Ứng dụng số phức trong bài hình đề trải nghiệm VMO 2025

Trong đề thi trải nghiệm VMO 2025 - Vòng 1, ở ngày thi thứ nhất có bài toán hình học số 3 khá hay, bài viết này trình bày ý tưởng sử dụng số phức để giải quyết bài toán đó.

Trước tiên, ta nhắc lại nội dung bài toán

Cho tam giác ABCABC nhọn, nội tiếp đường tròn (O),(O), có trực tâm H.H. Trên các cạnh CA,CA, ABAB lấy các điểm X,YX, Y tương ứng sao cho XB=XCXB=XCHYAO.HY \parallel AO.
a) Chứng minh tam giác AXYAXY cân.
b) Gọi ZZ là điểm đối xứng với AA qua OX,OX, TT là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác XYZ.XYZ. Chứng minh ATOH.AT \perp OH.

Ý tưởng tính toán
Chọn (O)(O) là đường tròn đơn vị, khi đó XOBCXO \perp BCXCAX\in CA nên x=bcx,x+acxˉ=a+cx=bc\overline{x},\quad x+ac\bar{x}=a+c Giải hệ phương trình, tìm được x=b(a+c)a+b,x=\frac{b(a+c)}{a+b}, để ý HYAOHY \parallel AO suy ra yhyh=aa=a2ya2y=ha2h\frac{y-h}{\overline{y}-\overline{h}}=\frac{a}{\overline{a}}=a^2 \Rightarrow y-a^2\overline{y}=h-a^2\overline{h} Kết hợp h=a+b+c,h=a+b+c, biến đổi được ya2y=a+b+ca2(1a+1b+1c)=(b+c)(bca2)bc.y-a^2\overline{y}=a+b+c-a^2\left(\frac{1}{a}+\frac{1}{b}+\frac{1}{c}\right)=\frac{(b+c)(bc-a^2)}{bc}. Lại có YABY \in AB nên y+aby=a+b,y+ab\overline{y}=a+b, kéo theo (b+a)y=(b+c)(bca2)c+a(a+b)y=(b+c)(bca2)c(a+b)+a.(b+a)y=\frac{(b+c)(bc-a^2)}{c}+a(a+b) \Rightarrow y=\frac{(b+c)(bc-a^2)}{c(a+b)}+a. a) Chú ý a=b=c=1|a|=|b|=|c|=1 nên biến đổi được yx=b(bca2)c(a+b), xa=bca2a+byx=xay-x=\frac{b(bc-a^2)}{c(a+b)},\ x-a=\frac{bc-a^2}{a+b} \Rightarrow |y-x|=|x-a| Kéo theo tam giác AXYAXY cân tại X.X.

b) ZZ đối xứng với AA qua OXOX nên z=xax=bca,z=\frac{x\overline{a}}{\overline{x}}=\frac{bc}{a}, tịnh tiến theo véc tơ a-a ta có xa=bca2a+b, ya=(b+c)(bca2)c(a+b), za=bca2ax-a=\tfrac{bc-a^2}{a+b},\ y-a=\tfrac{(b+c)(bc-a^2)}{c(a+b)},\ z-a=\tfrac{bc-a^2}{a} Kí hiệu (u,v,w)(u, v, w) là tâm đường tròn đi qua ba điểm u,v,w,u, v, w, khi đó ta=(xa,ya,za)=bca2a+b(1,b+cc,a+ba)t-a=(x-a, y-a, z-a)=\tfrac{bc-a^2}{a+b}\cdot(1,\tfrac{b+c}{c},\tfrac{a+b}{a}) Để tìm (1,b+cc,a+ba)(1,\frac{b+c}{c},\frac{a+b}{a}) lại tịnh tiến theo véc tơ 1,-1, khi đó 11=0, b+cc1=bc, a+ba1=ba1-1=0,\ \tfrac{b+c}{c}-1=\tfrac{b}{c},\ \tfrac{a+b}{a}-1=\tfrac{b}{a} Ngoài ra bc=ba=1,|\frac{b}{c}|=|\frac{b}{a}|=1, kéo theo (0,bc,ba)=bcbabc+ba=ba+c,(0, \frac{b}{c}, \frac{b}{a})=\frac{\frac{b}{c}\cdot\frac{b}{a}}{\frac{b}{c}+\frac{b}{a}}=\frac{b}{a+c}, như vậy (1,b+cc,a+ba)=ba+c+1=ha+cta=(bca2)h(a+b)(a+c)\left(1,\frac{b+c}{c},\frac{a+b}{a}\right)=\frac{b}{a+c}+1=\frac{h}{a+c} \Rightarrow t-a=\frac{(bc-a^2)h}{(a+b)(a+c)} Cuối cùng, v=taho=bca2(a+b)(a+c)=vviR,v=\frac{t-a}{h-o}=\frac{bc-a^2}{(a+b)(a+c)}=-\overline{v} \Rightarrow v \in i\mathbb{R}, dẫn đến ATOH.AT \perp OH.

Trình bày lời giải
Từ các ý tưởng tính toán phía trên, không khó để viết được lời giải hoàn chỉnh, phần này xin dành cho bạn đọc tự hoàn thiện.