Giải SGK Toán 9 KNTT Bài 28. Đường tròn ngoại tiếp và đường tròn nội tiếp của một tam giác có đáp án

Ta có thể vẽ được một đường tròn đi qua ba đỉnh của tam giác và đường tròn tiếp xúc với cả ba cạnh của tam giác.

– Tâm đường tròn đi qua ba đỉnh của tam giác ABC là giao điểm của ba đường trung trực trong tam giác ABC. 

Cách vẽ đường tròn đi qua ba đỉnh của tam giác ABC bằng thước kẻ và compa:

⦁ Vẽ đường trung trực của đoạn thẳng AB: Dùng compa vẽ hai cung tròn tâm A, B có cùng bán kính, hai cung này cắt nhau tại một điểm M. Qua điểm M, dùng thước kẻ vẽ đường thẳng vuông góc với AB, ta được đường trung trực d của AB.

⦁ Tương tự, vẽ đường trung trực d’ của đoạn thẳng BC, cắt đường thẳng d tại O.

⦁ Vẽ đường tròn (O; OA). Khi đó đường tròn (O; OA) là đường tròn đi qua ba đỉnh của tam giác ABC cần vẽ.

– Tâm đường tròn tiếp xúc với cả ba cạnh của tam giác ABC là giao điểm ba đường phân giác trong tam giác ABC.

Cách vẽ đường tròn tiếp xúc với cả ba cạnh của tam giác ABC bằng thước kẻ và compa:

⦁ Vẽ tia phân giác góc B như sau: Dùng compa vẽ một cung tròn tâm B cắt hai cạnh BC, BA lần lượt tại X và Y. Vẽ hai cung tròn tâm X, Y có cùng bán kính, hai cung này cắt nhau tại một điểm Z khác B. Kẻ tia BZ ta được tia phân giác góc B.

⦁ Tương tự, vẽ tia phân giác góc C, cắt tia BZ tại I.

⦁ Vẽ đường cao ID từ I xuống BC (D thuộc BC). Vẽ đường tròn (I; ID).

Khi đó đường tròn (I; ID) là đường tròn tiếp xúc với cả ba cạnh của tam giác ABC cần vẽ.

Vì O nằm trên đường trung trực d của đoạn thẳng AB nên OA = OB.

Do đó đường tròn tâm O đi qua A cũng đi qua B.

Vì O nằm trên đường trung trực của đoạn thẳng AB nên OA = OB.

Tương tự, O nằm trên đường trung trực của đoạn thẳng BC, CA nên ta cũng có OB = OC và OC = OA.

Do đó OA = OB = OC.

Suy ra đường tròn (O; OA) đi qua ba điểm A, B, C.

Vậy đường tròn (O; OA) đi qua ba đỉnh của tam giác ABC.

Các điểm B, C, M, N cùng nằm trên đường tròn (O) nên ta có bốn tam giác nội tiếp đường tròn (O) là ∆BCM, BCN, MNB, MNC.

Vẽ đường thẳng a vuông góc với AB tại N và vẽ đường thẳng b vuông góc với AC tại P, ta được hai đường trung trực a, b của các cạnh AB, AC. Hai đường thẳng a và b cắt nhau tại M.

Vì ∆ABC vuông tại A nên AB ⊥ AC. (1)

Vì a là đường trung trực của AB nên a ⊥ AB hay MN ⊥ AB. (2)

Vì b là đường trung trực của AC nên b ⊥ AC hay MP ⊥ AC. (3)

Từ (1) và (2) suy ra MN // AC.

Từ (1) và (3) suy ra MP // AB.

Xét ∆ABC có:

⦁ N là trung điểm của AB và MN // AC nên MN là đường trung bình của tam giác.

⦁ P là trung điểm của AC và MP // AB nên MP là đường trung bình của tam giác.

Vì MN là đường trung bình của tam giác ABC nên M là trung điểm của BC.

Suy ra

Lại có M thuộc đường trung trực của AB nên MA = MB.

Do đó

Vậy đường tròn ngoại tiếp của tam giác ABC có tâm M là bán kính

Xét ∆ABC có:

⦁ AB2 + AC2 = 42 + 32 = 25;

⦁ BC2 = 52 = 25.

Do đó AB2 + AC2 = BC2.

Suy ra tam giác ABC vuông tại A (định lí Pythagore đảo).

Theo kết quả của Hoạt động 3, trang 73, SGK Toán 9, Tập 2, ta có tâm đường tròn ngoại tiếp ∆ABC là trung điểm M của BC và bán kính của đường tròn ngoại tiếp ∆ABC là

Vẽ ba đường trung trực của các cạnh AB, BC, CA của tam giác ABC. Ba đường trung trực này cắt nhau tại một điểm O, khi đó O là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC (hình vẽ)

Vì tam giác ABC đều nên ba đường trung trực cũng đồng thời là ba đường trung tuyến, do đó giao điểm O của ba đường trên là trọng tâm của tam giác.

Vậy tâm O của đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC trùng với trọng tâm của tam giác đó.

Vì tam giác ABC đều nên đường trung trực BO của AC cũng đồng thời là đường phân giác của góc ABC. Do đó

Xét ∆OBM vuông tại M có

Suy ra (do M là trung điểm của BC nên

Do đó

Giả sử tam giác ABC đều có cạnh bằng a.

Vì tam giác đều ABC nội tiếp đường tròn (O) nên O là trọng tâm của tam giác và bán kính đường tròn ngoại tiếp (O) là  

Theo bài, AO = 4 cm nên ta có  

Suy ra

Vậy các cạnh của tam giác ABC có độ dài bằng

Vì I là giao điểm của ba đường phân giác của tam giác ABC nên I cách đều ba cạnh của tam giác đó.

Mặt khác, ID ⊥ BC, IE ⊥ CA, IF ⊥ AB nên ID = IE = IF.

Do đó các điểm D, E, F cùng nằm trên một đường tròn có tâm I.

Gọi (I; R) là đường tròn đi qua ba điểm D, E, F. Do đó ID = IE = IF = R.

Vì ID ⊥ BC, ID = R nên BC là tiếp tuyến của (I; R) hay (I) tiếp xúc với cạnh BC.

Vì IE ⊥ AC, IE = R nên AC là tiếp tuyến của (I; R) hay (I) tiếp xúc với cạnh AC.

Vì IF ⊥ AB, IF = R nên AB là tiếp tuyến của (I; R) hay (I) tiếp xúc với cạnh AB.

Vậy (I) tiếp xúc với các cạnh của tam giác ABC.

⦁ Mỗi tam giác chỉ có một đường tròn nội tiếp, vì đối với mỗi góc của tam giác, ta chỉ xác định được duy nhất một đường phân giác, do đó giao điểm của ba đường phân giác này là duy nhất.

⦁ Có vô số tam giác ngoại tiếp một đường tròn, vì trên đường tròn có vô số điểm, mỗi điểm này đều có thể là một tiếp điểm của đường tròn đó với cạnh của tam giác.

Chẳng hạn như hình vẽ dưới đây:

Vì ∆ABC là tam giác đều nên ba đường trung tuyến đồng thời là ba đường phân giác, hay trọng tâm G của tam giác cũng là giao điểm của ba đường phân giác của tam giác đó.

Do đó trọng tâm G là tâm đường tròn nội tiếp của tam giác ABC.

Vì ∆ABC là tam giác đều nên ba đường trung tuyến đồng thời là ba đường trung trực, hay trọng tâm G của tam giác cũng là giao điểm của ba đường trung trực của tam giác đó.

Do đó trọng tâm G là tâm đường tròn ngoại tiếp của tam giác ABC.

Gọi M là trung điểm của BC. Khi đó ta có GM, GB lần lượt là bán kính đường tròn nội tiếp và bán kính đường tròn ngoại tiếp của tam giác ABC.

Vì ∆ABC là tam giác đều có BG là đường phân giác của góc ABC nên

Vì M là trung điểm của BC nên

Xét ∆GBM vuông tại M, ta có

⦁  

⦁ 

Vậy bán kính đường tròn nội tiếp tam giác ABC bằng một nửa bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC và bằng

HS làm theo hướng dẫn của GV và SGK.

Vẽ hai đường phân giác của góc B và C cắt nhau tại I.

Kéo dài AI cắt BC tại D. Khi đó ta vẽ đường tròn (I; ID) thì được đường tròn (I; r) nội tiếp tam giác ABC với ID = r.

Vì đường tròn (I; r) nội tiếp tam giác đều ABC có cạnh BC = 4 cm nên có đường tròn này bán kính

Vậy

Vì ∆ABC cân tại A nên

Áp dụng định lí Pythagore vào ∆ABC vuông tại A, ta có:

BC2 = AB2 + AC2

Do đó

Suy ra BC = 4 cm.

Vì O là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC vuông tại A nên bán kính của (O) bẳng một nửa cạnh huyền BC.

Vậy bán kính của (O) là:

Vì tam giác ABC đều nên tâm O của đường tròn ngoại tiếp tam giác là trọng tâm của tam giác đó và bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác là

Theo bài, AO = 3 cm nên  

Suy ra

Gọi H là giao điểm của AO và BC. Khi đó AH vừa là đường trung trực, vừa là đường trung tuyến, cũng là đường cao của tam giác.

Ta có suy ra

Diện tích của tam giác ABC là:

Vậy diện tích của tam giác ABC là

Ta có OA = OB (cùng bằng bán kính đường tròn ngoại tiếp (O) của ∆ABC) nên ∆OAC cân tại O, do đó (tính chất tam giác cân).

Lại có (tổng ba góc của một tam giác)

Suy ra

Nên  

Gọi K là giao điểm của AH và BC. Khi đó AK là đường cao của tam giac ABC.

Xét ∆ABK vuông tại K có: (tổng hai góc nhọn của tam giác vuông)

Suy ra  hay

Mặt khác, xét đường tròn (O) có lần lượt là góc nội tiếp và góc ở tâm cùng chắn cung AC nên

Từ (2) và (3) ta có

Từ (1) và (4) ta có

Vì đường tròn (I) nội tiếp tam giác ABC với các tiếp điểm trên các cạnh AB, AC lần lượt là E, F nên IE ⊥ AB và IF ⊥ AC.

Do đó

Xét tứ giác AEIF có: (tổng các góc của một tứ giác)

Suy ra

Vậy

Gọi độ dài các cạnh của tam giác đều ABC là a (cm).

Vì tam giác ABC đều ngoại tiếp đường tròn (I; r) nên ta có

Theo bài, r = 1 cm nên

Suy ra

Vậy độ dài các cạnh của tam giác ABC là

Gọi độ dài các cạnh phía bên trong của khung gỗ là a (cm).

Bán kính của chiếc đồng hồ hình tròn là: r = 30 : 2 = 15 (cm).

Vì khung gỗ hình tam giác đều để đặt vừa khít chiếc đồng hồ nên đường tròn khung viền của đồng hồ nội tiếp tam giác chứa cạnh của khung gỗ và bán kính đường tròn này là

Suy ra suy ra

Vậy độ dài cạnh của tam giác (phía bên trong) của khung gỗ là