Đến nội dung

Hình ảnh

Tìm vị trí điểm $M$ trên $\Delta BCD$ để thể tích tứ diện $MA_{1}B_{1}C_{1}$ lớn nhất.

- - - - -

  • Please log in to reply
Chủ đề này có 2 trả lời

#1
oibanoi

oibanoi

    Lính mới

  • Thành viên mới
  • 9 Bài viết

Cho tứ diện $ABCD$, trong $\Delta BCD$ lấy điểm $M$. Từ $M$ kẻ các đường thẳng song song với các cạnh $AB, AC, AD$ cắt các mặt $\left ( ACD \right ),\left ( ABD \right ),\left ( ABC \right )$ lần lượt tại $A_{1},B_{1},C_{1}$. Tìm vị trí điểm $M$ để thể tích tứ diện $MA_{1}B_{1}C_{1}$ lớn nhất.

Nếu như đặc biệt hóa bài toán với tứ diện $ABCD$ vuông thì $MA_{1}B_{1}C_{1}$ vuông nốt, lại chứng minh được $AB\cdot AC\cdot AD \geqslant 27MA_{1}\cdot MB_{1}\cdot MC_{1}$, nhưng mà mình chưa chứng minh được trường hợp tổng quát.



#2
perfectstrong

perfectstrong

    $LOVE(x)|_{x =\alpha}^\Omega=+\infty$

  • Quản lý Toán Ứng dụng
  • 5004 Bài viết

Kết quả bạn tìm ra vẫn đúng trong trường hợp tổng quát, chỉ là cần phải cẩn thận khi xử lý các tỉ số một "xíu" :D

========

Để tiện lợi, ta ký hiệu thể tích một hình $\mathcal P$ là $[\mathcal P]$. Trước hết, ta cần bổ đề sau:

Cho tứ diện $OABC$. Trên tia $OA, OB, OC$ lần lượt lấy $A_1, B_1,C_1$. Khi đó \[\frac{{\left[ {O{A_1}{B_1}{C_1}} \right]}}{{\left[ {OABC} \right]}} = \frac{{O{A_1}}}{{OA}}\frac{{O{B_1}}}{{OB}}\frac{{O{C_1}}}{{OC}}\]

Quay lại bài toán, ta cần xây dựng thêm nhiều tứ diện phụ trợ để áp dụng bổ đề trên.

2023-01-08_17h12_47.png

Vẽ $BM,CM,DM$ lần lượt cắt $CD,DB,BC$ tại $E,G,F$. Dễ thấy $AE,EG,AF$ lần lượt chứa $A_1,B_1,C_1$.

Vẽ $AM$ cắt mặt phẳng $A_1B_1C_1$ tại $O$. Ta có: \[\left[ {M{A_1}{B_1}{C_1}} \right] = \left[ {MO{A_1}{B_1}} \right] + \left[ {MO{B_1}{C_1}} \right] + \left[ {MO{C_1}{A_1}} \right]\]

Ta sẽ đi tính tỉ lệ của thể tích từng khối tứ diện con trong vế phải đối với $ABCD$.

\[\begin{gathered}
  \frac{{\left[ {MO{A_1}{B_1}} \right]}}{{\left[ {MAEG} \right]}} = \frac{{\left[ {MO{A_1}{B_1}} \right]}}{{\left[ {MA{A_1}{B_1}} \right]}}\frac{{\left[ {MA{A_1}{B_1}} \right]}}{{\left[ {MAEG} \right]}} = \frac{{MO}}{{MA}}\frac{{A{A_1}}}{{AE}}\frac{{A{B_1}}}{{AG}} \hfill \\
  \frac{{\left[ {MAEG} \right]}}{{\left[ {ABCD} \right]}} = \frac{{\left[ {AMEG} \right]}}{{\left[ {ACEG} \right]}}\frac{{\left[ {ACEG} \right]}}{{\left[ {ACDG} \right]}}\frac{{\left[ {ACDG} \right]}}{{\left[ {ABCD} \right]}} = \frac{{GM}}{{GC}}\frac{{CE}}{{CD}}\frac{{DG}}{{DB}} \hfill \\
   \Rightarrow \frac{{\left[ {MO{A_1}{B_1}} \right]}}{{\left[ {ABCD} \right]}} = \frac{{MO}}{{MA}}\frac{{A{A_1}}}{{AE}}\frac{{A{B_1}}}{{AG}}\frac{{GM}}{{GC}}\frac{{CE}}{{CD}}\frac{{DG}}{{DB}} \hfill \\
\end{gathered} \]

Nhìn có vẻ "ghê gớm" vế phải nhưng ta sẽ rút gọn bằng cách sử dụng Thales với những căp đường thẳng song song $MA_1 \parallel AB, MB_1 \parallel AC$.

\[\frac{{\left[ {MO{A_1}{B_1}} \right]}}{{\left[ {ABCD} \right]}} = \frac{{MO}}{{MA}}\frac{{BM}}{{BE}}\frac{{CM}}{{CG}}\frac{{GM}}{{GC}}\frac{{CE}}{{CD}}\frac{{DG}}{{DB}} \quad (1)\]

Nhìn vẫn còn "khủng", nhưng ta đã làm xuất hiện những tỉ số "liên quan" tới $M$ trên cùng mặt phẳng $BCD$. Ta sẽ tìm cách đơn giản hóa hơn nữa.

 

Với nhiều đường thẳng đồng quy này, ta thường dùng đến Ceva và Menelaus.

Thật vậy, áp dụng Menalaus cho $\Delta MBG$ với cát tuyến $DEC$: \[\frac{{CM}}{{CG}}\frac{{DG}}{{DB}}\frac{{EB}}{{EM}} = 1 \Rightarrow \frac{{CM}}{{CG}}\frac{{DG}}{{DB}} = \frac{{EM}}{{EB}}\]

Tương tự, $\Delta MED$ với cát tuyến $BFC$: \[\frac{{BM}}{{BE}}\frac{{CE}}{{CD}}\frac{{FD}}{{FM}} = 1 \Rightarrow \frac{{BM}}{{BE}}\frac{{CE}}{{CD}} = \frac{{FM}}{{FD}}\]

Do đó:

\[\left( 1 \right) \Rightarrow \frac{{\left[ {MO{A_1}{B_1}} \right]}}{{\left[ {ABCD} \right]}} = \frac{{MO}}{{MA}}\frac{{GM}}{{GC}}\left( {\frac{{CM}}{{CG}}\frac{{DG}}{{DB}}} \right)\left( {\frac{{BM}}{{BE}}\frac{{CE}}{{CD}}} \right) = \frac{{MO}}{{MA}}\frac{{GM}}{{GC}}\frac{{EM}}{{EB}}\frac{{FM}}{{FD}}\]

Tương tự ta có:

\[\frac{{\left[ {MO{A_1}{B_1}} \right]}}{{\left[ {ABCD} \right]}} = \frac{{\left[ {MO{B_1}{C_1}} \right]}}{{\left[ {ABCD} \right]}} = \frac{{\left[ {MO{C_1}{A_1}} \right]}}{{\left[ {ABCD} \right]}} = \frac{{MO}}{{MA}}\frac{{GM}}{{GC}}\frac{{EM}}{{EB}}\frac{{FM}}{{FD}}\]

Vậy nên: \[\frac{{\left[ {M{A_1}{B_1}{C_1}} \right]}}{{\left[ {ABCD} \right]}} = 3\frac{{MO}}{{MA}}\frac{{GM}}{{GC}}\frac{{EM}}{{EB}}\frac{{FM}}{{FD}} \quad (2)\]

 

2023-01-08_22h22_25.png

Tiếp theo, ta để ý một tính chất đặc biệt: $O$ là trọng tâm $\Delta A_1B_1C_1$ và $\frac{MO}{MA} = \frac{1}{3}$.

Để chứng minh điều này, ta vẽ $FG$ cắt $BM$ tại $H$, $AH$ cắt $B_1C_1$ tại $K$. Dễ thấy $A_1,O,K$ thẳng hàng.

Vẽ $MK$ cắt $AB$ tại $P$. Do $M{B_1}\parallel AC$ và $MC_1\parallel AD$ nên $(MB_1C_1) \parallel (ACD)$. Vì thế:

\[\begin{gathered}
  {C_1}P = \left( {ABC} \right) \cap \left( {M{B_1}{C_1}} \right)\parallel \left( {ABC} \right) \cap \left( {ACD} \right) = AC \hfill \\
  {B_1}P = \left( {ABD} \right) \cap \left( {M{B_1}{C_1}} \right)\parallel \left( {ABD} \right) \cap \left( {ACD} \right) = AD \hfill \\
\end{gathered} \]

Vậy $MB_1PC_1$ là hình bình hành. Tức $K$ là trung điểm $MP$ và $B_1C_1$.

Mặt khác, $MK = \left( {ABE} \right) \cap \left( {M{B_1}{C_1}} \right)\parallel \left( {ABE} \right) \cap \left( {ACD} \right) = AE$.

Mà $MA_1 \parallel AB \Rightarrow MA_1AP$ là hình bình hành. Do đó $\frac{{OM}}{{OA}} = \frac{{MK}}{{A{A_1}}} = \frac{{MK}}{{MP}} = \frac{1}{2}$.

Ta suy ra $O$ là trọng tâm $\Delta A_1B_1C_1$ và $\frac{{MO}}{{MA}} = \frac{{MO}}{{OA + MA}} = \frac{1}{{1 + 2}} = \frac{1}{3}$.

 

Kết hợp với $(2)$, ta thu được: \[\frac{{\left[ {M{A_1}{B_1}{C_1}} \right]}}{{\left[ {ABCD} \right]}} = \frac{{GM}}{{GC}}\frac{{EM}}{{EB}}\frac{{FM}}{{FD}}\]

Lại chú ý rằng, 3 tỉ số này có tính chất đặc biệt là:\[\frac{{GM}}{{GC}} + \frac{{EM}}{{EB}} + \frac{{FM}}{{FD}} = \frac{{{S_{BMD}}}}{{{S_{BCD}}}} + \frac{{{S_{DMC}}}}{{{S_{DBC}}}} + \frac{{{S_{BCM}}}}{{{S_{CBD}}}} = 1\]

Nên \[\frac{{\left[ {M{A_1}{B_1}{C_1}} \right]}}{{\left[ {ABCD} \right]}} \leqslant \frac{1}{{27}}{\left( {\frac{{GM}}{{GC}} + \frac{{EM}}{{EB}} + \frac{{FM}}{{FD}}} \right)^3} = \frac{1}{{27}}\]

=========

Ta có thể chứng minh $O$ là trọng tâm $A_1B_1C_1$ trước để thu được ngay một tính chất quan trọng của trọng tâm: $S_{OA_1B_1}=S_{OB_1C_1}=S_{OC_1A_1}$, từ đó ta có $[MOA_1B_1]=[MOB_1C_1]=[MOC_1A_1]$.


Luôn yêu để sống, luôn sống để học toán, luôn học toán để yêu!!! :D
$$\text{LOVE}\left( x \right)|_{x = \alpha}^\Omega = + \infty $$
I'm still there everywhere.

#3
perfectstrong

perfectstrong

    $LOVE(x)|_{x =\alpha}^\Omega=+\infty$

  • Quản lý Toán Ứng dụng
  • 5004 Bài viết

Nhân tiện đây, mình có một nhận xét về tính chất $O$ là trọng tâm của $A_1B_1C_1$ và $\frac{MO}{MA} = \frac{1}{3}$.

Nếu ta lấy một ví dụ "tương tự" trên 2D:

Trong góc $xAy$, lấy điểm $M$ bất kỳ. Lấy $B,C$ lần lượt trên $Ax,Ay$ sao cho $MB \parallel Ay$ và $MC \parallel Ax$. $MA$ cắt $BC$ tại $O$. Khi đó $O$ là trung điểm của $BC$ và $\frac{MO}{MA}=\frac{1}{2}$.

Tất nhiên ví dụ 2D này là hiển nhiên vì $ABMC$ là hình bình hành :D

Nhưng tinh thần vẫn là: cho trước một góc, lấy một điểm trong góc đó, rồi kẻ các "đường" song song với các "đường" còn lại.

Vậy nếu ta tổng quát hóa lên thì sao? Mình thử một phát biểu như sau:
 

Trong không gian $n-$chiều, lấy điểm $A$ và các trục $Ax_i (i=1,\ldots,n)$. Lấy điểm $M$ bất kỳ khác $A$. Lấy $B_i$ trong góc hợp bởi các tia $Ax_j (j \ne i)$ sao cho $MB_i \parallel Ax_i$.

Vẽ $MA$ cắt $B_1B_2\ldots B_n$ tại $O$. Chứng minh $O$ là trọng tâm của $B_1B_2\ldots B_n$ và $\frac{MO}{MA} = \frac{1}{n}$.

Tuy nhiên, phát biểu trên không chặt chẽ vì làm thế nào để lấy từng $B_i$? :closedeyes: 

Vậy nên mời các bạn cùng suy nghĩ :icon6:


Luôn yêu để sống, luôn sống để học toán, luôn học toán để yêu!!! :D
$$\text{LOVE}\left( x \right)|_{x = \alpha}^\Omega = + \infty $$
I'm still there everywhere.




1 người đang xem chủ đề

0 thành viên, 1 khách, 0 thành viên ẩn danh