Bài giải
Ta dùng phương pháp tọa độ.
Vì AD là đường cao nên D thuộc BC và AD vuông góc BC.
Đặt hệ trục tọa độ sao cho:
D(0;0), A(0;h), B(-m;0), C(n;0) với h>0, m>0, n>0.
Do AB < AC nên trong hai tam giác vuông ABD và ACD ta có
AB² = AD² + BD²,
AC² = AD² + CD².
Suy ra BD < CD, tức là m < n.
Khi đó BC là trục hoành.
Tìm tọa độ điểm FPhương trình đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC có dạng
x² + y² + ux + vy + w = 0.
Thay B(-m;0) vào, được:
m² - um + w = 0. (1)
Thay C(n;0) vào, được:
n² + un + w = 0. (2)
Lấy (1) trừ (2):
m² - um - n² - un = 0
=> (m-n)(m+n) - u(m+n) = 0
=> u = m - n.
Từ (1) suy ra
w = -mn.
Thay A(0;h) vào phương trình đường tròn:
h² + vh - mn = 0
=> v = (mn - h²)/h.
Vậy phương trình đường tròn là
x² + y² + (m-n)x + (mn-h²)/h . y - mn = 0.
Vì AF song song BC nên AF là đường thẳng y = h.
Giao điểm thứ hai của y = h với đường tròn là F.
Thay y = h vào phương trình đường tròn:
x² + h² + (m-n)x + (mn-h²) - mn = 0
=> x² + (m-n)x = 0
=> x = 0 hoặc x = n-m.
Điểm x=0 là A, nên
F(n-m; h).
Tìm tọa độ điểm EGọi O là tâm đường tròn ngoại tiếp.
Từ phương trình đường tròn, ta có
O((n-m)/2; (h²-mn)/(2h)).
Vì AE là đường kính nên O là trung điểm của AE.
Do đó
E = 2O - A
=> E(n-m; (h²-mn)/h - h)
=> E(n-m; -mn/h).
Vậy E và F có cùng hoành độ n-m, nên EF là đường thẳng đứng:
x = n - m.
Tìm tọa độ điểm PĐường thẳng BF đi qua B(-m;0) và F(n-m;h).
Hệ số góc của BF là
k = h / n.
Suy ra phương trình BF là
y = h/n . (x + m).
Vì P là giao điểm của BF với AD, mà AD là trục tung x=0, nên
yP = h/n . m = hm/n.
Do đó
P(0; hm/n).
Tìm tọa độ điểm QĐường thẳng AC đi qua A(0;h) và C(n;0), nên có phương trình
y = h - h/n . x.
Vì Q thuộc EF nên xQ = n - m.
Suy ra
yQ = h - h/n . (n-m)
= h - h + hm/n
= hm/n.
Vậy
Q(n-m; hm/n).
Kết luậnTa có
P(0; hm/n), Q(n-m; hm/n).
Hai điểm P và Q có cùng tung độ nên đường thẳng PQ song song với trục hoành, tức là
PQ song song BC.
Vậy ta chứng minh được
PQ song song BC.
Đpcm.