(3,5 điểm) Cho \[\Delta ABC\] vuông tại \[A\left( {AB < AC} \right),\] đường cao \[AH\] (\[H \in BC\]). Từ điểm \[H\] kẻ \[HD,HE\] lần lượt vuông góc với \[AB,{\rm{ }}AC\] (\[D \in AB\] và \[E \in AC\]).

1. Cho biết \[AB = 5{\rm{\;cm}}\] và \[B = 64^\circ \].

a) Tính độ dài các đoạn thẳng \[AC,{\rm{ }}BC.\]

b) Tính độ dài các đoạn thẳng \[BD,{\rm{ }}CE.\]

c) Tính diện tích tứ giác \[BDEC.\]

2. Chứng minh tam giác $\Delta HAB\backsim \Delta ECH$ và \({S_{\Delta ADH}} = {S_{\Delta ABC}}\left( {1 - {{\cos }^2}B} \right).{\sin ^2}C\).

Chú ý: Các kết quả tính độ dài tính theo đơn vị cm, diện tích theo đơn vị cm2 và được làm tròn 2 chữ số thập phân sau dấu phẩy. Các kết quả tính được chỉ dùng cho các ý của câu 1 bài toán này.

3. Gọi I là trung điểm \[AH\]. Đường thẳng qua \[I\] và vuông góc với \[ED\] cắt đường trung trực của đoạn thẳng \[EC\] tại \[J\]. Chứng minh điểm \[J\] cách đều 4 điểm \[B,{\rm{ }}D,{\rm{ }}E{\rm{ }}v\`a {\rm{ }}C.\]

1. a) Xét tam giác \[\Delta ABC\] vuông tại \[A\] có:

⦁ \[\tan \widehat {ABC} = \frac{{AC}}{{AB}}\], suy ra \[AC = AB.\tan \widehat {ABC} = 5 \cdot \tan 64^\circ  \approx 10,25\] (cm).

⦁ \[\cos \widehat {ABC} = \frac{{AB}}{{BC}},\] suy ra \[BC = \frac{{AB}}{{\cos \widehat {ABC}}} = \frac{5}{{\cos 64^\circ }} \approx 11,41\] (cm).

b) Ta có \[{S_{\Delta ABC}} = \frac{1}{2}AB.AC = \frac{1}{2}AH.BC\] nên \[AB.AC = AH.BC\]

\[\Delta ABC\] vuông tại \[A\] có: \[\sin \widehat {ABC} = \frac{{AH}}{{AB}}\]

Suy ra \[AH = AB.\sin \widehat {ABC} = 5.\sin 64^\circ  \approx 4,49\] (cm).

\[\Delta AHD\] vuông tại \[D\] có:

\[\cos \widehat {HAD} = \frac{{AD}}{{AH}}\], suy ra \[AD = AH.\cos \widehat {HAD} \approx 4,04\] (cm).

\[\sin \widehat {HAD} = \frac{{HD}}{{AH}}\], suy ra \[HD = AH.\sin \widehat {HAD} \approx 1,97\] (cm).

Suy ra: $BD =AB–AD=5–\mathrm{4,04}=\mathrm{0,96}$ (cm).

\[CE = AC - AE = AC - HD = 10,25 - 1,97 = 8,28\] (cm).

c) Diện tích tứ giác \[BDEC\] là

\[{S_{BDEC}} = {S_{\Delta ABC}} - {S_{\Delta ADE}}\]

\[ = \frac{1}{2}AB.AC - \frac{1}{2}AD.AE\]

\[\begin{array}{l} = \frac{1}{2}(AB.AC - AD.AE)\\ = \frac{1}{2}.(5.10,25 - 4,04\,.\,1,97)\\ = 21,65\end{array}\]

Vậy diện tích của tứ giác \[BDEC\] là \[21,65\] (cm2).

2. Ta có \[AB\, \bot \,AC\], \[HE\, \bot \,AC\] suy ra \[AB\,{\rm{//}}\,HE\] nên: \[\widehat {ABH} = \widehat {ECH}\] .

Xét \[\Delta HAB\,\] và \[\Delta ECH\] có:

\[\widehat {AHB} = \widehat {HEC} = 90^\circ \] và \[\widehat {ABH} = \widehat {ECH}\]

Do đó $\Delta HAB\backsim \Delta ECH$ (g.g).

Xét \[\Delta AHB\,\] và \[\Delta ABC\] có:

\[\widehat {ADH} = \widehat {BAC} = 90^\circ \] và \[\widehat {HAD} = \widehat C\].

Do đó $\Delta DAH\backsim \Delta ACB$ (g.g).

Suy ra \(\frac{{DA}}{{AC}} = \frac{{DH}}{{AB}} = \frac{{AH}}{{BC}}\).

Khi đó \[\frac{{{S_{\Delta DAH}}}}{{{S_{\Delta ABC}}}} = \frac{{\frac{1}{2}DA \cdot DH}}{{\frac{1}{2}AB \cdot AC}} = \left( {\frac{{DA}}{{AC}}} \right) \cdot \left( {\frac{{DH}}{{AB}}} \right) = \left( {\frac{{AH}}{{BC}}} \right) \cdot \left( {\frac{{AH}}{{BC}}} \right) = {\left( {\frac{{AH}}{{BC}}} \right)^2}\] \[(1)\]

Trong \[\Delta AHB\,\] vuông tại \[H,\] có \[\sin B = \frac{{AH}}{{AB}}\]

          \[\Delta AB\,C\] vuông tại \[A,\] có \[\sin C = \frac{{AB}}{{BC}}\];

Suy ra \[\frac{{AH}}{{AB}}.\frac{{AB}}{{BC}} = \sin B.\sin C\]

\[\frac{{AH}}{{BC}} = \sin B.\sin C\]

\[{\left( {\frac{{AH}}{{BC}}} \right)^2} = {\sin ^2}B.{\sin ^2}C\] \[(2)\]

Từ \[(1)\] và \[(2)\] ta có \[\frac{{{S_{\Delta DAH}}}}{{{S_{\Delta ABC}}}} = {\sin ^2}B.{\sin ^2}C\] hay \[{S_{\Delta DAH}} = {S_{\Delta ABC}}.{\sin ^2}B.{\sin ^2}C\]

Suy ra \[{S_{\Delta DAH}} = {S_{\Delta ABC}} \cdot \left( {1 - c{\rm{o}}{{\rm{s}}^2}B} \right) \cdot {\sin ^2}C\].

3. Vì \(J\) nằm trên đường trung trực của đoạn thẳng \(EC\) nên \(JE = JC\) (3)

Do tứ giác \(ADHE\) là hình chữ nhật nên \(I\) là trung điểm \(AH\) nên \(I\) là trung điểm của \(DE\)

Mà \[DE \bot \,IJ\] nên \(IJ\) là đường trung trực của đoạn thẳng \(EC\), suy ra \(JE = JD\) (4)

Gọi \(P\) và \(Q\) lần lượt là trung điểm \(BD\) và \(EC\).

Gọi \(O\) là giao điểm của các đường trung trực của \(BD\) và \(EC\).

Khi đó \(OE = OC;\,\,OB = OD\).

Ta có: \[AE.AC = \left( {AQ - QE} \right)\left( {AQ + QE} \right)\]

\(\begin{array}{l}AE.AC = A{Q^2} - Q{E^2}\\ = \left( {A{Q^2} + O{Q^2}} \right) - \left( {O{Q^2} - Q{E^2}} \right)\\ = 0{A^2} - O{E^2}\end{array}\)

Tương tự, ta có: \[AD.AB = O{A^2} - O{D^2}\]

Mà \[AE.{\rm{ }}AC = {\rm{ }}AD.{\rm{ }}AB\], nên \[O{A^2} - O{E^2} = O{A^2} - O{D^2}\].

Suy ra \(OE = OD\)

Vậy \[OE = OC = OB = OD.\]

Mặt khác, \(J\) là đường trung trực của \(DE\) và \(EC\) mà điểm \(O\) nằm trên giao điểm các đường trung trực \(DE\) và \(EC\) nên \(O\) và \(J\) |trùng nhau.

Vậy điểm \(J\) cách đều các điểm \(B,D,E\) và \(C\).