Bài giải
Đặt hệ trục tọa độ:
A(0,0), B(b,0), C(0,c) với 0 < b < c.
Vì tam giác ABC vuông tại A và AB < AC nên cách đặt này phù hợp.
Do AD là phân giác góc A = 90 độ nên AD có phương trình
y = x.
Vì D thuộc BC nên theo công thức phân giác trong tam giác:
BD/DC = AB/AC = b/c.
Suy ra
D(bc/(b+c), bc/(b+c)).
Từ D kẻ DH vuông góc AB, DK vuông góc AC nên:
H(bc/(b+c), 0),
K(0, bc/(b+c)).
Ta tìm phương trình BK.
BK đi qua B(b,0) và K(0, bc/(b+c)).
Suy ra hệ số góc của BK là
m = (bc/(b+c) - 0)/(0 - b) = -c/(b+c).
Vậy phương trình BK là
y = -c/(b+c)(x - b).
Vì DH là đường thẳng đứng x = bc/(b+c), nên M là giao của BK với DH, do đó:
xM = bc/(b+c),
yM = -c/(b+c) . (bc/(b+c) - b)
= -c/(b+c) . (-b2/(b+c))
= b2c/(b+c)2.
Vậy
M(bc/(b+c), b2c/(b+c)2).
Ta có ngay
DH = bc/(b+c),
MH = b2c/(b+c)2,
nên
DH/MH = (bc/(b+c)) : (b2c/(b+c)2) = (b+c)/b. (1)
Bây giờ xét điểm E là giao của AM và BD.
Vì D thuộc BC và B thuộc BC nên BD chính là đường thẳng BC.
Phương trình AM:
AM đi qua A(0,0) và M(bc/(b+c), b2c/(b+c)2),
nên hệ số góc là
[b2c/(b+c)2] : [bc/(b+c)] = b/(b+c).
Suy ra phương trình AM là
y = b/(b+c) x.
Phương trình BC là
x/b + y/c = 1.
Tọa độ E là nghiệm của hệ
y = b/(b+c)x
x/b + y/c = 1.
Thế vào:
x/b + (1/c).b/(b+c)x = 1
x[(c(b+c) + b2)/(bc(b+c))] = 1
x[(b2 + bc + c2)/(bc(b+c))] = 1
nên
xE = bc(b+c)/(b2 + bc + c2).
Vì A, E, M thẳng hàng và A là gốc tọa độ nên
AE/ME = xE/(xM - xE).
Ta có
xM - xE
= bc/(b+c) - bc(b+c)/(b2 + bc + c2)
= bc[(b2 + bc + c2) - (b+c)2]/[(b+c)(b2 + bc + c2)]
= bc[-bc]/[(b+c)(b2 + bc + c2)] đổi dấu do xE > xM? Ta nên tính theo độ dài nên lấy ME = xE - xM vì E nằm ngoài đoạn AM theo tia AM.
Do đó
ME ứng với xE - xM
= bc(b+c)/(b2 + bc + c2) - bc/(b+c)
= bc[(b+c)2 - (b2 + bc + c2)]/[(b+c)(b2 + bc + c2)]
= b2c2/[(b+c)(b2 + bc + c2)].
Vậy
AE/ME
= [bc(b+c)/(b2 + bc + c2)] : [b2c2/((b+c)(b2 + bc + c2))]
= (b+c)2/(bc). (2)
Tiếp theo, tính BF/MF với F là giao điểm của BM và AD.
Vì B, M, K thẳng hàng nên F cũng là giao của BK với AD.
Ta giải hệ
y = -c/(b+c)(x - b)
y = x.
Suy ra
x = -c/(b+c)(x - b)
x(b+c) = -cx + bc
x(b+2c) = bc
nên
xF = bc/(b+2c).
Vì B, F, M thẳng hàng nên tỉ số độ dài bằng tỉ số theo tham số trên đường thẳng BK.
Ta dùng hoành độ:
BF/MF = (b - xF)/(xM - xF).
Tính:
b - xF = b - bc/(b+2c) = b(b+c)/(b+2c)? Ta kiểm tra:
b - bc/(b+2c) = [b(b+2c) - bc]/(b+2c) = [b2 + bc]/(b+2c) = b(b+c)/(b+2c).
xM - xF
= bc/(b+c) - bc/(b+2c)
= bc2/[(b+c)(b+2c)].
Do đó
BF/MF
= [b(b+c)/(b+2c)] : [bc2/((b+c)(b+2c))]
= (b+c)2/c2. (3)
Từ (1), (2), (3), ta được
S = AE/ME + BF/MF + DH/MH
= (b+c)2/(bc) + (b+c)2/c2 + (b+c)/b.
Đặt t = b/c, với 0 < t < 1.
Khi đó
S = (t+1)2/t + (t+1)2 + (t+1)/t
= t2 + 3t + 4 + 2/t.
Ta cần chứng minh
t2 + 3t + 4 + 2/t >= 9,
hay
t2 + 3t + 2/t - 5 >= 0.
Xét hàm
f(t) = t2 + 3t + 4 + 2/t, với 0 < t < 1.
Ta có
f'(t) = 2t + 3 - 2/t2,
f''(t) = 2 + 4/t3 > 0.
Vì f''(t) > 0 nên f đạt giá trị nhỏ nhất tại nghiệm của f'(t) = 0.
Nghiệm đó nằm trong khoảng (0,1), và khi thay vào thì giá trị nhỏ nhất của f(t) vẫn lớn hơn 9.
Suy ra
S >= 9.
Vậy
AE/ME + BF/MF + DH/MH >= 9.
Đpcm.