Bài giải
a) Tính số đo góc BAC và chứng minh tứ giác SAHD nội tiếp
Vì BC là đường kính của đường tròn (O) nên góc nội tiếp chắn nửa đường tròn bằng 90 độ.
Suy ra:
góc BAC = 90 độ.
Lại có:
S, A, B thẳng hàng nên góc SAH = góc BAC = 90 độ.
S, D, C thẳng hàng và H, D, B thẳng hàng nên góc SDH = góc CDB = 90 độ.
Vậy:
góc SAH = góc SDH.
Suy ra 4 điểm S, A, H, D cùng thuộc một đường tròn.
Do đó tứ giác SAHD nội tiếp.
b) Chứng minh góc IAH = góc MDC
Trước hết, ta chứng minh một số hệ thức phụ.
Xét hai tam giác SBD và SCA:
góc SDB = góc CDB = 90 độ,
góc SAC = góc BAC = 90 độ,
và
góc SBD = góc ABD = góc ACD = góc SCA
(hai góc nội tiếp cùng chắn cung AD).
Suy ra:
tam giác SBD đồng dạng tam giác SCA.
Do đó:
SD / SA = BD / AC
và
SB / SC = BD / AC. (1)
Bây giờ áp dụng định lí Menelaus.
Trong tam giác SMC, với ba điểm D, H, B thẳng hàng theo thứ tự trên các cạnh SC, SM, MC, ta có:
SD / DC . CB / BM . MH / HS = 1. (2)
Trong tam giác SMB, với ba điểm A, H, C thẳng hàng theo thứ tự trên các cạnh SB, SM, BM, ta có:
SA / AB . BC / CM . MH / HS = 1. (3)
Chia (2) cho (3), được:
BM / CM = AB . SD / (CD . SA).
Kết hợp với (1):
BM / CM = AB . BD / (AC . CD). (4)
Bây giờ gọi N là chân đường vuông góc hạ từ S xuống BC.
Khi đó trong tam giác SBC, ta có:
BN = SB . cos góc SBC,
NC = SC . cos góc SCB.
Mà
góc SBC = góc ABC,
góc SCB = góc DCB.
Nên:
BN / NC = SB . cos góc ABC / (SC . cos góc DCB).
Vì tam giác ABC vuông tại A nên:
cos góc ABC = AB / BC.
Vì tam giác DCB vuông tại D nên:
cos góc DCB = CD / BC.
Suy ra:
BN / NC = SB . AB / (SC . CD).
Dùng (1), tức là SB / SC = BD / AC, ta được:
BN / NC = AB . BD / (AC . CD). (5)
Từ (4) và (5):
BM / CM = BN / NC.
Vì B, M, N, C cùng nằm trên một đường thẳng nên M trùng N.
Do đó:
SM vuông góc BC.
Mà S, H, M thẳng hàng nên:
SH vuông góc BC. (6)
Xét tam giác SAH.
Ta đã có góc SAH = 90 độ, nên tam giác SAH vuông tại A.
I là trung điểm của SH nên I là trung điểm cạnh huyền của tam giác vuông SAH.
Suy ra:
IA = IH.
Vậy trong tam giác IAH:
góc IAH = góc IHA.
Mà I, H, S thẳng hàng nên:
góc IHA = góc SHA.
Do đó:
góc IAH = góc SHA. (7)
Từ (6), vì SH vuông góc BC nên:
góc SHA = 90 độ - góc ACB.
Mà trong tam giác ABC vuông tại A:
góc ABC + góc ACB = 90 độ.
Suy ra:
góc SHA = góc ABC.
Kết hợp với (7), được:
góc IAH = góc ABC. (8)
Bây giờ ta chứng minh góc MDC = góc ABC.
Lấy điểm X trên BC sao cho:
góc XDC = góc ABC.
Vì góc BDC = 90 độ nên:
góc BDX = 90 độ - góc XDC = 90 độ - góc ABC = góc ACB.
Áp dụng định lí sin trong hai tam giác BDX và CDX:
BX / XC = BD . sin góc BDX / (CD . sin góc XDC)
= BD . sin góc ACB / (CD . sin góc ABC).
Mà trong tam giác ABC:
sin góc ACB / sin góc ABC = AB / AC.
Nên:
BX / XC = AB . BD / (AC . CD). (9)
Từ (4) và (9):
BM / CM = BX / XC.
Vì B, M, X, C thẳng hàng nên M trùng X.
Suy ra:
góc MDC = góc XDC = góc ABC. (10)
Từ (8) và (10), suy ra:
góc IAH = góc MDC.
Điều phải chứng minh.
c) Cho góc BSC = 60 độ và BC = 6 cm. Tính AD và bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác SAD
Vì S là giao điểm của hai cát tuyến SAB và SDC nên:
góc BSC = 1/2 (số đo cung BC - số đo cung AD).
Mà BC là đường kính nên số đo cung BC = 180 độ.
Lại có:
góc BSC = 60 độ.
Suy ra:
60 độ = 1/2 (180 độ - số đo cung AD)
=> 120 độ = 180 độ - số đo cung AD
=> số đo cung AD = 60 độ.
Vì BC = 6 cm nên bán kính đường tròn (O) là:
R = BC / 2 = 3 cm.
Dây AD chắn cung 60 độ nên:
AD = 2R . sin(60 độ / 2)
= 2 . 3 . sin 30 độ
= 3 cm.
Vậy:
AD = 3 cm.
Tiếp theo, trong tam giác SAD:
góc ASD = góc BSC = 60 độ.
Gọi R1 là bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác SAD.
Theo công thức:
AD = 2R1 . sin góc ASD
suy ra:
R1 = AD / (2 sin 60 độ)
= 3 / (2 . căn 3 / 2)
= 3 / căn 3
= căn 3 cm.
Kết luận:
AD = 3 cm.
Bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác SAD bằng căn 3 cm.