Chương IX. Quan hệ giữa các yếu tố trong một tam giác

Bài 32. Quan hệ giữa đường vuông góc và đường xiên

Sách bài tập Toán 7 — Kết nối tri thức, tập 2 · 5 bài tập, mỗi câu ít nhất 2 cách giải.

Bài 1 · 9.5★★★Trang 50— Chứng minh khoảng cách từ mọi điểm trên một đường thẳng đến đường thẳng song song với nó là như nhau
Bài 9.5 (trang 50). Cho hai đường thẳng song song và . Chứng minh rằng khoảng cách từ mọi điểm thuộc đến đường thẳng bằng nhau (khoảng cách đó được gọi là khoảng cách giữa hai đường thẳng song song và ).
MM'HH'cd
Kiến thức cần nhớ
  • Định lí: Trong các đường xiên và đường vuông góc kẻ từ một điểm nằm ngoài một đường thẳng đến đường thẳng đó thì đường vuông góc là đường ngắn nhất.
  • Điểm nằm trong một góc và cách đều hai cạnh của góc thì nằm trên tia phân giác của góc đó (và ngược lại).
  • Trong hình bình hành, hai cặp cạnh đối song song và bằng nhau từng đôi một; ngược lại, một tứ giác có một cặp cạnh đối vừa song song vừa bằng nhau thì là hình bình hành.
🧠 Phân tích tư duy
Đề chỉ cho và yêu cầu so sánh khoảng cách từ hai điểm \textit{bất kì} , trên đến — dấu hiệu là phải dựng thêm hai đường vuông góc , rồi chỉ ra một tứ giác đặc biệt chứa chúng. Vì và nên ; kết hợp (do ) ta có ngay một hình bình hành, từ đó suy ra hai cạnh đối bằng nhau. Bẫy là quên chứng minh trước khi dùng tính chất hình bình hành — hai đoạn cùng vuông góc với một đường thẳng thì mới chắc chắn song song với nhau.
1Cách 1. Dùng tứ giác MHH'M' là hình bình hành

Định hướng. Kẻ , rồi chỉ ra là hình bình hành.

Kẻ tại , tại (; ).
và nên .
, , mà nên .
Tứ giác có và nên là hình bình hành.
Trong hình bình hành, hai cạnh đối bằng nhau nên .

Vậy khoảng cách từ đến bằng khoảng cách từ đến ; vì , tuỳ ý trên nên khoảng cách từ mọi điểm thuộc đến đều bằng nhau.

2Cách 2. Dùng hai tam giác vuông bằng nhau (cạnh huyền – góc nhọn)

Định hướng. Xét hai tam giác vuông chung cạnh huyền , dùng góc so le trong tạo bởi để chứng minh chúng bằng nhau.

vuông tại và vuông tại có cạnh huyền chung .
, nên , do đó (so le trong, cát tuyến ).
(cạnh huyền – góc nhọn).

Vậy (hai cạnh tương ứng), khớp với Cách 1.

Nhận xét. Cách 2 không cần nêu tên hình bình hành, chỉ dùng tam giác bằng nhau đã học.

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: gọi thẳng tên hình bình hành rồi trích tính chất hai cạnh đối bằng nhau, ngắn hơn việc chứng minh hai tam giác bằng nhau ở Cách 2.
Đáp số. Khoảng cách từ mọi điểm thuộc đến đều bằng nhau (đã chứng minh với , tuỳ ý trên ).
Sai lầm thường gặp. Mặc định mà không nêu lí do — phải chỉ rõ cả hai cùng vuông góc với thì mới chắc chắn chúng song song với nhau (hai đường thẳng cùng vuông góc với đường thẳng thứ ba thì song song).
🚀 Mở rộng. Đây chính là cơ sở để định nghĩa \textit{khoảng cách giữa hai đường thẳng song song} — một đại lượng không đổi, dùng lại được khi học về hình chữ nhật, hình bình hành sau này.
Bài 2 · 9.6★★★Trang 50— Chứng minh hai điểm cách đều một đường thẳng thì đoạn nối chúng song song với đường thẳng đó
Bài 9.6 (trang 50). Cho hai điểm phân biệt , ở cùng phía đối với đường thẳng (, không thuộc ). Chứng minh rằng nếu , có cùng khoảng cách đến đường thẳng thì song song với .
MM'HH'd
Kiến thức cần nhớ
  • Định lí: Trong các đường xiên và đường vuông góc kẻ từ một điểm nằm ngoài một đường thẳng đến đường thẳng đó thì đường vuông góc là đường ngắn nhất.
  • Điểm nằm trong một góc và cách đều hai cạnh của góc thì nằm trên tia phân giác của góc đó (và ngược lại).
  • Trong hình bình hành, hai cặp cạnh đối song song và bằng nhau từng đôi một; ngược lại, một tứ giác có một cặp cạnh đối vừa song song vừa bằng nhau thì là hình bình hành.
🧠 Phân tích tư duy
Đề cho (cùng khoảng cách đến ) và , cùng phía — dấu hiệu ngược lại của Bài 9.5: ở đó biết suy ra khoảng cách bằng nhau, còn ở đây biết khoảng cách bằng nhau phải suy ra song song. Hướng an toàn là dùng đúng dấu hiệu nhận biết hình bình hành: một cặp cạnh đối vừa song song vừa bằng nhau. Bẫy là quên điều kiện \enquote{cùng phía}: nếu , khác phía thì nhưng không còn là hình bình hành mà là một hình khác, sẽ cắt .
1Cách 1. Dùng dấu hiệu nhận biết hình bình hành

Định hướng. Kẻ , rồi chỉ ra có một cặp cạnh đối song song và bằng nhau.

Kẻ tại , tại ; và nên .
Theo giả thiết, , có cùng khoảng cách đến nên .
Tứ giác có và nên là hình bình hành (dấu hiệu: một cặp cạnh đối song song và bằng nhau).

Vậy , mà nên .

2Cách 2. Dùng tính duy nhất của đường thẳng song song cách d một khoảng cho trước

Định hướng. Dùng Tiên đề Euclid: qua chỉ có đúng một đường thẳng song song với ; chỉ ra cũng nằm trên đường thẳng đó.

Gọi là đường thẳng đi qua và song song với (theo Tiên đề Euclid, đường thẳng này là duy nhất).
Mọi điểm trên đều có cùng khoảng cách đến (bằng lập luận như Bài 9.5, áp dụng cho ), khoảng cách đó bằng .
cùng phía với và có khoảng cách đến cũng bằng ; vì trên tia vuông góc chỉ có đúng một điểm cách đúng (ở phía đã cho), điểm đó chính là giao của với đường vuông góc qua , nên nằm trên .

Vậy , cùng nằm trên nên song song với , khớp với Cách 1.

Nhận xét. Cách 2 dùng lại đúng Tiên đề Euclid vừa học ở Bài 10, cho một góc nhìn khác Cách 1.

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: dấu hiệu hình bình hành cho lời giải ngắn gọn, trực tiếp một mạch, không cần lập luận về tính duy nhất như Cách 2.
Đáp số. song song với (đã chứng minh bằng cả dấu hiệu hình bình hành và Tiên đề Euclid).
Sai lầm thường gặp. Quên giả thiết \enquote{, cùng phía} — nếu hai điểm khác phía đối với mà vẫn cách đều thì lại cắt (tại trung điểm ), không song song.
🚀 Mở rộng. Đây chính là chiều đảo của Bài 9.5: hai bài ghép lại cho một tính chất hai chiều đầy đủ giữa \enquote{song song} và \enquote{cách đều}.
Bài 3 · 9.7★★★★Trang 50— Chứng minh một tia là phân giác bằng tính chất điểm cách đều hai cạnh của góc
Bài 9.7 (trang 50). Dùng thước hai lề ta có thể dựng cặp đường thẳng song song với khoảng cách không đổi. Cho góc . Dùng thước hai lề dựng cặp đường thẳng song song gồm đường thẳng chứa tia và đường thẳng (sao cho cắt ), rồi dùng thước hai lề đó, dựng cặp đường thẳng song song gồm đường thẳng chứa tia và đường thẳng (sao cho cắt ). Hai đường thẳng và cắt nhau tại . Chứng minh rằng tia là tia phân giác của góc .
OxyPx'y'
Kiến thức cần nhớ
  • Định lí: Trong các đường xiên và đường vuông góc kẻ từ một điểm nằm ngoài một đường thẳng đến đường thẳng đó thì đường vuông góc là đường ngắn nhất.
  • Điểm nằm trong một góc và cách đều hai cạnh của góc thì nằm trên tia phân giác của góc đó (và ngược lại).
  • Trong hình bình hành, hai cặp cạnh đối song song và bằng nhau từng đôi một; ngược lại, một tứ giác có một cặp cạnh đối vừa song song vừa bằng nhau thì là hình bình hành.
🧠 Phân tích tư duy
Đề mô tả một thao tác dựng hình bằng thước hai lề — dấu hiệu cốt lõi là \enquote{khoảng cách không đổi}, nghĩa là mọi điểm trên cách đều tia đúng , và mọi điểm trên cách đều tia đúng . Vì là giao của và nên vừa cách đúng , vừa cách đúng — tức cách đều hai cạnh của góc, đây chính là dấu hiệu để dùng tính chất tia phân giác. Bẫy là quên chứng minh nằm \textit{trong} góc (do cắt và cắt theo đúng cách dựng) trước khi áp dụng tính chất — tính chất chỉ đúng cho điểm nằm trong góc.
1Cách 1. Áp dụng trực tiếp tính chất điểm cách đều hai cạnh của góc

Định hướng. Chỉ ra cách đều , rồi trích thẳng tính chất đã học.

, mà với khoảng cách không đổi nên khoảng cách từ đến bằng .
, mà với khoảng cách không đổi nên khoảng cách từ đến cũng bằng .
nằm trong góc (do cách dựng cắt , cắt ) và cách đều hai cạnh , của góc.

Vậy theo tính chất, nằm trên tia phân giác của góc , tức tia là tia phân giác của góc .

2Cách 2. Dùng hai tam giác vuông bằng nhau (cạnh huyền – cạnh góc vuông)

Định hướng. Tự chứng minh lại tính chất bằng cách kẻ hai đường vuông góc từ xuống hai cạnh của góc.

Kẻ tại , tại ; theo lập luận trên .
vuông tại và vuông tại có cạnh huyền chung, .
(cạnh huyền – cạnh góc vuông) nên .

Vậy , tức tia là tia phân giác của góc , khớp với Cách 1.

Nhận xét. Cách 2 tự chứng minh lại từ đầu, không cần thuộc lòng tính chất như Cách 1.

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1 nếu tính chất \enquote{cách đều hai cạnh của góc thì nằm trên phân giác} đã được công nhận; nếu đề yêu cầu chứng minh chặt từ đầu thì dùng Cách 2.
Đáp số. Tia là tia phân giác của góc (vì cách đều , một khoảng không đổi).
Sai lầm thường gặp. Quên khẳng định nằm trong góc trước khi dùng tính chất tia phân giác — thiếu ý này bài chứng minh không chặt chẽ dù kết luận vẫn đúng.
🚀 Mở rộng. Đây là nguyên lí chế tạo dụng cụ \enquote{thước phân giác} bằng thước hai lề trong thực tế: chỉ cần một thước có hai lề song song cách đều là dựng được tia phân giác của bất kì góc nào mà không cần đo góc.
Bài 4 · 9.8★★★Trang 50— Chứng minh hai khoảng cách bằng nhau trong tam giác cân bằng tam giác vuông bằng nhau hoặc diện tích
Bài 9.8 (trang 50). Cho tam giác cân , . Chứng minh rằng khoảng cách từ đến đường thẳng bằng khoảng cách từ đến đường thẳng .
ABCHK
Kiến thức cần nhớ
  • Định lí: Trong các đường xiên và đường vuông góc kẻ từ một điểm nằm ngoài một đường thẳng đến đường thẳng đó thì đường vuông góc là đường ngắn nhất.
  • Điểm nằm trong một góc và cách đều hai cạnh của góc thì nằm trên tia phân giác của góc đó (và ngược lại).
  • Trong hình bình hành, hai cặp cạnh đối song song và bằng nhau từng đôi một; ngược lại, một tứ giác có một cặp cạnh đối vừa song song vừa bằng nhau thì là hình bình hành.
🧠 Phân tích tư duy
Đề cho tam giác cân và hỏi về hai khoảng cách \enquote{chéo} (từ đến , từ đến ) — dấu hiệu là dựng hai đường vuông góc , rồi tìm hai tam giác vuông có chung góc và cạnh bằng nhau . Hướng tự nhiên nhất là ghép hai tam giác vuông và bằng trường hợp cạnh huyền – góc nhọn (chung góc , cạnh huyền ). Bẫy là nhầm lẫn khoảng cách từ đến với đoạn — phải đúng là đoạn vuông góc , không phải cạnh đáy.
1Cách 1. Dùng hai tam giác vuông bằng nhau (cạnh huyền – góc nhọn)

Định hướng. Kẻ , rồi ghép hai tam giác vuông chung góc .

Kẻ tại , tại .
vuông tại và vuông tại có chung, (giả thiết).
(cạnh huyền – góc nhọn).

Vậy (hai cạnh tương ứng), tức khoảng cách từ đến bằng khoảng cách từ đến .

2Cách 2. Dùng diện tích tam giác

Định hướng. Tính diện tích theo hai cách, mỗi cách ứng với một chiều cao khác nhau.

nên là chiều cao ứng với cạnh : .
nên là chiều cao ứng với cạnh : .
Hai biểu thức cùng bằng nên ; vì nên .

Vậy , khớp với Cách 1.

Nhận xét. Cách 2 không cần xét tam giác bằng nhau, chỉ cần công thức diện tích đã học.

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: chỉ một dòng ghép tam giác bằng nhau, ngắn và trực quan hơn việc lập hai biểu thức diện tích ở Cách 2.
Đáp số. Khoảng cách từ đến bằng khoảng cách từ đến (cùng bằng ).
Sai lầm thường gặp. Nhầm \enquote{khoảng cách từ B đến AC} với độ dài cạnh — phải dựng đúng đoạn vuông góc ( trên đường thẳng ), không phải cạnh đáy của tam giác.
🚀 Mở rộng. Kết quả này chính là nền tảng cho Bài 9.9: tổng hai khoảng cách từ một điểm bất kì trên đến , luôn bằng giá trị không đổi này.
Bài 5 · 9.9★★★★Trang 50— Chứng minh tổng hai khoảng cách từ một điểm di động không đổi bằng phương pháp diện tích
Bài 9.9 (trang 50). Cho tam giác cân () và một điểm tuỳ ý thuộc đoạn thẳng . Chứng minh rằng tổng khoảng cách từ điểm đến hai đường thẳng , là một số không đổi.
ABCMHK
Kiến thức cần nhớ
  • Định lí: Trong các đường xiên và đường vuông góc kẻ từ một điểm nằm ngoài một đường thẳng đến đường thẳng đó thì đường vuông góc là đường ngắn nhất.
  • Điểm nằm trong một góc và cách đều hai cạnh của góc thì nằm trên tia phân giác của góc đó (và ngược lại).
  • Trong hình bình hành, hai cặp cạnh đối song song và bằng nhau từng đôi một; ngược lại, một tứ giác có một cặp cạnh đối vừa song song vừa bằng nhau thì là hình bình hành.
  • Diện tích tam giác lớn bằng tổng diện tích các tam giác con khi bị chia bởi một đoạn thẳng từ đỉnh đến một điểm trên cạnh đối diện.
🧠 Phân tích tư duy
Đề yêu cầu chứng minh một tổng \textit{không đổi} khi di chuyển trên — dấu hiệu của dạng toán bất biến, và công cụ mạnh nhất cho dạng này ở lớp 7 là tách diện tích: (vì nằm trên nên chia thành hai tam giác con). Vì , khi viết diện tích hai tam giác con theo hai chiều cao cần tìm, ta đưa được hệ thức về đúng dạng tổng hai khoảng cách cần chứng minh. Bẫy là quên mất khi rút gọn — nếu tam giác không cân thì tổng này không còn là hằng số.
1Cách 1. Dùng diện tích (đúng chương trình lớp 7)

Định hướng. Tách rồi biểu diễn từng diện tích theo chiều cao từ .

Kẻ tại , tại .
nằm trên nên .
; .
; vì nên .
.

Vậy , một giá trị không đổi (không phụ thuộc vị trí trên ); giá trị này đúng bằng khoảng cách đã tìm ở Bài 9.8.

2Cách 2 (tham khảo nâng cao — dùng toạ độ, học ở lớp 8). Đại số hoá bằng hệ trục toạ độ

Định hướng. Đặt toạ độ để tính trực tiếp , theo vị trí của , kiểm chứng lại kết quả của Cách 1 bằng công cụ khác.

Đặt , , (do tam giác cân tại ), với .
Đường thẳng có phương trình ; khoảng cách từ đến là (với ).
Tương tự (đối xứng qua trục thẳng đứng qua ), khoảng cách từ đến là .
, không phụ thuộc .

Vậy không đổi, khớp với kết quả của Cách 1 (vì ).

Nhận xét. Cách này vượt chương trình lớp 7 (toạ độ học ở lớp 8) nên chỉ dùng để kiểm chứng, không thay thế Cách 1 khi trình bày bài làm.

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1 (diện tích) — đây là cách duy nhất đúng chương trình lớp 7, trình bày đúng bốn dòng như trên là đủ trọn vẹn.
Đáp số. , một số không đổi, đúng bằng khoảng cách từ đến (hay từ đến ) đã chứng minh ở Bài 9.8.
Sai lầm thường gặp. Quên nhân tử khi viết diện tích tam giác theo cạnh và chiều cao, dẫn đến kết quả sai gấp đôi giá trị đúng.
🚀 Mở rộng. Đây là trường hợp riêng (tam giác cân) của một kết quả tổng quát hơn: với tam giác đều, tổng khoảng cách từ một điểm bất kì \textit{bên trong} tam giác đến cả ba cạnh luôn không đổi (định lí Viviani).

🎯 Học tiếp

📚 Cùng chương: Chương IX. Quan hệ giữa các yếu tố trong một tam giác