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 ABC cân tại A, AH là đường cao. Gọi M, N lần lượt là trung điểm của AB, AC. Gọi D, E lần lượt là điểm sao cho M là trung điểm của HD, N là trung điểm của HE. a) Chứng minh AHBD, AHCE, BCED là những hình chữ nhật. b) Tại sao giao điểm của BE và CD là trung điểm của AH?
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 (M cho AHBD, N cho AHCE), cộng thêm sẵn một góc vuông tại H (vì AH là đường cao) — dấu hiệu quen thuộc "đường chéo cắt nhau tại trung điểm + một góc vuông" của chính bài học. Với BCED, chìa khoá là nhận ra H là trung điểm BC (do tam giác cân, đường cao đồng thời trung tuyến), từ đó ghép hai hình chữ nhật nhỏ AHBD, AHCE lại thành hình chữ nhật lớn. Câu b) là điểm khó nhất: phải nhận ra AD, HC (và AE, HB) là một cặp cạnh đối song song và bằng nhau của một hình bình hành PHỤ, mà AH 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 BCED; cuối cùng dùng chính hai hình chữ nhật nhỏ để chỉ ra CD, BE đều đi qua trung điểm AH.
Xét tứ giác AHBD: hai đường chéo là AB, HD; M là trung điểm AB (giả thiết) và M là trung điểm HD (giả thiết) nên AHBD là hình bình hành (Định lí 3b); vì AH là đường cao nên AH⊥BC, mà H, B cùng trên BC nên góc AHB=90∘; theo Định lí 2a, AHBD là hình chữ nhật Tương tự, xét AHCE: hai đường chéo AC, HE có chung trung điểm N nên AHCE là hình bình hành; góc AHC=90∘ (cùng lí do) nên theo Định lí 2a, AHCE là hình chữ nhật Vì tam giác ABC cân tại A và AH là đường cao nên AH đồng thời là trung tuyến, tức H là trung điểm BC, do đó HB=HC Từ hình chữ nhật AHBD: BD=AH, BD⊥BC (vì BD là cạnh đối của AH, mà AH⊥BC); từ hình chữ nhật AHCE: CE=AH, CE⊥BC Suy ra BD=CE (=AH) và BD\parallelCE (cùng vuông góc BC); tứ giác BCED có BD\parallelCE, BD=CE nên là hình bình hành (Định lí 2b); có góc DBC=90∘ (vì BD⊥BC) nên theo Định lí 2a, BCED là hình chữ nhật Xét quan hệ giữa AD, HC: từ hình chữ nhật AHBD, cạnh AD song song và bằng cạnh đối diện HB: AD=HB, AD\parallelHB; mà HB=HC (H là trung điểm BC) và HB, HC cùng nằm trên đường thẳng BC nên AD=HC, AD\parallelHC; tứ giác ADHC (thứ tự A,D,H,C) có cặp cạnh đối AD, HC song song và bằng nhau nên là hình bình hành, có hai đường chéo là AH và DC, chúng cắt nhau tại trung điểm của mỗi đường — suy ra DC đi qua trung điểm của AH Lập luận hoàn toàn tương tự với hình chữ nhật AHCE và AHBD: AE=HC nên AE=HB, AE\parallelHB, tứ giác AEHB là hình bình hành với hai đường chéo AH, EB cắt nhau tại trung điểm của mỗi đường — suy ra EB cũng đi qua trung điểm của AH
Vậy a) AHBD, AHCE, BCED đều là hình chữ nhật; b) cả CD và BE đều đi qua trung điểm của AH, nên giao điểm của chúng chính là trung điểm của AH.
2Cách 2. Toạ độ hoá
Định hướng. Đặt H là gốc toạ độ, BC nằm trên trục hoành (vì tam giác cân nên H là trung điểm BC), A trên trục tung; tính toạ độ M, N, D, E rồi kiểm trực tiếp các cạnh song song trục.
Đặt H=(0;0), B=(−b;0), C=(b;0), A=(0;a) (tam giác cân tại A, H trung điểm BC vì AH vừa là đường cao vừa là trung tuyến) M là trung điểm AB: M=(−2b;2a); D=2M−H=(−b;a) N là trung điểm AC: N=(2b;2a); E=2N−H=(b;a) Bốn điểm A(0;a), H(0;0), B(−b;0), D(−b;a) có các cạnh song song hai trục toạ độ ⇒AHBD là hình chữ nhật; tương tự A(0;a), H(0;0), C(b;0), E(b;a) cho AHCE là hình chữ nhật B(−b;0), C(b;0), E(b;a), D(−b;a) cũng có các cạnh song song hai trục ⇒BCED là hình chữ nhật Đường thẳng CD nối C(b;0), D(−b;a) có trung điểm (0;2a); đường thẳng BE nối B(−b;0), E(b;a) cũng có trung điểm (0;2a) — trùng nhau và trùng đúng trung điểm của AH (đoạn từ (0;a) đến (0;0))
Vậy cả hai kết luận đều khớp với Cách 1: ba tứ giác là hình chữ nhật, và giao điểm BE, CD là trung điểm AH.
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) AHBD, AHCE, BCED đều là hình chữ nhật. b) Giao điểm của BE và CD là trung điểm của AH, vì cả hai đoạn đó đều là đường chéo thứ hai của một hình bình hành nhận AH làm đường chéo còn lại.
Sai lầm thường gặp.Sai lầm hay gặp ở câu b) là cố chứng minh BE, CD cắt nhau tại trung điểm AH bằng cách đo đạc trên hình vẽ cụ thể rồi coi là hiển nhiên, thay vì chỉ ra ADHC và AEHB là hai hình bình hành nhận AH 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 AH, hai tứ giác AHBD, AHCE dựng theo đúng cách trên vẫn là hình chữ nhật (không cần H là trung điểm BC), nhưng BCED nói chung không còn là hình chữ nhật vì HB=HC.
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 BM, CN của tam giác ABC cân tại A cắt nhau tại G. Gọi H, K lần lượt là điểm sao cho trung điểm của GH là M, trung điểm của GK là N. Chứng minh tứ giác BCHK là hình chữ nhật.
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 H, K bằng cách "kéo dài" GM, GN thêm một đoạn bằng chính nó — dấu hiệu là nhận ra H, K nằm trên ĐÚNG đường thẳng chứa trung tuyến BM, CN (vì M, N vốn đã nằm trên các trung tuyến đó), với GH=2GM, GK=2GN. Kết hợp tính chất quen thuộc "trọng tâm cách đỉnh gấp đôi cách trung điểm cạnh đối diện" (GB=2GM, GC=2GN), suy ra H, K đối xứng với B, C qua G. Bẫy của bài là phải chứng minh được GM=GN (hay BM=CN) từ tính chất riêng của tam giác CÂN — nếu tam giác không cân, hai trung tuyến này không bằng nhau và BCHK 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 G là trung điểm của cả BH và CK, rồi chỉ ra BH=CK, để áp dụng đúng Ví dụ 2.
Vì tam giác ABC cân tại A, phép đối xứng qua trục của tam giác (đường thẳng qua A vuông góc BC) biến B↔C và biến trung tuyến BM (nối B với trung điểm AC) thành trung tuyến CN (nối C với trung điểm AB), nên BM=CN G là trọng tâm nên GB=32BM, GM=31BM; tương tự GC=32CN, GN=31CN; vì BM=CN nên GB=GC và GM=GN M là trung điểm GH (giả thiết) nên H nằm trên đường thẳng BM kéo dài qua G,M, với GH=2GM=32BM=GB; vì B, G, M, H thẳng hàng theo đúng thứ tự này (điểm H ở phía đối diện B qua G) nên GB=GH và B, H nằm về hai phía của G trên cùng một đường thẳng, suy ra G là trung điểm của BH Hoàn toàn tương tự, K nằm trên đường thẳng CN với GK=2GN=GC, và G là trung điểm của CK Vì GB=GC=GH=GK (tất cả bằng nhau, chứng minh ở trên) nên BH=GB+GH=2GB và CK=GC+GK=2GC=2GB=BH, tức BH=CK
Vậy hai đoạn BH, CK chính là hai đường chéo của tứ giác BCHK, chúng bằng nhau và cắt nhau tại trung điểm chung G của mỗi đường; theo Ví dụ 2, BCHK là hình chữ nhật.
2Cách 2. Vectơ tổng quát
Định hướng. Biểu diễn mọi điểm theo hai vectơ cạnh xuất phát từ A, tính toạ độ G, M, N, H, K bằng công thức trọng tâm và trung điểm, rồi kiểm tính chất hình chữ nhật bằng đại số vectơ.
Đặt A làm gốc, AB=u, AC=v; M trung điểm AC: M=2v; N trung điểm AB: N=2u; trọng tâm G=3u+v M là trung điểm GH: H=2M−G=v−3u+v=3−u+2v; N là trung điểm GK: K=2N−G=u−3u+v=32u−v BC=v−u; KH=H−K=3−u+2v−32u−v=3−3u+3v=v−u=BC — tức BC\parallelKH và BC=KH, nên BCHK là hình bình hành (Định lí 2b) Vì tam giác cân tại A nên ∣u∣=∣v∣ (do AB=AC); tính BH=H−B=3−u+2v−u=3−4u+2v và CK=K−C=32u−v−v=32u−4v; với ∣u∣=∣v∣, tính trực tiếp ∣BH∣2=∣CK∣2 (khai triển đều ra cùng một biểu thức đối xứng theo ∣u∣2=∣v∣2 và u⋅v), nên BH=CK
VậyBCHK vừa là hình bình hành vừa có hai đường chéo BH=CK, nên theo Định lí 2b, BCHK 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 A.
⭐ 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 BCHK là hình chữ nhật.
Sai lầm thường gặp.Sai lầm hay gặp là quên chứng minh GB=GC (từ BM=CN do tam giác cân) mà mặc định hai đường chéo BH, CK bằng nhau — nếu tam giác không cân, BM=CN và BCHK chỉ còn là hình bình hành, không chắc là hình chữ nhật.
🚀 Mở rộng.Nếu tam giác ABC không cân, BCHK dựng theo đúng cách trên vẫn luôn là hình bình hành (vì G luôn là trung điểm chung của BH, CK theo tính chất trọng tâm), nhưng chỉ là hình chữ nhật khi và chỉ khi BM=CN, tức tam giác cân tại A.
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 180∘ để chứng minh: a) Trong tam giác vuông, đường trung tuyến ứng với cạnh huyền bằng nửa cạnh huyền. b) Nếu tam giác ABC có đường trung tuyến AM bằng nửa cạnh BC thì tam giác đó vuông tại A. 2) Sử dụng tính chất hai đường chéo của hình chữ nhật bằng nhau để chứng minh lại a), b) của ý 1).
Kiến thức cần nhớ
Tổng ba góc của một tam giác bằng 180∘.
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 D đối xứng với A qua M, biến tam giác thành một tứ giác có hai đường chéo cắt nhau tại trung điểm, từ đó chuyển bài toán so sánh AM với BC/2 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 AM=21BC.
1Cách 1. Dùng tổng ba góc tam giác (mục 1 của đề)
Định hướng. a) Dựng D đối xứng A qua M, dùng hai tam giác bằng nhau để suy góc vuông rồi ra AM=21BC. b) Từ AM=21BC suy các tam giác ABM, ACM cân, rồi cộng góc bằng tổng ba góc tam giác.
a) (Chiều thuận, tam giác vuông tại A) Trên tia đối tia MA lấy D sao cho MD=MA; xét △AMC và △DMB: MA=MD, góc AMC= góc DMB (đối đỉnh), MC=MB (M trung điểm BC) ⇒△AMC=△DMB (c.g.c) ⇒DB=AC và góc MDB= góc MAC, suy DB\parallelAC (so le trong bằng nhau) Vì DB\parallelAC và AC⊥AB (góc A=90∘) nên DB⊥AB; xét △ABC và △BAD: AB chung, góc BAC= góc ABD=90∘, AC=BD (đã chứng minh) ⇒△ABC=△BAD (c.g.c) ⇒BC=AD Mà M là trung điểm AD (theo cách dựng) nên AM=21AD=21BC b) (Chiều đảo, giả thiết AM=21BC) Vì M trung điểm BC nên MB=MC=21BC=AM; tam giác ABM có MA=MB nên cân tại M: góc BAM= góc ABM, đặt chung là β; tam giác ACM có MA=MC nên cân tại M: góc CAM= góc ACM, đặt chung là γ Tổng ba góc tam giác ABC: góc B+ góc C+ góc A=180∘, tức β+γ+(β+γ)=180∘ (vì góc A= góc BAM+ góc CAM=β+γ) ⇒2(β+γ)=180∘⇒β+γ=90∘ Vậy góc A=β+γ=90∘, tam giác ABC vuông tại A
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 D đối xứng A qua M như Cách 1, nhưng lần này nhận diện ABDC 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 D đối xứng A qua M như Cách 1; tứ giác ABDC có hai đường chéo AD, BC cắt nhau tại trung điểm M của mỗi đường (vì M là trung điểm BC và cũng là trung điểm AD theo cách dựng) ⇒ABDC là hình bình hành (Định lí 3b) Vì góc BAC=90∘ (giả thiết tam giác vuông tại A) nên theo Định lí 2a, ABDC là hình chữ nhật ⇒ hai đường chéo bằng nhau: AD=BC (Định lí 1) M là trung điểm AD nên AM=21AD=21BC b) (Chiều đảo) Với D dựng như trên, ABDC vẫn là hình bình hành (đường chéo cắt nhau tại trung điểm M, không cần biết góc A) Giả thiết AM=21BC và M là trung điểm cả AD, BC nên AD=2AM=BC, tức hai đường chéo AD, BC của hình bình hành ABDC bằng nhau Theo Định lí 2b, hình bình hành có hai đường chéo bằng nhau là hình chữ nhật ⇒ABDC là hình chữ nhật ⇒ góc BAC=90∘ (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 M (trung điểm BC, 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 M là gốc toạ độ, B=(−m;0), C=(m;0) (với BC=2m), A=(x;y) bất kỳ; khi đó AM2=x2+y2 Điều kiện góc A=90∘ tương đương AB⋅AC=0: AB=(−m−x;−y), AC=(m−x;−y), tích vô hướng =(−m−x)(m−x)+y2=x2+y2−m2 Điều kiện AM=21BC=m tương đương x2+y2=m2 So sánh: AB⋅AC=x2+y2−m2, biểu thức này bằng 0 khi và chỉ khi x2+y2=m2
Vậy góc A=90∘ đúng khi và chỉ khi AM=21BC — 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 A=90∘" làm giả thiết để suy ngược lại — cần xuất phát đúng từ giả thiết AM=21BC 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.