Tứ diện ABCD, E, F thuộc AB, AC: AE = BE/2, AF = 2CF – vị trí EF và BC

Trả lời nhanh

Với AE = ½·BE và AF = 2·CF thì AE/AB = 1/3 còn AF/AC = 2/3. Hai tỉ số này khác nhau nên EF không song song với BC; hai đường thẳng cùng nằm trong mặt phẳng (ABC) nên chúng cắt nhau tại điểm M nằm ngoài đoạn BC, với MB = 4·MC (M nằm phía C).

Đây là dạng câu hỏi quen thuộc ở chương “Đường thẳng và mặt phẳng trong không gian”. Đề thường hỏi: EF song song, cắt hay chéo BC? hoặc tìm giao tuyến của (DEF) và (BCD). Bài dưới đây giải theo đề với AE = ½·BE và AF = 2·CF; nếu đề của em có tỉ số khác, chỉ cần thay số vào cùng phương pháp.

Bước 1: Đổi tỉ số về dạng AE/AB và AF/AC

  • AE = ½·BE nên BE = 2·AE, do E thuộc cạnh AB: AB = AE + BE = 3·AE ⇒ AE/AB = 1/3.
  • AF = 2·CF nên AC = AF + CF = 3·CF ⇒ AF/AC = 2/3.

Hai tỉ số 1/3 và 2/3 không bằng nhau.

Bước 2: Kết luận về vị trí EF và BC

  • E, F, B, C đều thuộc mặt phẳng (ABC) nên EF và BC đồng phẳng, không thể chéo nhau.
  • Nếu EF // BC thì theo định lí Thalès AE/AB = AF/AC. Ở đây 1/3 ≠ 2/3 nên không song song.
  • EF không trùng BC vì E không thuộc BC (E nằm trên cạnh AB, khác B).

Vậy EF và BC cắt nhau.

Bước 3: Tìm giao điểm M = EF ∩ BC

Áp dụng định lí Menelaus cho tam giác ABC với cát tuyến E – F – M (E ∈ AB, F ∈ AC, M ∈ BC):

(AE/EB) · (BM/MC) · (CF/FA) = 1 (độ dài tuyệt đối).

Thay AE/EB = 1/2 và CF/FA = 1/2: (1/2)·(BM/MC)·(1/2) = 1 ⇒ BM/MC = 4.

Vì BM = 4·MC mà M thuộc đường thẳng BC nên M nằm ngoài đoạn BC, về phía C, với MC = BC/3 và BM = 4BC/3.

Kiểm tra lại bằng vectơ

Lấy A làm gốc, đặt AB = b, AC = c. Khi đó AE = b/3, AF = 2c/3.

  • Điểm trên EF: b/3 + t(2c/3 − b/3).
  • Điểm trên BC: b + s(c − b).

Đồng nhất hệ số của c: 2t/3 = s. Hệ số của b: 1/3 − t/3 = 1 − s. Giải ra t = 2, s = 4/3. Vậy BM = (4/3)·BC, khớp với kết quả Menelaus.

Loại trừ các phương án thường gặp

Phát biểu Đúng/Sai Lí do
EF // BC Sai AE/AB ≠ AF/AC
EF cắt BC Đúng Đồng phẳng, không song song
EF và BC chéo nhau Sai Cùng nằm trong (ABC)
EF trùng BC Sai E không thuộc BC

Mở rộng: giao tuyến của (DEF) và (BCD)

D là điểm chung thứ nhất. M thuộc EF ⊂ (DEF) và M thuộc BC ⊂ (BCD) nên M là điểm chung thứ hai. Vậy giao tuyến là đường thẳng DM.

Mẹo nhớ và lỗi hay gặp

  • Mẹo: so sánh AE/AB với AF/AC. Bằng nhau ⇒ song song; khác nhau ⇒ cắt (khi E, F cùng nằm trong một mặt phẳng với B, C).
  • Lỗi 1: đọc “AE = ½ BE” thành AE/AB = 1/2. Thực tế AE/AB = 1/3.
  • Lỗi 2: quên rằng điểm cắt M thường nằm ngoài đoạn BC, nên không vẽ M trên cạnh BC.

Bài luyện tập

  1. Cho tứ diện ABCD, E ∈ AB, F ∈ AC sao cho AE = ½·BE và AF = ½·CF. Xét vị trí EF và BC.
    Đáp án: AE/AB = AF/AC = 1/3 nên EF // BC (và EF = BC/3).
  2. Với đề gốc ở trên, tính MC/BC.
    Đáp án: MC = BC/3, nên MC/BC = 1/3.
  3. Với AE = BE/2 và AF = 3·CF, hỏi EF có song song BC không?
    Đáp án: AE/AB = 1/3, AF/AC = 3/4, khác nhau nên không song song; EF cắt BC.

Câu hỏi thường gặp

Khi nào EF song song với BC trong tứ diện ABCD?

Khi E thuộc AB, F thuộc AC và AE/AB = AF/AC. Khi đó theo định lí Thalès đảo, EF // BC.

Vì sao EF và BC không thể chéo nhau?

Vì cả bốn điểm E, F, B, C đều nằm trong mặt phẳng (ABC), nên hai đường thẳng EF và BC đồng phẳng. Hai đường chéo nhau thì không đồng phẳng.

Giao điểm của EF và BC nằm ở đâu?

Với AE = ½BE và AF = 2CF, giao điểm M thỏa MB = 4MC và nằm ngoài đoạn BC, về phía đỉnh C.

Giao tuyến của hai mặt phẳng (DEF) và (BCD) là gì?

Là đường thẳng DM, trong đó M là giao điểm của EF và BC, vì D và M là hai điểm chung của hai mặt phẳng.