Chương III. Tứ giác

Bài 13. Hình chữ nhật

Sách bài tập Toán 8 — Kết nối tri thức, tập 1 · 3 bài tập, mỗi câu ít nhất 2 cách giải.

Bài 1 · Bài 3.20★★★★Trang 39— Chứng minh nhiều hình chữ nhật lồng nhau từ đường cao tam giác cân bằng dấu hiệu đường chéo
Bài 3.20 (trang 39). Cho tam giác cân tại , là đường cao. Gọi , lần lượt là trung điểm của , . Gọi , lần lượt là điểm sao cho là trung điểm của , là trung điểm của .
a) Chứng minh , , là những hình chữ nhật.
b) Tại sao giao điểm của và là trung điểm của ?
ABCHMNDE
Kiến thức cần nhớ
  • Tứ giác có hai đường chéo cắt nhau tại trung điểm của mỗi đường là hình bình hành (Bài 12, Định lí 3b).
  • Hình bình hành có một góc vuông là hình chữ nhật (Định lí 2a).
  • Trong tam giác cân, đường cao ứng với cạnh đáy đồng thời là đường trung tuyến.
  • Tứ giác có một cặp cạnh đối song song và bằng nhau là hình bình hành (Định lí 2b, Bài 12); trong hình bình hành, hai đường chéo cắt nhau tại trung điểm của mỗi đường.
🧠 Phân tích tư duy
Cả ba tứ giác cần chứng minh đều có cấu trúc giống nhau: hai đường chéo có chung trung điểm ( cho , cho ), cộng thêm sẵn một góc vuông tại (vì là đường cao) — dấu hiệu quen thuộc "đường chéo cắt nhau tại trung điểm + một góc vuông" của chính bài học. Với , chìa khoá là nhận ra là trung điểm (do tam giác cân, đường cao đồng thời trung tuyến), từ đó ghép hai hình chữ nhật nhỏ , lại thành hình chữ nhật lớn. Câu b) là điểm khó nhất: phải nhận ra , (và , ) là một cặp cạnh đối song song và bằng nhau của một hình bình hành PHỤ, mà chính là một đường chéo của hình bình hành phụ đó.
1Cách 1. Dấu hiệu đường chéo + Định lí 2a, rồi ghép cạnh đối song song bằng nhau

Định hướng. Chứng minh hai hình chữ nhật nhỏ trước bằng dấu hiệu đường chéo, rồi dùng cạnh của chúng để dựng hình chữ nhật lớn ; cuối cùng dùng chính hai hình chữ nhật nhỏ để chỉ ra , đều đi qua trung điểm .

Xét tứ giác : hai đường chéo là , ; là trung điểm (giả thiết) và là trung điểm (giả thiết) nên là hình bình hành (Định lí 3b); vì là đường cao nên , mà , cùng trên nên góc ; theo Định lí 2a, là hình chữ nhật
Tương tự, xét : hai đường chéo , có chung trung điểm nên là hình bình hành; góc (cùng lí do) nên theo Định lí 2a, là hình chữ nhật
Vì tam giác cân tại và là đường cao nên đồng thời là trung tuyến, tức là trung điểm , do đó
Từ hình chữ nhật : , (vì là cạnh đối của , mà ); từ hình chữ nhật : ,
Suy ra () và (cùng vuông góc ); tứ giác có , nên là hình bình hành (Định lí 2b); có góc (vì ) nên theo Định lí 2a, là hình chữ nhật
Xét quan hệ giữa , : từ hình chữ nhật , cạnh song song và bằng cạnh đối diện : , ; mà ( là trung điểm ) và , cùng nằm trên đường thẳng nên , ; tứ giác (thứ tự ) có cặp cạnh đối , song song và bằng nhau nên là hình bình hành, có hai đường chéo là và , chúng cắt nhau tại trung điểm của mỗi đường — suy ra đi qua trung điểm của
Lập luận hoàn toàn tương tự với hình chữ nhật và : nên , , tứ giác là hình bình hành với hai đường chéo , cắt nhau tại trung điểm của mỗi đường — suy ra cũng đi qua trung điểm của

Vậy a) , , đều là hình chữ nhật; b) cả và đều đi qua trung điểm của , nên giao điểm của chúng chính là trung điểm của .

2Cách 2. Toạ độ hoá

Định hướng. Đặt là gốc toạ độ, nằm trên trục hoành (vì tam giác cân nên là trung điểm ), trên trục tung; tính toạ độ , , , rồi kiểm trực tiếp các cạnh song song trục.

Đặt , , , (tam giác cân tại , trung điểm vì vừa là đường cao vừa là trung tuyến)
là trung điểm : ;
là trung điểm : ;
Bốn điểm , , , có các cạnh song song hai trục toạ độ là hình chữ nhật; tương tự , , , cho là hình chữ nhật
, , , cũng có các cạnh song song hai trục là hình chữ nhật
Đường thẳng nối , có trung điểm ; đường thẳng nối , cũng có trung điểm — trùng nhau và trùng đúng trung điểm của (đoạn từ đến )

Vậy cả hai kết luận đều khớp với Cách 1: ba tứ giác là hình chữ nhật, và giao điểm , là trung điểm .

Nhận xét. Cách 2 kiểm tra rất nhanh bằng số nhưng Cách 1 mới là lời giải chuẩn để trình bày, vì lớp 8 chưa học toạ độ trong chương trình hình học.

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: đúng phương pháp tổng hợp phù hợp lớp 8, không cần khái niệm toạ độ.
Đáp số. a) , , đều là hình chữ nhật. b) Giao điểm của và là trung điểm của , vì cả hai đoạn đó đều là đường chéo thứ hai của một hình bình hành nhận làm đường chéo còn lại.
Sai lầm thường gặp. Sai lầm hay gặp ở câu b) là cố chứng minh , cắt nhau tại trung điểm bằng cách đo đạc trên hình vẽ cụ thể rồi coi là hiển nhiên, thay vì chỉ ra và là hai hình bình hành nhận làm một đường chéo — thiếu bước dựng hình bình hành phụ này thì lập luận không chặt.
🚀 Mở rộng. Có thể tổng quát: với tam giác bất kì (không cần cân) có đường cao , hai tứ giác , dựng theo đúng cách trên vẫn là hình chữ nhật (không cần là trung điểm ), nhưng nói chung không còn là hình chữ nhật vì .
Bài 2 · Bài 3.21★★★★Trang 39— Chứng minh hình chữ nhật từ tính chất trọng tâm chia trung tuyến theo tỉ số 2:1 và trung tuyến ứng hai cạnh bên của tam giác cân bằng nhau
Bài 3.21 (trang 39). Hai đường trung tuyến , của tam giác cân tại cắt nhau tại . Gọi , lần lượt là điểm sao cho trung điểm của là , trung điểm của là . Chứng minh tứ giác là hình chữ nhật.
ABCMNGHK
Kiến thức cần nhớ
  • Trọng tâm của tam giác cách mỗi đỉnh một khoảng gấp đôi khoảng cách từ trọng tâm đến trung điểm cạnh đối diện.
  • Trong tam giác cân, hai đường trung tuyến ứng với hai cạnh bên bằng nhau (do đối xứng qua trục của tam giác cân).
  • Tứ giác có hai đường chéo bằng nhau và cắt nhau tại trung điểm của mỗi đường là hình chữ nhật (Ví dụ 2).
🧠 Phân tích tư duy
Đề dựng , bằng cách "kéo dài" , thêm một đoạn bằng chính nó — dấu hiệu là nhận ra , nằm trên ĐÚNG đường thẳng chứa trung tuyến , (vì , vốn đã nằm trên các trung tuyến đó), với , . Kết hợp tính chất quen thuộc "trọng tâm cách đỉnh gấp đôi cách trung điểm cạnh đối diện" (, ), suy ra , đối xứng với , qua . Bẫy của bài là phải chứng minh được (hay ) từ tính chất riêng của tam giác CÂN — nếu tam giác không cân, hai trung tuyến này không bằng nhau và nói chung không còn là hình chữ nhật.
1Cách 1. Dùng tính chất trọng tâm và trung tuyến tam giác cân, rồi Ví dụ 2

Định hướng. Chỉ ra là trung điểm của cả và , rồi chỉ ra , để áp dụng đúng Ví dụ 2.

Vì tam giác cân tại , phép đối xứng qua trục của tam giác (đường thẳng qua vuông góc ) biến và biến trung tuyến (nối với trung điểm ) thành trung tuyến (nối với trung điểm ), nên
là trọng tâm nên , ; tương tự , ; vì nên và
là trung điểm (giả thiết) nên nằm trên đường thẳng kéo dài qua , với ; vì , , , thẳng hàng theo đúng thứ tự này (điểm ở phía đối diện qua ) nên và , nằm về hai phía của trên cùng một đường thẳng, suy ra là trung điểm của
Hoàn toàn tương tự, nằm trên đường thẳng với , và là trung điểm của
Vì (tất cả bằng nhau, chứng minh ở trên) nên và , tức

Vậy hai đoạn , chính là hai đường chéo của tứ giác , chúng bằng nhau và cắt nhau tại trung điểm chung của mỗi đường; theo Ví dụ 2, là hình chữ nhật.

2Cách 2. Vectơ tổng quát

Định hướng. Biểu diễn mọi điểm theo hai vectơ cạnh xuất phát từ , tính toạ độ , , , , bằng công thức trọng tâm và trung điểm, rồi kiểm tính chất hình chữ nhật bằng đại số vectơ.

Đặt làm gốc, , ; trung điểm : ; trung điểm : ; trọng tâm
là trung điểm : ; là trung điểm :
; — tức và , nên là hình bình hành (Định lí 2b)
Vì tam giác cân tại nên (do ); tính và ; với , tính trực tiếp (khai triển đều ra cùng một biểu thức đối xứng theo và ), nên

Vậy vừa là hình bình hành vừa có hai đường chéo , nên theo Định lí 2b, là hình chữ nhật — khớp với Cách 1.

Nhận xét. Cách 1 ngắn gọn và phù hợp trình bày ở lớp 8; Cách 2 dùng để kiểm chứng lại bằng vectơ tổng quát, đúng với mọi tam giác cân tại .

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: chỉ dùng tính chất trọng tâm quen thuộc và Ví dụ 2 của chính bài học, không cần vectơ.
Đáp số. Tứ giác là hình chữ nhật.
Sai lầm thường gặp. Sai lầm hay gặp là quên chứng minh (từ do tam giác cân) mà mặc định hai đường chéo , bằng nhau — nếu tam giác không cân, và chỉ còn là hình bình hành, không chắc là hình chữ nhật.
🚀 Mở rộng. Nếu tam giác không cân, dựng theo đúng cách trên vẫn luôn là hình bình hành (vì luôn là trung điểm chung của , theo tính chất trọng tâm), nhưng chỉ là hình chữ nhật khi và chỉ khi , tức tam giác cân tại .
Bài 3 · Bài 3.22★★★★Trang 39— Chứng minh hai chiều của tính chất trung tuyến ứng với cạnh huyền trong tam giác vuông, bằng hai công cụ khác nhau
Bài 3.22 (trang 39). 1) Sử dụng tính chất tổng các góc của một tam giác bằng để chứng minh:
a) Trong tam giác vuông, đường trung tuyến ứng với cạnh huyền bằng nửa cạnh huyền.
b) Nếu tam giác có đường trung tuyến bằng nửa cạnh thì tam giác đó vuông tại .
2) Sử dụng tính chất hai đường chéo của hình chữ nhật bằng nhau để chứng minh lại a), b) của ý 1).
ABCMD
Kiến thức cần nhớ
  • Tổng ba góc của một tam giác bằng .
  • Tứ giác có hai đường chéo cắt nhau tại trung điểm của mỗi đường là hình bình hành (Bài 12, Định lí 3b).
  • Định lí 1, Định lí 2 của bài Hình chữ nhật (đường chéo bằng nhau; hình bình hành có góc vuông là hình chữ nhật).
🧠 Phân tích tư duy
Đề yêu cầu chứng minh CẢ HAI CHIỀU (thuận và đảo) của Nhận xét đã nêu ở trang 64, bằng hai công cụ khác nhau theo đúng chỉ dẫn: tổng ba góc tam giác (không cần khái niệm hình chữ nhật), và tính chất đường chéo hình chữ nhật (dùng lại chính Định lí 1, Định lí 2 của bài). Dấu hiệu chung cho cả hai chiều là dựng thêm điểm đối xứng với qua , biến tam giác thành một tứ giác có hai đường chéo cắt nhau tại trung điểm, từ đó chuyển bài toán so sánh với sang so sánh CẠNH hoặc ĐƯỜNG CHÉO của tứ giác đó. Bẫy của đề là chiều đảo (b) dễ bị trình bày ngược logic (giả sử kết luận đúng rồi suy giả thiết), cần viết đúng chiều nhân quả xuất phát từ giả thiết .
1Cách 1. Dùng tổng ba góc tam giác (mục 1 của đề)

Định hướng. a) Dựng đối xứng qua , dùng hai tam giác bằng nhau để suy góc vuông rồi ra . b) Từ suy các tam giác , cân, rồi cộng góc bằng tổng ba góc tam giác.

a) (Chiều thuận, tam giác vuông tại ) Trên tia đối tia lấy sao cho ; xét và : , góc góc (đối đỉnh), ( trung điểm ) (c.g.c) và góc góc , suy (so le trong bằng nhau)
Vì và (góc ) nên ; xét và : chung, góc góc , (đã chứng minh) (c.g.c)
Mà là trung điểm (theo cách dựng) nên
b) (Chiều đảo, giả thiết ) Vì trung điểm nên ; tam giác có nên cân tại : góc góc , đặt chung là ; tam giác có nên cân tại : góc góc , đặt chung là
Tổng ba góc tam giác : góc góc góc , tức (vì góc góc góc )
Vậy góc , tam giác vuông tại

Vậy a) đúng: trung tuyến ứng cạnh huyền bằng nửa cạnh huyền; b) đúng: tam giác vuông tại đỉnh đối diện cạnh có trung tuyến bằng nửa cạnh đó.

2Cách 2. Dùng tính chất đường chéo hình chữ nhật (mục 2 của đề)

Định hướng. Cùng dựng đối xứng qua như Cách 1, nhưng lần này nhận diện là hình bình hành rồi dùng Định lí 2a / Định lí 1 (hoặc Định lí 2b) của bài Hình chữ nhật.

a) (Chiều thuận) Dựng đối xứng qua như Cách 1; tứ giác có hai đường chéo , cắt nhau tại trung điểm của mỗi đường (vì là trung điểm và cũng là trung điểm theo cách dựng) là hình bình hành (Định lí 3b)
Vì góc (giả thiết tam giác vuông tại ) nên theo Định lí 2a, là hình chữ nhật hai đường chéo bằng nhau: (Định lí 1)
là trung điểm nên
b) (Chiều đảo) Với dựng như trên, vẫn là hình bình hành (đường chéo cắt nhau tại trung điểm , không cần biết góc )
Giả thiết và là trung điểm cả , nên , tức hai đường chéo , của hình bình hành bằng nhau
Theo Định lí 2b, hình bình hành có hai đường chéo bằng nhau là hình chữ nhật là hình chữ nhật góc (góc của hình chữ nhật)

Vậy cả hai chiều đều được chứng minh lại bằng tính chất đường chéo hình chữ nhật, khớp với Cách 1.

3Cách 3. Toạ độ – tích vô hướng (gộp cả hai chiều trong một đẳng thức)

Định hướng. Đặt (trung điểm , luôn tồn tại) làm gốc toạ độ; viết điều kiện góc vuông và điều kiện trung tuyến bằng nửa cạnh huyền dưới dạng đại số, rồi so sánh trực tiếp.

Đặt là gốc toạ độ, , (với ), bất kỳ; khi đó
Điều kiện góc tương đương : , , tích vô hướng
Điều kiện tương đương
So sánh: , biểu thức này bằng khi và chỉ khi

Vậy góc đúng khi và chỉ khi — một đẳng thức đại số duy nhất chứng minh gọn cả hai chiều a) và b) cùng lúc, khớp với Cách 1, Cách 2.

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Nếu đề chỉ định rõ công cụ (mục 1 dùng tổng góc, mục 2 dùng đường chéo hình chữ nhật) thì phải trình bày đúng theo Cách 1 và Cách 2 tương ứng; nếu được tự chọn, Cách 3 (toạ độ) ngắn nhất vì gộp cả hai chiều trong một đẳng thức.
Đáp số. a) Trong tam giác vuông, đường trung tuyến ứng với cạnh huyền bằng nửa cạnh huyền. b) Nếu tam giác có một đường trung tuyến bằng nửa cạnh tương ứng thì tam giác đó vuông tại đỉnh đối diện cạnh đó.
Sai lầm thường gặp. Ở chiều đảo (b), nhiều bạn chứng minh cho một hình vẽ cụ thể rồi mặc định đúng cho mọi tam giác, hoặc lấy luôn kết luận "góc " làm giả thiết để suy ngược lại — cần xuất phát đúng từ giả thiết rồi suy ra góc vuông, không được đảo chiều lập luận.
🚀 Mở rộng. Tính chất này (Nhận xét, trang 64) rất hay dùng để chứng minh một tam giác vuông mà không cần đo góc trực tiếp — chỉ cần so sánh độ dài trung tuyến với nửa cạnh đối diện, ứng dụng nhiều trong các bài toán dựng hình và chứng minh tứ giác nội tiếp ở lớp trên.