Bài 8: Vị trí tương đối của hai đường tròn (tiếp theo)

 Vì A, I, B thẳng hàng nên:

BI = AB – AI

Vậy đường tròn (I; IA) tiếp xúc với đường tròn (B; BA) tại A.

Tam giác AMB nội tiếp trong đường tròn (I) có AB là đường kính nên 

Suy ra: AM ⊥ BM hay BM ⊥ AN

Suy ra: AM = MN (đường kính vuông góc dây cung).

Kẻ OI ⊥ AB. Ta có: OI ⊥ CD

Trong đường tròn (O) (nhỏ) ta có : OI ⊥ AB

Suy ra :

IA = IB (đường kính vuông góc dây cung)    (1)

Trong đường tròn (O) (lớn) ta có : OI ⊥ CD

Suy ra :

IC = ID (đường kính vuông góc dây cung)

Hay IA + AC = IB + BD     (2)

Từ (1) và (2) suy ra: AC = BD.

Kẻ tiếp tuyến chung tạ IA cắt CD tại M

Trong đường tròn (O) ta có:

MA = MC (tính chất hai tiếp tuyến cắt nhau)

Trong đường tròn (O’) ta có :

MA = MD (tính chất hai tiếp tuyến cắt nhau)

Suy ra : MA = MC = MD = 12 CD

Tam giác ACD có đường trung tuyến AM ứng với cạnh CD bằng nửa cạnh CD nên tam giác ACD vuông tại A

Suy ra : 

Ta có :

MO là tia phân giác của góc (CMA) (tính chất hai tiếp tuyến cắt nhau)

MO’ là tia phân giác của góc (DMA) (tính chất hai tiếp tuyến cắt nhau)

Suy ra : MO ⊥ MO’ (tính chất hai góc kề bù)

Tam giác MOO’ vuông tại M có MA ⊥ OO’ (tính chất tiếp tuyến)

Theo hệ thức lượng trong tam giác vuông, ta có :

$M{A}^2$ = OA.O’A = 4,5.2 = 9 ⇒ MA = 3 (cm)

Mà MA = 12 CD ⇒ CD = 2.MA = 2.3 = 6 (cm)

Vì đường tròn (O’) cắt đường tròn (O ; OA) tại A và B nên OO’ là trung trực của AB

Suy ra : OO’ ⊥ AB     (1)

Vì đường tròn (O’) cắt đường tròn (O ; OC) tại C và D nên OO’ là trung trực của CD

Suy ra : OO’ ⊥ CD     (2)

Từ (1) và (2) suy ra : AB // CD.

Ta có : OB // O’C (gt)

Suy ra : (hai góc trong cùng phía)

OA = OB (=R)

⇒ Tam giác AOB cân tại O

Kẻ tiếp tuyến chung tại A cắt DE tại I

Trong đường tròn (O) ta có:

IA = ID (tính chất hai tiếp tuyến cắt nhau)

Trong đường tròn (O’) ta có :

IA = IE (tính chất hai tiếp tuyến cắt nhau)

Suy ra : IA = ID = IE = (1/2).DE

Tam giác ADE có đường trung tuyến AI ứng với cạnh DE và bằng nửa cạnh DE nên tam giác ADE vuông tại A

Suy ra: 

Tam giác ABD nội tiếp trong đường tròn (O) có AB là đường kính nên 

Tam giác AEC nội tiếp trong đường tròn (O’) có AC là đường kính nên 

Mặt khác:  (chứng minh trên)

Tứ giác ADME có ba góc vuông nên nó là hình chữ nhật.

Tứ giác ADME là hình chữ nhật và ID = IE (chứng minh trên) nên đường chéo AM của hình chữ nhật phải đi qua trung điểm I của DE. Suy ra: A, I, M thẳng hàng.

Ta có: IA ⊥ OO’ (vì IA là tiếp tuyến của (O))

Suy ra: AM ⊥ OO’

Vậy MA là tiếp tuyến chung của đường tròn (O) và (O’)

Vì M và P đối xứng qua trục OO’ nên OO’ là đường trung trực của MP

Suy ra: OP = OM

Khi đó P thuộc (O) và MP ⊥ OO’    (1)

Vì N và Q đối xứng qua trục OO’ nên OO’ là đường trung trực của NQ

Suy ra: O’N = O’Q

Khi đó Q thuộc (O’) và NQ ⊥ OO’    (2)

Từ (1) và (2) suy ra: MP // NQ

Tứ giác MNQP là hình thang

Vì OO’ là đường trung trực của MP và NQ nên OO’ đi qua trung điểm hai đáy hình thang MNQP, OO’ đồng thời cũng là trục đối xứng của hình thang MNQP nên MNQP là hình thang cân.

Ta có: MN ⊥ OM (tính chất tiếp tuyến)

Suy ra: QP ⊥ OP tại P

Vậy PQ là tiếp tuyến của đường tròn (O).

Ta có: MN ⊥ O’N (tính chất tiếp tuyến)

Suy ra: QP ⊥ O’Q tại Q

Kẻ tiếp tuyến chung tại A cắt MN tại E và PQ tại F

Trong đường tròn (O), theo tính chất hai tiếp tuyến cắt nhau, ta có:

EM = EA và FP = FA

Trong đường tròn (O’), theo tính chất hai tiếp tuyến cắt nhau, ta có:

EN = EA và FQ = FA

Suy ra: EM = EA = EN = (1/2).MN

FP = FA = FQ = (1/2).PQ

Suy ra : MN + PQ = 2EA + 2FA = 2(EA + FA) = 2EF    (9)

Vì EF là đường trung bình của hình thang MNQP nên :

EF = (MP + NQ)/2 hay MP + NQ = 2EF    (10)

Từ (9) và (10) suy ra: MN + PQ = MP + NQ

Vì OO’ = 6 > 2 + 3 hay OO’ > R + R’ nên hai đường tròn (O) và (O’) ở ngoài nhau.

Xét tứ giác ABCO ta có:

AB // CO (gt)    (1)

Mà : AB = O’B – O’A = 3 – 1 = 2    (cm)

Suy ra: AB = OC = 2 (cm) (2)

Từ (1) và (2) suy ra: ABCO là hình bình hành

Lại có: OA ⊥ O’A (tính chất tiếp tuyến)

Suy ra: BC ⊥ OC và BC ⊥ O’B

Vậy BC là tiếp tuyến chung của hai đường tròn (O) và (O’)

Vì tứ giác ABCO là hình chữ nhật nên OA = BC

Áp dụng định lí Pitago vào tam giác vuông OAO’, ta có:

$OO{\text{'}}^2=O{A}^2+O\text{'}{A}^2$

$\Rightarrow O{A}^2=OO{\text{'}}^2-O\text{'}{A}^2=6^2-1^2$ = 35 ⇒ OA = $\sqrt{35}$ (cm)

Vậy BC = 35 (cm)

Trong tam giác O’BI có OC // O’B

Vậy OI = (6.2)/1 = 12 (cm)

Ta có: R < OA < 3R ⇔ 2R – R < OA < 2R + R

Suy ra hai đường tròn (O ; R) và (A ; 2R) cắt nhau

Tam giác BCD nội tiếp trong đường tròn (O) có BC là đường kính nên 

Suy ra : BD ⊥ AC     (1)

Ta có : AB = 2R và BC = 2OB = 2R

Suy ra tam giác ABC cân tại B    (2)

Từ (1) và (2) suy ra : AD = DC

* Phân tích

- Giả sử dựng được đường tròn (O’; 1cm) tiếp xúc với đường thẳng d và tiếp xúc ngoài với đường tròn (O; 2cm).

- Đường tròn (O’; 1cm) tiếp xúc với d nên O’ cách d một khoảng bằng 1cm. Khi đó O’ nằm trên hai đường thẳng $d_1$, $d_2$ song song với d và cách d một khoảng bằng 1cm.

- Đường tròn (O’; 1cm) tiếp xúc với đường tròn (O; 2cm) nên suy ra OO’ = 3cm. Khi đó O’ là giao điểm của (O; 3cm) với $d_1$ và $d_2$

* Cách dựng

- Dựng hai đường thẳng $d_1$ và $d_2$ song song với d và cách d một khoảng bằng 1cm.

- Dựng đường tròn (O; 3cm) cắt $d_1$ tại $O{\text{'}}_1$. Vẽ ($O{\text{'}}_1$; 1cm) ta có đường tròn cần dựng

* Chứng minh

Theo cách dựng, $O{\text{'}}_1$ cách d một khoảng bằng 1cm nên (O’1; 1cm) tiếp xúc với d.

Vì O$O{\text{'}}_1$ = 3cm nên ($O{\text{'}}_1$; 1cm) tiếp xúc với (O; 2cm)

* Biện luận: O các $d_1$ một khoảng bằng 1cm nên (O; 3cm) cắt d1 tại hai điểm phân biệt.

Gọi (O) và (O’) cắt nhau.

Gọi A và B là giao điểm của hai đường tròn (O) và (O’), H là giao điểm của AB và OO’.

Tam giác AOO’ vuông tại A, AH ⏊ OO’ và AB = 2AH.

Ta tính được AH = 2,4cm nên AB = 4,8cm.

$\angle$(AMO) = $90°$. Điểm M chuyển động trên đường tròn (O’) đường kính AO.

Đường tròn (O’) tiếp xúc trong với đường tròn (O).