Trong mặt phẳng tọa độ \(Oxy,\) cho đường tròn \(\left( C \right)\) tâm \(O\), bán kính bằng \(1\). Gọi \(T\) là tập hợp tất cả các điểm \(M\left( {x;y} \right)\), trong đó \(x,y \in \mathbb{Z}\), sao cho từ \(M\) kẻ được \(2\) tiếp tuyến \(MA\), \(MB\) đến \(\left( C \right)\) (\(A\), \(B\) là các tiếp điểm) thỏa mãn \(\widehat {AMB} \ge 60^\circ \). Chọn ngẫu nhiên \(2\) điểm trong \(T\). Biết xác suất để đường thẳng đi qua \(2\) điểm được chọn song song với trục \(Ox\) bằng \(\frac{1}{a}\). Tính \({a^2}\).

Đáp án: \(1,45\).

Gọi \(I\) là trung điểm \(CD\).

Ta có \(\Delta ACD\) là tam giác đều nên \(AI \bot CD\), \(\Delta BCD\) là tam giác cân tại  \(B\) nên \(BI \bot CD\).

Do đó \(CD \bot \left( {ABI} \right)\).

Trong tam giác \(\Delta ABI\) kẻ \(IO\) vuông góc \(AB\).

Khi đó \(d\left( {AB,CD} \right) = IO\).

Xét \(\Delta ACD\) là tam giác đều cạnh \(2\sqrt 3 \) nên \(AI = 3\).

Xét \(\Delta BCI\) vuông tại \(I\) có \(BI = \sqrt {B{C^2} - C{I^2}}  = \sqrt {7 - 3}  = 2\).

Diện tích tam giác \({S_{\Delta ABI}} = \sqrt {p\left( {p - AB} \right)\left( {p - AI} \right)\left( {p - BI} \right)}  = \sqrt {\frac{9}{2}\left( {\frac{9}{2} - 4} \right)\left( {\frac{9}{2} - 3} \right)\left( {\frac{9}{2} - 2} \right)}  = \frac{{3\sqrt {15} }}{4}\)

Khi đó \({S_{\Delta ABI}} = \frac{1}{2}OI.AB \Leftrightarrow OI = \frac{{2{S_{\Delta ABI}}}}{{AB}} = \frac{{3\sqrt {15} }}{8}\).

Gọi \(I\) là điểm phát sáng; \(M\) là trung điểm của \(EF;N = SM \cap GH;K = OM \cap G'H'.\)

Ta có \(GH\) là đường trung bình của tam giác \(SEF\) nên

Gọi \(P,Q\) lần lượt là trung điểm của \(SO,OM.\) Theo đề bài ta có

\(SI = 1{\rm{m,}}IO = 2{\rm{m,}}SP = \frac{1}{2}SO = \frac{3}{2}{\rm{m}} \Rightarrow IP = \frac{1}{2};NP = OQ = 2{\rm{m}}\) (vì \(M\) là trung điểm của \(EF\) nên \(N\) là trung điểm của \(GH,SM)\)

Xét tam giác \(IOK\) có

Mà \(OM = 4\) nên \(M\) là trung điểm của \(OK\) và  nên \(EF\) là đường trung bình của tam giác \(OG'H' \Rightarrow G'H' = 2EF = 2(AB - AE - FB) = 8{\rm{ m}}{\rm{.}}\)

Do \(M\) là trung điểm của \(EF\), cũng là trung điểm của \(AB\) nên \(OM \bot EF.\) Suy ra \(MK\) là đường cao của hình thang \(EFG'H'\) và \(MK = OM = 4{\rm{ m}}{\rm{.}}\)

Vậy \({S_{EFG'H'}} = \frac{{EF + G'H'}}{2}.MK = \frac{{4 + 8}}{2}.4 = 24{\rm{ }}{{\rm{m}}^2}.\)

Cách khác

Gọi \(I\) là điểm phát sáng; \(M\) là trung điểm của \(EF\) cũng là trung điểm của \(AB({\rm{v\`i  }}AE = FB);J\) là trung điểm của \(BC\) (hình vẽ).

Chọn hệ trục tọa độ \(Oxyz\) sao cho tia \(OM \equiv Ox,ON \equiv Oy,OS \equiv Oz.\) Khi đó

\(O(0;0;0),M(4;0;0),J(0;4;0),S(0;0;3);A(4; - 4;0);B(4;4;0);E(4; - 2;0),F(4;2;0),I(0;0;2).\)

\(H\) là trung điểm \(SE \Rightarrow H\left( {2; - 1;\frac{3}{2}} \right)\); \(G\)là trung điểm của \(SF \Rightarrow G\left( {2;1;\frac{3}{2}} \right).\)

\({\rm{Mp}}(ABCD) \equiv Oxy:z = 0.\)

\(\overrightarrow {IH}  = \left( {2; - 1; - \frac{1}{2}} \right) = \frac{1}{2}(4; - 2; - 1) \Rightarrow IH:\left\{ \begin{array}{l}x = 4t\\y =  - 2t\\z = 2 - t\end{array} \right. \Rightarrow H' = IH \cap Oxy \Rightarrow H'(8; - 4;0)\)

\(\overrightarrow {IG}  = \left( {2;1; - \frac{1}{2}} \right) = \frac{1}{2}(4;2; - 1) \Rightarrow IG:\left\{ \begin{array}{l}x = 4t'\\y = 2t'\\z = 2 - t'\end{array} \right. \Rightarrow G = IG \cap Oxy \Rightarrow G(8;4;0)\)

\(\overrightarrow {EH'}  = (4; - 2;0),\overrightarrow {EG'}  = (4;6;0),\overrightarrow {EF}  = (0;4;0)\)

Vậy $S_{EF{G}^{\text{'}}{H}^{\text{'}}}=S_{\Delta EF{G}^{\text{'}}}+S_{\Delta E{G}^{\text{'}}{H}^{\text{'}}}=\frac{1}{2}\left(\overrightarrow{EF}\times \overrightarrow{E{G}^{\text{'}}}+\overrightarrow{E{G}^{\text{'}}}\times \overrightarrow{E{H}^{\text{'}}}\right)=\frac{1}{2}(16+32)=24{\text{ m}}^2.$