@Khôi Bùi, @DƯƠNG PHAN KHÁNH DƯƠNG, @Mysterious Person

Gọi O là giao điểm AC và BD, theo t/c hình bình hành \(\Rightarrow O\) là trung điểm AC và BD

\(\Rightarrow\left\{{}\begin{matrix}\overrightarrow{OA}+\overrightarrow{OC}=\overrightarrow{0}\\\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{OD}=\overrightarrow{0}\end{matrix}\right.\)

Từ giả thiết:

\(\overrightarrow{MA}+\overrightarrow{MB}+\overrightarrow{MC}+\overrightarrow{MD}+\overrightarrow{MS}=\overrightarrow{0}\)

\(\Leftrightarrow\overrightarrow{MO}+\overrightarrow{OA}+\overrightarrow{MO}+\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{MO}+\overrightarrow{OC}+\overrightarrow{MO}+\overrightarrow{OD}+\overrightarrow{MO}+\overrightarrow{OS}=\overrightarrow{0}\)

\(\Leftrightarrow5.\overrightarrow{MO}+\overrightarrow{OS}=0\)

\(\Leftrightarrow\overrightarrow{OM}=\dfrac{1}{5}\overrightarrow{OS}\)

Hay M là điểm thuộc đoạn thẳng OS sao cho \(OM=\dfrac{1}{5}OS\) \(\Rightarrow SM=4MO\)

Do M thuộc OS \(\Rightarrow M\in\left(SAC\right)\), kéo dài AM cắt SC tại \(C'\) \(\Rightarrow C'\) là điểm cố định (bất chấp vị trí mặt phẳng (P))

Áp dụng định lý Menelaus trong tam giác SOC với 3 điểm A, M, C' thẳng hàng:

\(\dfrac{MS}{MO}.\dfrac{OA}{AC}.\dfrac{CC'}{C'S}=1\Rightarrow4.\dfrac{1}{2}.\dfrac{CC'}{C'S}=1\Rightarrow\dfrac{CC'}{SC'}=\dfrac{1}{2}\)

Bây giờ tới B' và D'.

Cách đơn giản nhất là đề ko cho biết rõ về mp (P), nó chỉ cần chứa AM là đủ, do đó ta chọn vị trí đơn giản nhất của (P) để tính, đó là (P) song song BD. Khi đó, qua M kẻ đường thẳng song song BD lần lượt cắt SB, SD tại B' và D'

Theo định lý Talet:

\(\dfrac{BB'}{SB'}=\dfrac{DD'}{SD'}=\dfrac{MO}{SM}=\dfrac{1}{4}\)

\(\Rightarrow\dfrac{BB'}{SB'}+\dfrac{CC'}{SC'}+\dfrac{DD'}{SD'}=\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{4}=1\)

Trong trường hợp ko muốn làm kiểu chọn mp đặc biệt này thì ta có thể chọn vị trí bất kì cho B', nhưng sẽ tốn thời gian hơn nhiều. Nếu em cần thì cũng có thể giải quyết theo cách ấy.

Tổng quát:

Trước hết ta nhắc lại định lý đồng phẳng: cho 3 vecto \(\overrightarrow{a};\overrightarrow{b};\overrightarrow{c}\), chúng đồng phẳng khi và chỉ khi tồn tại các số thực m; n sao cho \(\overrightarrow{a}=m.\overrightarrow{b}+n.\overrightarrow{c}\) (1)

Bây giờ ta dựa vào đó chứng minh định lý khác về đồng phẳng trong không gian:

4 điểm A;B;C;D đồng phẳng khi \(\overrightarrow{SD}=p.\overrightarrow{SA}+m.\overrightarrow{SB}+n.\overrightarrow{SC}\)  với 1 điểm S là 1 điểm bất kì và \(m;n;p\) là các số thực thỏa mãn \(m+n+p=1\)

C/m: do A;B;C;D đồng phẳng \(\Rightarrow\overrightarrow{AB};\overrightarrow{AC};\overrightarrow{AD}\) đồng phẳng

Theo (1), tồn tại các số thực m và n sao cho:

\(\overrightarrow{AD}=m.\overrightarrow{AB}+n.\overrightarrow{AC}\Leftrightarrow\overrightarrow{AS}+\overrightarrow{SD}=m\left(\overrightarrow{AS}+\overrightarrow{SB}\right)+n\left(\overrightarrow{AS}+\overrightarrow{SC}\right)\)

\(\Leftrightarrow\overrightarrow{SD}=m.\overrightarrow{SB}+n.\overrightarrow{SC}+\left(1-m-n\right).\overrightarrow{SA}\)

Đặt \(1-m-n=p\Rightarrow\left\{{}\begin{matrix}m+n+p=1\\\overrightarrow{SD}=m.\overrightarrow{SB}+n.\overrightarrow{SC}+p.\overrightarrow{SA}\end{matrix}\right.\) (đpcm)

Quay lại bài toán, ta tính toán cho trường hợp các điểm B' D' lần lượt nằm trên đoạn thẳng SB và SD (trường hợp có 1 điểm nằm ngoài tính y hệt).

 Đặt \(\dfrac{SB}{SB'}=x;\dfrac{SC}{SC'}=y;\dfrac{SD}{SD'}=z\)

Do O là trung điểm AC và BD nên: \(\left\{{}\begin{matrix}\overrightarrow{SA}+\overrightarrow{SC}=2\overrightarrow{SO}\\\overrightarrow{SB}+\overrightarrow{SD}=2\overrightarrow{SO}\end{matrix}\right.\)

\(\Rightarrow\overrightarrow{SA}+\overrightarrow{SB}+\overrightarrow{SC}+\overrightarrow{SD}=4\overrightarrow{SO}\)

\(\Rightarrow\overrightarrow{SA}+x.\overrightarrow{SB'}+y.\overrightarrow{SC'}+z.\overrightarrow{SD'}=5\overrightarrow{SM}\) (do \(\overrightarrow{SO}=\dfrac{5}{4}\overrightarrow{SM}\))

Do A;B'C'D' đồng phẳng nên tồn tại \(m+n+p=1\) sao cho \(\overrightarrow{SA}=m.\overrightarrow{SB'}+n.\overrightarrow{SC'}+p.\overrightarrow{SD'}\)

\(\Rightarrow\left(m+x\right)\overrightarrow{SB'}+\left(n+y\right)\overrightarrow{SC'}+\left(p+z\right)\overrightarrow{SD'}=5\overrightarrow{SM}\)

\(\Leftrightarrow\overrightarrow{SM}=\dfrac{1}{5}\left(m+x\right)\overrightarrow{SB'}+\dfrac{1}{5}\left(n+y\right)\overrightarrow{SC'}+\dfrac{1}{5}\left(p+z\right)\overrightarrow{SD'}\)

Do M;B'C'D' đồng phẳng nên:

\(\dfrac{1}{5}\left(m+x\right)+\dfrac{1}{5}\left(n+y\right)+\dfrac{1}{5}\left(p+z\right)=1\)

\(\Leftrightarrow m+n+p+x+y+z=5\)

\(\Leftrightarrow1+x+y+z=5\)

\(\Leftrightarrow x+y+z=4\)

\(\Leftrightarrow\dfrac{SB}{SB'}+\dfrac{SC}{SC'}+\dfrac{SD}{SD'}=4\)

\(\Leftrightarrow\dfrac{SB'+BB'}{SB'}+\dfrac{SC'+CC'}{SC'}+\dfrac{SD'+DD'}{SD'}=4\)

\(\Leftrightarrow\dfrac{BB'}{SB'}+\dfrac{CC'}{SC'}+\dfrac{DD'}{SD'}=1\)

Do \(\overrightarrow{NP}=\overrightarrow{DC}\); \(\overrightarrow{AM}=\overrightarrow{BA}\Rightarrow\overrightarrow{MA}=\overrightarrow{AB}\).
Do tứ giác ABCD là hình bình hành nên \(\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{DC}\).
Vì vậy \(\overrightarrow{NP}=\overrightarrow{MA}\) nên tứ giác NPAM là hình bình hành.
Vì vậy \(\overrightarrow{PA}=\overrightarrow{NM}\). (1)
Mà \(\overrightarrow{MN}=\overrightarrow{DA}\) suy ra \(\overrightarrow{NM}=\overrightarrow{AD}\) . (2)
Mặt khác \(\overrightarrow{AD}=\overrightarrow{BC}\) (do tứ giác ABCD là hình bình hành). (3)
Từ (1);(2);(3) suy ra:\(\overrightarrow{PA}=\overrightarrow{BC}\).
Mà \(\overrightarrow{PQ}=\overrightarrow{BC}\Rightarrow\overrightarrow{PQ}=\overrightarrow{PA}\).
Vì vậy hai điểm A và Q trùng nhau nên \(\overrightarrow{AQ}=\overrightarrow{0}\).

a) Áp dụng tính chất trọng tâm ta có: \(\overrightarrow {MA}  + \overrightarrow {MD}  + \overrightarrow {MB}  = \overrightarrow 0 \)

Suy ra M là trọng tâm của tam giác ADB

Vậy M nằm trên đoạn thẳng AO sao cho \(AM = \frac{2}{3}AO\)

b) Tiếp tục áp dụng tính chất trọng tâm \(\overrightarrow {ND}  + \overrightarrow {NB}  + \overrightarrow {NC}  = \overrightarrow 0 \)

Suy ra N là trọng tâm của tam giác BCD

Vậy N nằm trên đoạn thẳng OD sao cho \(ON = \frac{1}{3}OD\)

c) Áp dụng tính chất trung điểm ta có: \(\overrightarrow {PM}  + \overrightarrow {PN}  = \overrightarrow 0 \)

Suy ra P là trung điểm của đoạn thẳng MN

Vậy điểm P trùng với điểm O.

Gọi O là tâm bình hành

\(\overrightarrow{MA}+2\overrightarrow{MB}+2\overrightarrow{MC}+\overrightarrow{MD}=\overrightarrow{0}\Leftrightarrow6\overrightarrow{MO}+\overrightarrow{OA}+2\overrightarrow{OB}+2\overrightarrow{OC}+\overrightarrow{OD}=\overrightarrow{0}\)

Dễ dàng nhìn ra trong hình bình hành ABCD tâm O thì: \(\hept{\begin{cases}\overrightarrow{OA}+\overrightarrow{OD}=-\frac{1}{2}\overrightarrow{AB}\\\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{OD}=\frac{1}{2}\overrightarrow{AB}\end{cases}}\)--->thế lên trên:

\(\Rightarrow6\overrightarrow{MO}-\frac{1}{2}\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{0}\Leftrightarrow\overrightarrow{OM}=\frac{1}{12}\overrightarrow{AB}\)---> Dễ dàng có được M là điểm cố định (Vì các điểm O,A,B đều cố định)

Vậy điểm M được xác định bằng cách lấy đường thẳng qua O song song AB rồi trong nửa mặt phẳng bờ là BD có chứa điểm C ta lấy điểm M thuộc đường thẳng vừa dựng được sao cho đoạn OM có độ dài đúng bằng 1/12 độ dài AB.

Gọi O là giao điểm hai đoạn thẳng AC và BD.

Dựng điểm M như sau:

Trên nửa mặt phẳng bờ AC phía B, vẽ tia Ot song song AB.

Trên tia này, Bạn lấy điểm M cách O một đoạn bằng MỘT PHẦN SÁU AB.

Đó là điểm cần tìm.

Bài 1:

Gọi K là trung điểm của BC

ABCD là hình bình hành

=>AC cắt BD tại trung điểm của mỗi đường

=>O là trung điểm chung của AC và BD

Xét ΔCAB có

O,K lần lượt là trung điểm của CA,CB

=>OK là đường trung bình

=>OK//AB và \(OK=\dfrac{AB}{2}\)

=>\(\overrightarrow{OK}=\dfrac{\overrightarrow{AB}}{2}\)

=>\(\overrightarrow{AB}=2\cdot\overrightarrow{OK}\)

Xét ΔOBC có OK là đường trung tuyến

nên \(\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{OC}=2\cdot\overrightarrow{OK}\)

=>\(\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{OC}\)

=>M trùng với B

Bài 2:

Xét ΔABC có

M,P lần lượt là trung điểm của AB,AC

=>MP là đường trung bình của ΔABC

=>MP//BC và MP=BC/2

=>MP=CN

mà MP//NC

nên MPCN là hình bình hành

=>\(\overrightarrow{MP}=\overrightarrow{NC}\)

=>\(\overrightarrow{MP}=-\overrightarrow{CN}\)

=>\(\overrightarrow{MP}+\overrightarrow{CN}=\overrightarrow{0}\)

mà \(\overrightarrow{MK}+\overrightarrow{CN}=\overrightarrow{0}\)

nên K trùng với P