC. Đường thẳng qua F và vuông góc với FO cắt CA tại P. CMR

FHP BAC= . 3.4. Đa giác ngoại tiếp ñường tròn Tương tự như phần trước, chúng ta giả sử rằng ñường tròn ñơn vị là nội tiếp trong ña giác. Một lần nữa chúng ta sử dụng ñịnh lí 2 và các trường hợp ñặc biệt của nó trong phần 3. Trong trường hợp của tam giác ta sẽ sử dụng các công thức ở ñịnh lí 7. Chú ý rằng trong trường hợp này chúng ta biết cả tâm ñường tròn nội tiếp và tâm ñường tròn ngoại tiếp, và phần trước thì không có trường hợp này. 22 Tuy nhiên, cũng chú ý các công thức ở ñịnh lí 7 tỏ ra phức tạp, vì thế ta nên chú ý thực hiện trong ñường tròn như ñường tròn ñơn vị bất cứ lúc nào có thể. Bài toán 3.4.1. Đường tròn tâm O nội tiếp tam giác ABC và nó tiếp xúc với các cạnh AB, BC, CA tại M, K, E tương ứng. Gọi P là giao ñiểm của MK và AC. Chứng minh OP ⊥ BE. Bài toán 3.4.2(BMO 2005). Cho tam giác ABC nhọn và ñường tròn nội tiếp tam giác ABC tiếp xúc với AB và AC tại R, Q tương ứng. Lấy Y, Z là giao ñiểm của phân giác góc

, ACB ABC với ñường thẳng RQ. Lấy X là trung ñiểm BC. Chứng minh rằng tam giác XYZ là tam giác ñều khi và chỉ khi 060A = . 3.5. Trung ñiểm của cung Chúng ta thường tình cờ gặp trong những vấn ñề là một vài ñiểm ñược xác ñịnh là trung ñiểm của một cung. Một trong những khó khăn trong việc sử dụng số phức là việc nhận ra các cung của ñường tròn. Vì thế, nếu chúng ta xác ñịnh trung ñiểm của một cung như là giao ñiểm của phân giác của cung tương ứng với ñường tròn, chúng ta sẽ có hai nghiệm. Vấn ñề này có thể dễ dàng giải quyết bằng cách sử dụng phần 1 của ñịnh lí 8. Hơn nữa phần 2 của ñịnh lí 8 có thể cho một cách khác ñể giải quyết vấn ñề với ñường tròn nội tiếp và ñường tròn ngoại tiếp. Chú ý rằng tọa ñộ của các ñiểm quan trọng này là gắn với việc giải các phương trình ñơn giản như những phần trước. Tuy nhiên, chúng ta có những vấn ñề khi tính toán các tiếp 23 ñiểm , , d e f của ñường tròn nội tiếp với các cạnh, vì thế trong trường hợp này ta sử dụng ñịnh lí của phần phía trước. Bài toán 3.5.1(Kvant M769). Gọi L là tâm ñường tròn nội tiếp tam giác ABC và các ñường thẳng AL, BL, CL cắt ñường tròn ngoại tiếp tam giác ABC tại 1 2 3, , A A A tương ứng. Gọi R là bán kính ñường tròn ngoại tiếp và r là bán kính ñường tròn nội tiếp. Chứng minh rằng: (a) 1 1.LA LC R LB = , (b) 1 . 2LA LB r LC = . (c) ( )( )1 1 1 2S ABC r S A BC R = Bài toán 3.5.2(Kvant M860). Gọi O và R tương ứng là tâm và bán kính ñường tròn ngoại tiếp tam giác ABC và gọi Z và r tương ứng là tâm và bán kính ñường tròn nội tiếp tam giác ABC. Gọi K là trọng tâm của tam giác ñược tạo bởi các ñiểm tiếp xúc của ñường tròn nội tiếp và các cạnh. Chứng minh rằng Z thuộc ñường thẳng OK và OK : ZK = 3R/r. 3.6. Điểm quan trọng. Tứ giác Trong mục cuối của 3 phần trước có những ñiểm chúng ta xem như khởi ñầu, tọa ñộ của chúng là “ rất quan trọng “. Tất cả chúng ñều có tính chất giống nhau (chúng là ñiểm của một ñường tròn, giao ñiểm của các tiếp tuyến với ñường tròn...). Tuy nhiên có những vấn ñề mà các ñiểm ñược xem xét ñể nhận ra một ñiểm mà trên các cơ sở khác ñể tìm các ñiểm khác. Điểm này sẽ ñược chọn làm gốc. Đặc biệt là sử dụng trong trường hợp tứ giác ( không nội tiếp và ngoại tiếp ñược một ñường tròn)- trong trường hợp giao ñiểm của các ña giác 24 có thể là một sự lựa chọn tốt cho gốc. Chúng ta có thể sử dụng các công thức ở mục 9. Bài toán 3.6.1. Gọi O là giao ñiểm của các ñường chéo của tứ giác ABCD và M, N là trung ñiểm của các cạnh AB, CD tương ứng. Chứng minh rằng OM ⊥ CD và ON ⊥AB thì tứ giác ABCD là tứ giác nội tiếp. Bài toán 3.6.2. Cho F là ñiểm trên ñáy AB của hình thang ABCD sao cho DF=CF. Lấy E là giao ñiểm của AC và BD và 1O và 2O là tâm ñường tròn ngoại tiếp tam giác ADF và tam giác FBC tương ứng. Chứng minh rằng FE ⊥ 1 2OO . 3.7. Giao ñiểm không duy nhất và công thức Viet Điểm là giao ñiểm của hai ñường thẳng có thể xác ñịnh ñược từ hệ của hai phương trình tương ứng, xác ñịnh ñiều kiện ñể ñiểm này thuộc một ñường thẳng. Tuy nhiên phương pháp này có thể dẫn ñến khó khăn. Như chúng ta ñề cập ñến phương pháp trước ñây có thể dẫn ñến giao ñiểm không duy nhất. Ví dụ, nếu chúng ta muốn xác ñịnh giao ñiểm của hai ñường tròn chúng ta sẽ có một phương trình bậc hai, không ngạc nhiên rằng hai ñường tròn tổng quát sẽ có hai giao ñiểm. Vì vậy, trong nhiều vấn ñề chúng ta không cần cả hai ñiểm ñó, chỉ hướng ñường thẳng xác ñịnh chúng. Một cách ñơn giản chúng ta biết ñược một ñiểm của chúng. Và chúng ta sẽ sử dụng công thức Vi- et có tổng và tích của chúng. Vì thế chúng ta có thể nói “ lấy nghiệm bậc hai của một số phức”. Lưu ý: Nếu chúng ta cần xác ñịnh tọa ñộ của một trong các giao ñiểm của hai ñường tròn, chúng ta 25 không cần biết ñiểm khác, một cách ñể giải quyết vấn ñề này là sử dụng số phức xác ñịnh ñiểm như là một ñiểm quan trọng. Bài toán 3.7.1. Giả sử rằng tiếp tuyến của ñường tròn T tại A và B cắt nhau tại C. Đường tròn 1T ñi qua C và tiếp xúc AB tại B cắt ñường tròn T tại M. Chỉ ra rằng ñường thẳng AM chia ñôi ñoạn BC. Bài toán 3.7.2(Trung Quốc 1996). Gọi H là trực tâm tam giác ABC. Tiếp tuyến từ A ñến ñường tròn ñường kính BC cắt ñường tròn tại P và Q. Chứng minh rằng P,Q và H thẳng hàng. 3.8. Các vấn ñề khác – các phương pháp khác Trong phần này, bạn sẽ tìm thấy các vấn ñề không liên quan mật thiết tới các chương trước, cũng như vài vấn ñề liên quan tới nhiều chương trước cùng lúc. Lời khuyên hữu ích là suy nghĩ cẩn thận các ñầu mối ban ñầu, nguồn gốc. Bởi vì vấn ñề chính ñể giải quyết các vấn ñề này là thời gian. Nên nếu ta ñang ở trong một kỳ thi và ta muốn sử dụng số phức, việc phỏng ñoán thời gian cần thiết ñể giải là rất quan trọng. Cũng bởi vấn ñề này nên ta phải học số phức càng sớm càng tốt. Ta sẽ thấy có vài vấn ñề sử dụng ñịnh lý 3, 4 và 5 Bài toán 3.8.1. Cho 4 ñường tròn 1 2 3 4, , k k k k , giả sử rằng { }1 2 1 1,k k A B∩ = , { }2 3 2 2,k k A B∩ = , { }3 4 3 3,k k A B∩ = , { }4 1 4 4,k k A B∩ = . Nếu bốn ñiểm 1 2 3 4, , , A A A A nằm trên một ñường tròn hoặc trên một ñường thẳng, chứng minh rằng các ñiểm 1 2 3 4, , , B B B B nằm trên một ñường tròn hoặc trên một ñường thẳng. 26 KẾT LUẬN Nội dung của luận văn gồm ba phần là mở bài, nội dung và kết luận. Phần nội dung gồm ba chương. Chương 1 giới thiệu các kiến thức cơ bản về số phức và các ñịnh lí nhằm chuẩn bị cho hai chương sau. Chương 2 ñề cập ñến các ứng dụng của số phức vào hệ phương trình, tổ hợp và lượng giác. Chương 3 ñề cập ñến các ứng dụng của số phức vào hình học, chương này tác giả ñã ñưa ra nhiều dạng toán hình học, ví dụ như ña giác nội tiếp ñường tròn, ña giác ngoại tiếp ñường tròn, trung ñiểm của cung, phép biến hình ... thì sử dụng số phức như thế nào. Luận văn trình bày ñược nhiều bài toán trong các kì thi quốc gia và quốc tế, một số bài toán trên các tạp chí toán học thế giới. Luận văn có nêu một số bài toán mà bằng phương pháp tổng quát, tương tự, ñặc biệt tác giả ñã tự nghiên cứu các bài toán về hệ phương trình.