Bài giải
Đặt
Δ = S_ABC,
α = S_KBC / Δ, β = S_KCA / Δ, γ = S_KAB / Δ.
Khi đó, nếu hiểu theo diện tích đại số thì
α + β + γ = 1.
Ta sẽ tính S_A'B'C' theo α, β, γ.
Vì B' là hình chiếu của K trên CA nên
S_KCA = 1/2 . CA . KB' = 1/2 . b . KB'
suy ra
KB' = 2S_KCA / b = 2βΔ / b.
Tương tự, vì C' là hình chiếu của K trên AB nên
KC' = 2S_KAB / c = 2γΔ / c.
Do đó
S_KB'C' = 1/2 . KB' . KC' . sin A
= 1/2 . (2βΔ/b) . (2γΔ/c) . sin A
= 2βγΔ^2 sin A / (bc).
Mà
Δ = 1/2 bc sin A
nên
S_KB'C' = βγΔ sin^2 A.
Tương tự:
S_KC'A' = γαΔ sin^2 B,
S_KA'B' = αβΔ sin^2 C.
Cộng lại, ta được
S_A'B'C' = Δ(βγ sin^2 A + γα sin^2 B + αβ sin^2 C).
Vì
a = 2R sin A, b = 2R sin B, c = 2R sin C
nên
sin^2 A = a^2/(4R^2), sin^2 B = b^2/(4R^2), sin^2 C = c^2/(4R^2).
Suy ra
S_A'B'C' / S_ABC
= (a^2βγ + b^2γα + c^2αβ) / (4R^2). (1)
Bây giờ dùng công thức Leibniz mở rộng cho điểm K có tọa độ diện tích α, β, γ:
Với mọi điểm P,
PK^2 = αPA^2 + βPB^2 + γPC^2 - (βγa^2 + γαb^2 + αβc^2).
Lấy P = O, vì OA = OB = OC = R, ta được
OK^2 = αR^2 + βR^2 + γR^2 - (βγa^2 + γαb^2 + αβc^2).
Do α + β + γ = 1 nên
OK^2 = R^2 - (βγa^2 + γαb^2 + αβc^2),
hay
βγa^2 + γαb^2 + αβc^2 = R^2 - OK^2. (2)
Thế (2) vào (1), suy ra
S_A'B'C' / S_ABC
= (R^2 - OK^2) / (4R^2)
= 1/4 [1 - (OK/R)^2].
Vậy
S_A'B'C' / S_ABC = 1/4 [1 - (OK/R)^2].
Đpcm.