Chương III. Tứ giác

Bài tập cuối chương III

SGK Toán 8 — Kết nối tri thức, tập 1 · 7 bài tập, mỗi câu ít nhất 2 cách giải.

Bài 1 · Bài 3.39★★Trang 74— Nhận biết đúng/sai về góc tù trong tứ giác qua tổng bốn góc bằng 360°
Bài 3.39 (trang 74). Trong các khẳng định sau, khẳng định nào đúng?
A. Không có tứ giác nào mà không có góc tù.
B. Nếu tứ giác có ba góc nhọn thì góc còn lại là góc tù.
C. Nếu tứ giác có hai góc tù thì hai góc còn lại phải nhọn.
D. Không có tứ giác nào có ba góc tù.
Kiến thức cần nhớ
  • Tổng bốn góc trong một tứ giác (lồi) bằng .
  • Góc nhọn nhỏ hơn ; góc tù lớn hơn và nhỏ hơn .
🧠 Phân tích tư duy
Bốn mệnh đề đều xoay quanh khái niệm góc tù trong tứ giác — dấu hiệu để dùng ngay tính chất tổng bốn góc của một tứ giác bằng . Với mệnh đề khẳng định luôn đúng (B) nên chứng minh bằng suy luận tổng quát trên bất đẳng thức góc; với các mệnh đề nghi ngờ sai (A, C, D) nên tìm ngay một phản ví dụ cụ thể để bác bỏ, nhanh hơn hẳn so với việc cố chứng minh chúng đúng. Bẫy hay gặp là nhầm 'không nhọn' (tức ) với 'tù' (phải lớn hơn hẳn).
1Cách 1. Suy luận trực tiếp bằng bất đẳng thức tổng góc

Định hướng. Xét riêng khẳng định B bằng cách cộng ba bất đẳng thức góc nhọn; với A, C, D chỉ cần một tứ giác cụ thể làm phản ví dụ.

Giả sử tứ giác có ba góc nhọn, tức mỗi góc trong ba góc đó đều nhỏ hơn
Cộng ba bất đẳng thức cùng chiều: tổng ba góc đó nhỏ hơn
Vì tổng bốn góc của tứ giác bằng nên góc còn lại lớn hơn , tức là góc tù — khẳng định B đúng
Hình chữ nhật có bốn góc đều bằng , không góc nào là góc tù — khẳng định A sai
Tứ giác với , , , (tổng ) có hai góc tù nhưng góc còn lại không phải góc nhọn — khẳng định C sai
Tứ giác với , , , (tổng ) có ba góc tù — khẳng định D sai

Vậy khẳng định đúng là phương án B.

2Cách 2. Phản chứng cho khẳng định B, loại trừ bằng phản ví dụ cho A, C, D

Định hướng. Thay vì suy luận thuận, giả sử điều cần chứng minh là sai rồi chỉ ra mâu thuẫn với giả thiết tổng góc — cách lập luận khác bản chất với Cách 1.

Giả sử tứ giác có ba góc nhọn mà góc còn lại KHÔNG phải góc tù, tức góc đó nhỏ hơn hoặc bằng
Khi đó tổng bốn góc nhỏ hơn (vì ba góc nhọn đều nhỏ hơn một cách nghiêm ngặt)
Điều này mâu thuẫn với tổng bốn góc của tứ giác luôn bằng đúng
Vậy điều giả sử là sai, suy ra góc còn lại chắc chắn là góc tù — khẳng định B đúng
Với A, C, D: thử trực tiếp bằng các tứ giác cụ thể ở Cách 1 (hình chữ nhật; ; ) đều cho kết quả các khẳng định này sai

Vậy khẳng định đúng là phương án B.

3Cách 3. Xét tổng quát số góc tù có thể có trong một tứ giác

Định hướng. Nhận xét tổng quát: một tứ giác có thể có hoặc góc tù nhưng không thể có đúng góc tù — từ nhận xét này suy ra ngay cả bốn phương án cùng lúc.

Nếu cả bốn góc đều tù (đều lớn hơn ) thì tổng bốn góc lớn hơn , vô lí vì tổng luôn bằng — vậy tứ giác có nhiều nhất góc tù, đồng thời tứ giác có đúng góc tù là có thể xảy ra (ví dụ ) nên D sai
Tứ giác có góc tù thì hai góc còn lại có tổng nhỏ hơn , nhưng tổng nhỏ hơn không bắt buộc cả hai đều nhỏ hơn (chẳng hạn và có tổng mà không nhọn) nên C sai
Tứ giác có góc tù (như hình chữ nhật) là có thể xảy ra nên A sai
Riêng trường hợp góc nhọn thì góc thứ tư luôn lớn hơn , tức luôn tù, không có ngoại lệ — B đúng

Vậy khẳng định đúng là phương án B.

Nhận xét. Cách 3 cho một cái nhìn tổng quát về mọi khả năng số góc tù trong tứ giác, giúp loại cả bốn phương án chỉ bằng một bảng lập luận duy nhất.

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: chỉ cần một bất đẳng thức cộng ba góc nhọn là chứng minh xong B, còn ba phương án kia bác bỏ bằng phản ví dụ quen thuộc (hình chữ nhật; ; ) — nhanh hơn nhiều so với lập bảng tổng quát như Cách 3.
Đáp số. Khẳng định đúng là phương án B.
Sai lầm thường gặp. Nhiều bạn nhầm 'không nhọn' với 'tù', tưởng góc còn lại chỉ cần là đủ để nói tù, rồi lo lắng trường hợp góc đó đúng bằng ; thực ra vì ba góc nhọn đều nhỏ hơn một cách NGHIÊM NGẶT nên tổng ba góc nhỏ hơn thật sự, kéo theo góc còn lại lớn hơn thật sự — luôn là góc tù, không thể là góc vuông.
🚀 Mở rộng. Cùng lối lập luận, nếu tứ giác có hai góc nhọn thì hai góc còn lại có tổng lớn hơn nhưng không suy ra được cả hai đều tù — đây chính là lý do khẳng định C chỉ cần một phản ví dụ cụ thể là đủ bác bỏ.
Bài 2 · Bài 3.40★★Trang 74— Đối chiếu đúng/sai với dấu hiệu nhận biết hình bình hành, hình chữ nhật, hình thoi
Bài 3.40 (trang 74). Trong các khẳng định sau, khẳng định nào đúng? Khẳng định nào sai?
a) Tứ giác có hai đường chéo bằng nhau là hình bình hành.
b) Tứ giác có hai cặp cạnh bằng nhau là hình bình hành.
c) Tứ giác có ba góc vuông là hình chữ nhật.
d) Tứ giác có ba cạnh bằng nhau là hình thoi.
Kiến thức cần nhớ
  • Dấu hiệu nhận biết hình bình hành: tứ giác có các cặp cạnh đối bằng nhau (từng đôi một) là hình bình hành.
  • Dấu hiệu nhận biết hình chữ nhật: tứ giác có ba góc vuông là hình chữ nhật.
  • Dấu hiệu nhận biết hình thoi: tứ giác có bốn cạnh bằng nhau là hình thoi.
  • Hình thang cân cũng có hai đường chéo bằng nhau nên riêng điều đó chưa đủ để kết luận hình bình hành.
🧠 Phân tích tư duy
Mỗi ý có dạng 'tứ giác có tính chất là hình ' — dấu hiệu để đối chiếu với đúng bảng dấu hiệu nhận biết đã học (hình bình hành, hình chữ nhật, hình thoi). Ý nào không khớp chính xác dấu hiệu chuẩn thì cần dựng một tứ giác cụ thể làm phản ví dụ thay vì chỉ đoán theo cảm tính. Bẫy nằm ở ý b): 'hai cặp cạnh bằng nhau' khác hẳn 'hai cặp cạnh ĐỐI bằng nhau' — thiếu đúng một chữ mà đổi hẳn kết luận.
1Cách 1. Đối chiếu trực tiếp với bảng dấu hiệu nhận biết

Định hướng. So từng ý với đúng câu chữ của dấu hiệu nhận biết đã học; ý nào đúng dấu hiệu thì giữ, ý nào lệch (thiếu chữ, đổi số lượng) thì tìm phản ví dụ bác bỏ.

Ý a): hình thang cân cũng có hai đường chéo bằng nhau mà không phải hình bình hành, nên riêng 'hai đường chéo bằng nhau' chưa đủ — ý a) sai
Ý b): dấu hiệu đúng là 'hai cặp CẠNH ĐỐI bằng nhau'; còn 'hai cặp cạnh bằng nhau' không nói rõ đối hay kề có thể là hai cặp cạnh KỀ bằng nhau (hình cánh diều), không phải hình bình hành — ý b) sai
Ý c): tứ giác có ba góc vuông thì góc còn lại bằng , đủ bốn góc vuông nên là hình chữ nhật — ý c) đúng
Ý d): tứ giác có ba cạnh bằng nhau chưa chắc cạnh thứ tư cũng bằng, nên chưa đủ bốn cạnh bằng nhau để là hình thoi — ý d) sai

Vậy ý c) đúng; các ý a), b), d) sai.

2Cách 2. Dựng phản ví dụ cụ thể bằng toạ độ

Định hướng. Thay vì chỉ gọi tên hình phản ví dụ, dựng hẳn toạ độ cụ thể để kiểm chứng bằng số — cách làm trực quan, khác bản chất so với việc chỉ đối chiếu câu chữ ở Cách 1.

Ý a): tứ giác , , , có , (hai đường chéo bằng nhau) nhưng nên không phải hình bình hành — ý a) sai
Ý b): tứ giác , , , có và (hai cặp cạnh KỀ bằng nhau) nhưng đây là hình cánh diều, không phải hình bình hành — ý b) sai
Ý c): tính trực tiếp góc còn lại bằng như Cách 1 — ý c) đúng
Ý d): hình thang cân có đáy lớn , hai cạnh bên và đáy nhỏ đều bằng có ba cạnh bằng nhau nhưng cạnh thứ tư (đáy lớn) khác — ý d) sai

Vậy ý c) đúng; các ý a), b), d) sai.

3Cách 3. Đối chiếu với danh sách đầy đủ dấu hiệu gốc

Định hướng. Liệt kê đủ các dấu hiệu nhận biết gốc của từng loại hình rồi kiểm tra ý cho có nằm đúng trong danh sách đó không — cách loại suy có hệ thống, khác hai cách trên.

Năm dấu hiệu nhận biết hình bình hành: các cạnh đối song song; các cạnh đối bằng nhau; một cặp cạnh đối song song và bằng nhau; các góc đối bằng nhau; hai đường chéo cắt nhau tại trung điểm mỗi đường
'Hai đường chéo bằng nhau' (ý a) và 'hai cặp cạnh bằng nhau' không nói rõ đối/kề (ý b) đều KHÔNG có mặt trong năm dấu hiệu này — cả hai đều sai
Bốn dấu hiệu nhận biết hình chữ nhật đều có 'tứ giác có ba góc vuông' — ý c) đúng
Bốn dấu hiệu nhận biết hình thoi đều yêu cầu đủ BỐN cạnh bằng nhau (hoặc xuất phát từ hình bình hành), không có dấu hiệu 'ba cạnh bằng nhau' — ý d) sai

Vậy ý c) đúng; các ý a), b), d) sai.

Nhận xét. Cách 3 là cách an toàn nhất khi không nhớ rõ phản ví dụ cụ thể, vì chỉ cần thuộc đúng bảng dấu hiệu.

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: chỉ cần nhớ đúng câu chữ của từng dấu hiệu nhận biết và một phản ví dụ tên gọi quen thuộc (hình thang cân, hình cánh diều) là bác bỏ được ngay, không mất thời gian dựng toạ độ như Cách 2.
Đáp số. a) sai; b) sai; c) đúng; d) sai.
Sai lầm thường gặp. Nhiều bạn đọc lướt ý b) 'hai cặp cạnh bằng nhau' rồi tưởng đó là dấu hiệu hình bình hành (vốn phải là 'hai cặp cạnh ĐỐI bằng nhau'), dẫn tới chọn sai; hình cánh diều (hai cặp cạnh KỀ bằng nhau) là phản ví dụ kinh điển cho lỗi này.
🚀 Mở rộng. Ý d) nếu đổi thành 'tứ giác có BỐN cạnh bằng nhau' thì lại là dấu hiệu ĐÚNG của hình thoi — chỉ khác đúng một chữ 'ba' hay 'bốn' mà kết luận đổi hẳn, nên khi làm trắc nghiệm đúng/sai luôn phải đếm đúng số lượng trong giả thiết.
Bài 3 · Bài 3.41★★★Trang 74— Đối chiếu đúng/sai các dấu hiệu ghép hai điều kiện để nhận biết hình chữ nhật, hình bình hành, hình thang cân
Bài 3.41 (trang 74). Trong các khẳng định sau, khẳng định nào đúng? Khẳng định nào sai?
a) Tứ giác có hai đường chéo bằng nhau và hai cạnh đối nào cũng bằng nhau là hình chữ nhật.
b) Tứ giác có hai cạnh đối nào cũng bằng nhau là hình bình hành.
c) Tứ giác có hai cạnh song song và hai đường chéo bằng nhau là hình thang cân.
d) Tứ giác có hai cạnh song song và hai cạnh còn lại bằng nhau là hình bình hành.
Kiến thức cần nhớ
  • Hình bình hành có hai đường chéo bằng nhau là hình chữ nhật.
  • Tứ giác có hai cặp cạnh đối bằng nhau là hình bình hành.
  • Hình thang có hai đường chéo bằng nhau là hình thang cân.
🧠 Phân tích tư duy
Mỗi ý ghép HAI điều kiện — dấu hiệu để suy luận hai bước: bước 1 dùng điều kiện thứ nhất suy ra hình trung gian (hình bình hành hoặc hình thang), bước 2 dùng điều kiện thứ hai để nâng cấp thành hình đặc biệt hơn (hình chữ nhật hoặc hình thang cân). Bẫy ở ý d): 'hai cạnh song song và hai cạnh còn lại bằng nhau' không bắt buộc hai cạnh song song đó là MỘT CẶP CẠNH ĐỐI, vì hình thang (không cân) cũng thoả mãn mà không phải hình bình hành.
1Cách 1. Suy luận hai bước theo đúng dấu hiệu nhận biết

Định hướng. Với mỗi ý, xác định hình trung gian từ điều kiện thứ nhất rồi kiểm tra điều kiện thứ hai có đúng là điều kiện nâng cấp hay không.

Ý a): tứ giác có hai cạnh đối nào cũng bằng nhau là hình bình hành (dấu hiệu 2); hình bình hành có thêm hai đường chéo bằng nhau là hình chữ nhật — ý a) đúng
Ý b): tứ giác có hai cặp cạnh đối bằng nhau chính là dấu hiệu nhận biết hình bình hành — ý b) đúng
Ý c): tứ giác có hai cạnh song song là hình thang; hình thang có thêm hai đường chéo bằng nhau là hình thang cân — ý c) đúng
Ý d): tứ giác có một cặp cạnh song song (giả sử ) và nhưng không song song chỉ là hình thang có hai cạnh bên bằng nhau (hình thang cân, không phải hình bình hành, vì hình bình hành đòi hỏi CẢ HAI cặp cạnh đối song song) — ý d) sai

Vậy các ý a), b), c) đúng; ý d) sai.

2Cách 2. Minh hoạ bằng ví dụ toạ độ cụ thể

Định hướng. Dựng số liệu cụ thể cho từng trường hợp để kiểm chứng bằng tính toán trực tiếp, đặc biệt dùng một phản ví dụ rõ ràng để bác bỏ ý d).

Xét tứ giác với , , , : có (, đều nằm ngang) và , nên , nhưng
Đây là một hình thang cân (hai cạnh bên , bằng nhau) chứ không phải hình bình hành, vì hình bình hành bắt buộc (cặp cạnh đối song song phải bằng nhau) — đúng là phản ví dụ cho ý d)
Với a), b), c): kiểm bằng chính hình chữ nhật, hình bình hành, hình thang cân mẫu đã học đều thoả mãn hai bước như Cách 1

Vậy các ý a), b), c) đúng; ý d) sai.

3Cách 3. Liên hệ với kết quả đã chứng minh ở Bài 3.42

Định hướng. Ý a) thực chất là hệ quả trực tiếp của Bài 3.42 (đã chứng minh: hai đường chéo bằng nhau và một cặp cạnh đối bằng nhau hình thang cân); khi hình thang cân đó có thêm cặp cạnh đối còn lại cũng bằng nhau thì trở thành hình bình hành, mà hình bình hành có hai đường chéo bằng nhau là hình chữ nhật.

Theo Bài 3.42: tứ giác có hai đường chéo bằng nhau và một cặp cạnh đối bằng nhau là hình thang cân
Ở ý a), tứ giác có CẢ HAI cặp cạnh đối bằng nhau (mạnh hơn giả thiết Bài 3.42) nên trước hết là hình bình hành (dấu hiệu 2)
Hình bình hành này lại có hai đường chéo bằng nhau (giả thiết) nên là hình chữ nhật — ý a) đúng, khớp kết quả Cách 1
Các ý b), c), d) xét như Cách 1

Vậy các ý a), b), c) đúng; ý d) sai.

Nhận xét. Việc liên hệ ngược với bài toán đã chứng minh trước đó giúp kiểm chứng chéo kết quả mà không cần suy luận lại từ đầu.

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: chỉ cần thuộc đúng các dấu hiệu nhận biết hai bước, không mất thời gian dựng toạ độ; ý d) nhớ kỹ phản ví dụ hình thang có hai cạnh bên bằng nhau để tránh nhầm với hình bình hành.
Đáp số. a) đúng; b) đúng; c) đúng; d) sai.
Sai lầm thường gặp. Ở ý d), nhiều bạn thấy 'hai cạnh song song' và 'hai cạnh còn lại bằng nhau' liền nghĩ ngay tới hình bình hành (nhầm với dấu hiệu 'một cặp cạnh đối song song VÀ BẰNG NHAU'); thực ra đề chỉ cho hai cạnh còn lại bằng nhau chứ không nói chúng có song song hay không, nên chưa đủ điều kiện.
🚀 Mở rộng. Ý c) chính là dấu hiệu nhận biết hình thang cân đã học ở Bài 11; nếu đổi giả thiết 'hai đường chéo bằng nhau' thành 'hai góc kề một đáy bằng nhau' thì kết luận hình thang cân vẫn đúng, vì đó là dấu hiệu thứ hai của hình thang cân.
Bài 4 · Bài 3.42★★★Trang 74— Chứng minh tứ giác là hình thang cân từ điều kiện đường chéo và cạnh đối bằng nhau
Bài 3.42 (trang 74). Chứng minh rằng nếu tứ giác có hai đường chéo bằng nhau và một cặp cạnh đối bằng nhau thì tứ giác đó là một hình thang cân.
ABCDO
Kiến thức cần nhớ
  • Trường hợp bằng nhau cạnh-cạnh-cạnh (c.c.c) của tam giác.
  • Hai góc so le trong bằng nhau thì hai đường thẳng song song.
  • Dấu hiệu nhận biết hình thang cân: hình thang có hai đường chéo bằng nhau.
🧠 Phân tích tư duy
Giả thiết cho (hai đường chéo) và (một cặp cạnh đối) cùng với cạnh chung — dấu hiệu để ghép thành hai tam giác bằng nhau theo trường hợp cạnh-cạnh-cạnh, từ đó lấy được các góc bằng nhau cần thiết. Hướng tự nhiên là chứng minh trước (để có hình thang) rồi dùng chính giả thiết để kết luận hình thang đó cân, thay vì đoán hình dạng ngay từ đầu.
1Cách 1. Tam giác bằng nhau và hai tam giác cân có góc ở đỉnh đối đỉnh

Định hướng. Ghép và (chung cạnh ) để lấy góc bằng nhau ở đáy , từ đó chỉ ra (giao điểm hai đường chéo) cách đều và cách đều ; hai tam giác cân , có góc ở đỉnh đối đỉnh nên bằng nhau, kéo theo góc đáy bằng nhau và có cặp so le trong.

Xét và có: chung, (giả thiết), (giả thiết)
Do đó (c.c.c), suy ra (hai góc tương ứng)
Gọi là giao điểm của và ; vì và nên , suy ra cân tại , tức
Mà , , kết hợp và suy ra , tức cũng cân tại
Hai tam giác cân , có góc ở đỉnh (hai góc đối đỉnh) nên có cùng góc đáy:
là cặp góc so le trong của hai đường thẳng , cắt bởi cát tuyến , suy ra , tức là hình thang
Hình thang (đáy , ) lại có (giả thiết) nên theo dấu hiệu đã học, đó là hình thang cân

Vậy tứ giác có hai đường chéo bằng nhau và một cặp cạnh đối bằng nhau là hình thang cân.

2Cách 2. Toạ độ hoá tổng quát

Định hướng. Đặt hệ trục với trên trục hoành (luôn làm được với mọi đoạn thẳng ), biến hai giả thiết độ dài thành hai phương trình đại số cho toạ độ của — khác bản chất với Cách 1 vì dùng đại số thay cho tổng hợp hình học.

Đặt , với ; gọi , với cùng dấu (vì cùng phía với )
(1); (2)
Cộng và trừ hợp lí (1), (2) rồi rút gọn được ; thay lại vào (1) được , suy ra
Vì cùng dấu (cùng phía trên ) nên , tức có cùng tung độ
cùng tung độ nghĩa là đường thẳng song song với trục hoành, tức song song với — vậy là hình thang (đáy , )
Hình thang này có thêm (giả thiết) nên là hình thang cân theo đúng dấu hiệu đã học

Vậy tứ giác là hình thang cân.

3Cách 3. Định lí côsin và khoảng cách tới đường thẳng AB

Định hướng. Dùng định lí côsin trong hai tam giác chung cạnh để so sánh trực tiếp hai góc , của tứ giác, rồi suy ra cách đều đường thẳng — một hướng lượng giác khác hẳn hai cách trên.

Đặt , (giả thiết), ,
Trong : (định lí côsin); trong :
Giả thiết nên , suy ra , mà nên
Gọi lần lượt là chân đường vuông góc hạ từ xuống đường thẳng : ,
Vì và nên , tức cách đều đường thẳng , suy ra
Vậy là hình thang (đáy , ), lại có nên là hình thang cân

Vậy tứ giác là hình thang cân.

Nhận xét. Cả ba cách đều quy về cùng một mấu chốt: hai đỉnh cách đều đường thẳng — chỉ khác công cụ chứng minh điều đó (tam giác cân, toạ độ, hay lượng giác).

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: chỉ dùng tam giác bằng nhau và tính chất tam giác cân, không cần đặt hệ trục hay định lí côsin, phù hợp trình bày chứng minh hình học thuần tuý ở lớp 8.
Đáp số. Tứ giác đã cho là một hình thang cân (đáy là hai cạnh không được cho bằng nhau, hai cạnh bên là cặp cạnh đối bằng nhau).
Sai lầm thường gặp. Nhiều bạn vội kết luận là hình bình hành ngay khi thấy (một cặp cạnh đối bằng nhau) mà quên rằng hình bình hành cần CẢ HAI cặp cạnh đối bằng nhau (hoặc song song); ở đây chỉ có một cặp cạnh đối bằng nhau nên kết quả đúng chỉ là hình thang cân, không phải hình bình hành.
🚀 Mở rộng. Nếu đổi giả thiết 'một cặp cạnh đối bằng nhau' thành 'hai cặp cạnh đối bằng nhau' thì tứ giác sẽ là hình bình hành trước (theo dấu hiệu 2), và khi hình bình hành đó có thêm hai đường chéo bằng nhau thì trở thành hình chữ nhật — đây chính là ý a) của Bài 3.41.
Bài 5 · Bài 3.43★★★Trang 74— Nhận biết hình bình hành mới dựng từ hình bình hành cho trước và tính góc trong trường hợp đặc biệt
Bài 3.43 (trang 74). Cho hình bình hành . Lấy điểm trên tia sao cho .
a) Tứ giác có phải là hình bình hành không? Tại sao?
b) Khi tam giác vuông cân tại , hãy tính số đo các góc của tứ giác .
ABDCP
Kiến thức cần nhớ
  • Dấu hiệu nhận biết hình bình hành: tứ giác có một cặp cạnh đối song song và bằng nhau là hình bình hành.
  • Trong hình bình hành, các góc đối bằng nhau và hai góc kề một cạnh bù nhau.
  • Hai góc kề bù có tổng số đo bằng .
🧠 Phân tích tư duy
với trên tia là dấu hiệu để nhận ra là trung điểm của , tức — kết hợp với tính chất , của hình bình hành gốc sẽ cho ngay và , đúng dấu hiệu nhận biết hình bình hành. Ở ý b), tam giác vuông cân cho ngay hai góc , chỉ cần dùng quan hệ góc kề bù để suy ra các góc còn lại của .
1Cách 1. Dùng dấu hiệu một cặp cạnh đối song song và bằng nhau

Định hướng. Từ suy ra là trung điểm , ghép với tính chất hình bình hành gốc để có và .

Vì thuộc tia và nên nằm giữa và , đồng thời
Vì là hình bình hành nên , tức (vì cùng nằm trên đường thẳng )
Cũng vì là hình bình hành nên ; mà (vừa chứng minh) nên
Tứ giác có và nên theo dấu hiệu nhận biết, là hình bình hành

Vậy tứ giác là hình bình hành.

2Cách 2. Chứng minh hai đường chéo cắt nhau tại trung điểm mỗi đường

Định hướng. Dùng dấu hiệu 5 (hai đường chéo cắt nhau tại trung điểm mỗi đường) thay vì dấu hiệu cạnh đối ở Cách 1 — chọn làm gốc vectơ vị trí để tính nhanh trung điểm hai đường chéo , của tứ giác .

Chọn làm gốc, kí hiệu vectơ vị trí mỗi điểm bằng chính chữ cái của nó (nên )
Vì là hình bình hành nên
Vì trên tia với nên
Trung điểm của là
Trung điểm của là
Hai trung điểm này trùng nhau, tức hai đường chéo và của tứ giác cắt nhau tại trung điểm mỗi đường

Vậy tứ giác là hình bình hành, khớp kết quả Cách 1.

3Cách 3. Toạ độ hoá

Định hướng. Đặt toạ độ cho hình bình hành rồi tính trực tiếp toạ độ , kiểm tra là hình bình hành bằng cách so sánh hai vectơ cạnh đối — cách làm đại số, khác hẳn hai cách trên.

Đặt , , ; vì là hình bình hành nên
trên tia với nên
;
nên tứ giác có một cặp cạnh đối ( và ) là hai vectơ bằng nhau, tức song song và bằng nhau — đúng dấu hiệu hình bình hành

Vậy tứ giác là hình bình hành.

Nhận xét. Cách 3 cho lời giải ngắn gọn nhất vì chỉ cần một phép trừ vectơ, không cần lập luận trung gian như hai cách trên.

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: chỉ cần một câu 'B là trung điểm AP' và tính chất cạnh đối của hình bình hành gốc, trình bày ngắn gọn, không cần công cụ vectơ hay phép biến hình.
Đáp số. a) BPCD là hình bình hành. b) Các góc của tứ giác BPCD là 135°, 45°, 135°, 45° (lần lượt tại các đỉnh B, P, C, D).
Sai lầm thường gặp. Nhiều bạn tính góc nhầm bằng chính góc vì quên rằng và là hai góc KỀ BÙ (do thẳng hàng), nên chứ không phải .
🚀 Mở rộng. Nếu thay điều kiện 'tam giác vuông cân tại ' bằng 'tam giác đều' thì , khi đó tứ giác sẽ có các góc lần lượt là — cùng cách suy luận qua góc kề bù, chỉ đổi số đo góc ban đầu.
Bài 6 · Bài 3.44★★★★Trang 74-75— Chứng minh tam giác vuông bằng nhau, tứ giác đặc biệt từ đường trung bình của tam giác vuông
Bài 3.44 (trang 74-75). Cho tam giác vuông tại . Gọi là trung điểm của còn , lần lượt là chân đường vuông góc hạ từ xuống , (H.3.59).
a) Chứng minh hai tam giác vuông và bằng nhau.
b) Chứng minh tứ giác là một hình chữ nhật. Từ đó suy ra là trung điểm của , là trung điểm của .
c) Lấy điểm sao cho là trung điểm của , chứng minh rằng tứ giác là một hình thoi.
d) Nếu , tức là tam giác vuông cân tại thì tứ giác có là hình vuông không? Vì sao?
ABCMNPQ
Kiến thức cần nhớ
  • Đường trung bình của tam giác song song và bằng nửa cạnh thứ ba (áp dụng cho tam giác vuông với hai cạnh góc vuông).
  • Tứ giác có ba góc vuông là hình chữ nhật.
  • Hình bình hành có hai đường chéo vuông góc là hình thoi.
  • Hình thoi có hai đường chéo bằng nhau là hình vuông.
🧠 Phân tích tư duy
là trung điểm cạnh huyền cùng hai chân đường vuông góc trên hai cạnh góc vuông là dấu hiệu kinh điển của đường trung bình trong tam giác vuông: , chính là hai đường trung bình của song song với hai cạnh góc vuông còn lại, nên tự động là hình chữ nhật. Từ hình chữ nhật đó, thêm điểm đối xứng qua tâm biến đường chéo và thành hai đường chéo cắt nhau tại trung điểm và vuông góc — đúng điều kiện của hình thoi. Bẫy ở ý d): hình thoi chỉ thành hình vuông khi hai đường chéo BẰNG NHAU, không phải chỉ cần tam giác cân là đủ mà phải kiểm tra đúng điều kiện tương ứng với .
1Cách 1. Góc nhọn bằng nhau (cạnh huyền – góc nhọn), rồi mới suy ra trung điểm

Định hướng. Chứng minh trước bằng trường hợp cạnh huyền – góc nhọn (không cần biết , có là trung điểm hay chưa); tứ giác là hình chữ nhật vì có sẵn ba góc vuông; ghép hai kết quả đó mới suy ra , là trung điểm — thứ tự lập luận ngược hẳn với Cách 2.

a) Vì và nên , suy ra (hai góc đồng vị của cát tuyến )
vuông tại và vuông tại có (giả thiết trung điểm ) và (vừa chứng minh, vì )
Do đó (cạnh huyền – góc nhọn), suy ra và
b) Tứ giác có (giả thiết), (vì ), (vì ) nên có ba góc vuông, suy ra là hình chữ nhật, kéo theo và (cạnh đối hình chữ nhật)
Kết hợp với (câu a) được , tức là trung điểm ; kết hợp (câu a) được , tức là trung điểm
c) vừa là trung điểm vừa là trung điểm (giả thiết) nên có hai đường chéo cắt nhau tại trung điểm mỗi đường — là hình bình hành; vì thuộc đường thẳng mà nên , hình bình hành có hai đường chéo vuông góc nên là hình thoi
d) Vì là trung điểm nên , mà là trung điểm nên ; hình thoi là hình vuông khi hai đường chéo bằng nhau, tức , đúng bằng giả thiết tam giác vuông cân tại

Vậy a) ; b) là hình chữ nhật với , là trung điểm , ; c) là hình thoi; d) khi thì là hình vuông — khớp kết quả sẽ tính lại ở Cách 2.

2Cách 2. Đường trung bình của tam giác vuông (gọn nhất)

Định hướng. Nhận ra ngay , là hai đường trung bình của (vì đi qua trung điểm của và vuông góc với một cạnh góc vuông, nên song song với cạnh góc vuông kia) — từ đó suy ra toàn bộ bốn ý chỉ bằng tính chất đường trung bình và hình chữ nhật, hình thoi.

a) Vì và (giả thiết vuông tại ) nên ; mà là trung điểm nên là đường trung bình của ứng với cạnh , suy ra là trung điểm và
Tương tự, và nên , là đường trung bình ứng với cạnh , suy ra là trung điểm và
Do đó vuông tại có , (vì là trung điểm ), và (giả thiết); vuông tại có đúng ba cạnh này tương ứng bằng ba cạnh của
Vậy (hai cạnh góc vuông)
b) Tứ giác có (vì , , và giả thiết) nên là hình chữ nhật; theo chứng minh trên, là trung điểm , là trung điểm
c) là trung điểm (vừa chứng minh) và cũng là trung điểm (giả thiết) nên tứ giác có hai đường chéo , cắt nhau tại trung điểm của mỗi đường, suy ra là hình bình hành
Vì là hình chữ nhật nên ... cần đúng : vì thuộc đường thẳng (do là trung điểm ) và (giả thiết), nên
Hình bình hành có hai đường chéo nên là hình thoi
d) Hình thoi là hình vuông khi hai đường chéo bằng nhau, tức ; mà (vì là trung điểm và ) nên điều kiện là — đúng bằng giả thiết tam giác vuông cân tại , nên khi đó LÀ hình vuông

Vậy a) ; b) là hình chữ nhật với , là trung điểm , ; c) là hình thoi; d) khi thì là hình vuông.

3Cách 3. Toạ độ hoá

Định hướng. Đặt hệ trục vuông góc tại đỉnh (hợp lí vì ), tính trực tiếp toạ độ mọi điểm rồi kiểm tra từng kết luận bằng độ dài và tích vô hướng — thay lập luận hình học tổng hợp bằng tính toán đại số.

Đặt , , (vì nên hai cạnh góc vuông đặt theo hai trục)
là trung điểm nên ; chân đường vuông góc từ xuống (trục hoành) là , xuống (trục tung) là
, ; , , cả hai tam giác vuông tại , có cặp cạnh góc vuông bằng nhau từng đôi —
Tứ giác có , , , — bốn đỉnh của một hình chữ nhật (các cạnh song song hai trục); là trung điểm vì hoành độ đúng bằng nửa , tương tự là trung điểm
; , , tích vô hướng nên ; hai đường chéo cắt nhau tại trung điểm (đã có) nên là hình thoi
, , tính trực tiếp (khoảng cách đến là );

Vậy khi () thì , hình thoi trở thành hình vuông — khớp kết quả Cách 2.

Nhận xét. Toạ độ hoá cho một phép kiểm tra độc lập rất nhanh cho cả bốn ý, đặc biệt tiện ở ý d) vì chỉ cần so sánh hai số và .

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 2: chỉ cần nhận ra , là hai đường trung bình của tam giác vuông là toàn bộ bốn ý được suy ra liền mạch bằng tính chất đường trung bình, hình chữ nhật, hình thoi — không cần đặt toạ độ như Cách 3.
Đáp số. a) ΔCMP = ΔMBN; b) APMN là hình chữ nhật (N, P lần lượt là trung điểm AB, AC); c) AMCQ là hình thoi; d) khi AB = AC thì AMCQ là hình vuông.
Sai lầm thường gặp. Ở ý d), nhiều bạn cho rằng cứ tam giác cân là thành hình vuông mà quên kiểm tra ĐÚNG điều kiện cần là hai đường chéo và của hình thoi phải bằng nhau; ở đây (không phải ), nên điều kiện chính xác là chứ không phải hay tam giác cân tại đỉnh khác.
🚀 Mở rộng. Nếu chỉ có là trung điểm mà tam giác không vuông tại thì (với vẫn là chân đường vuông góc từ ) không còn là hình chữ nhật nữa — tính vuông góc tại chính là điều kiện cốt lõi để cả bài toán đứng vững.
Bài 7 · Bài 3.45★★★★Trang 75— Chứng minh tứ giác là hình chữ nhật và một hệ thức khoảng cách không đổi bằng diện tích tam giác
Bài 3.45 (trang 75). Cho tam giác cân tại ; là một điểm thuộc đường thẳng , ở giữa và . Gọi và lần lượt là chân đường vuông góc hạ từ và từ xuống , còn là chân đường vuông góc hạ từ xuống (H.3.60). Chứng minh rằng:
a) Tứ giác là hình chữ nhật.
b) và cùng bằng hiệu khoảng cách từ đến và (dù thay đổi trên đường thẳng miễn là nằm giữa và ).
ABCMEKN
Kiến thức cần nhớ
  • Tứ giác có ba góc vuông là hình chữ nhật.
  • Diện tích tam giác bằng nửa tích một cạnh với chiều cao tương ứng.
  • Khi nằm giữa và thì .
🧠 Phân tích tư duy
Ba điểm , , đều là chân đường vuông góc — dấu hiệu để đếm góc vuông: tại , tại (nên góc cũng vuông vì nằm trên đường thẳng ), tại — đủ ba góc vuông để kết luận ngay là hình chữ nhật mà không cần tính toán độ dài. Ý b) có 'hiệu khoảng cách' gợi ngay công thức diện tích tam giác, vì diện tích tách được thành và .
1Cách 1. Ba góc vuông và diện tích tam giác

Định hướng. Đếm đủ ba góc vuông của tứ giác để kết luận hình chữ nhật; sau đó tách diện tích thành và để lập một đẳng thức liên hệ , ( là chân đường vuông góc từ xuống ) và .

a) (vì , ); (vì tại , mà và nên ); (vì , )
Tứ giác có ba góc vuông nên là hình chữ nhật; suy ra và (hai cặp cạnh đối)
b) Gọi là chân đường vuông góc hạ từ xuống ; vì nằm giữa và nên
(đáy , chiều cao ); (đáy , chiều cao ); (đáy , chiều cao vì đúng là khoảng cách từ đến )
Thay vào:
Vì cân tại nên ; chia hai vế cho : , tức
Mà (câu a) nên , đúng bằng hiệu khoảng cách từ đến (là ) và từ đến (là )

Vậy là hình chữ nhật và hiệu khoảng cách từ đến và .

2Cách 2. Toạ độ hoá

Định hướng. Đặt toạ độ cụ thể cho tam giác cân và điểm , tính trực tiếp , , rồi kiểm tra bằng số — một phép kiểm chứng độc lập bằng đại số.

Đặt , , (khi đó , tam giác cân tại ); lấy (thoả giữa , )
Đường thẳng : ; chân đường vuông góc từ là , từ là (tính bằng công thức hình chiếu)
Đường thẳng có phương ; chân đường vuông góc từ xuống là
, — hai vectơ bằng nhau nên , ; cùng với nên — đúng là hình chữ nhật
; khoảng cách đến là ; khoảng cách đến (đường thẳng ) là
— khớp đúng công thức cần chứng minh

Vậy với số liệu cụ thể, , khớp kết quả tổng quát ở Cách 1.

3Cách 3. Hai tam giác vuông bằng nhau (cạnh huyền – góc nhọn)

Định hướng. Chứng minh là hình chữ nhật như Cách 1; riêng ý b) thay diện tích bằng một cặp tam giác vuông bằng nhau có chung cạnh huyền để suy ra , từ đó .

a) Chứng minh là hình chữ nhật bằng ba góc vuông như Cách 1
b) Đặt (hai góc đáy bằng nhau vì tam giác cân tại ); trong vuông tại có nên , tức (vì nằm trên đoạn )
Trong vuông tại :
Gọi là chân đường vuông góc từ xuống ; góc giữa hai đường thẳng và (đường thẳng ) chính là (góc đáy tam giác cân), nên trong vuông tại cũng có góc tại bằng
và đều vuông, có cạnh huyền chung và góc nhọn tại đều bằng nên (cạnh huyền – góc nhọn), suy ra
Vì nằm giữa và trên đường thẳng nên ; mà (hình chữ nhật, câu a)

Vậy , đúng bằng hiệu khoảng cách từ đến và đến .

Nhận xét. Cách 3 và Cách 1 cùng quy về một điểm mấu chốt là (hay tương đương diện tích), chỉ khác công cụ: tam giác bằng nhau hay diện tích.

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: chứng minh hình chữ nhật bằng ba góc vuông rất nhanh, và đẳng thức diện tích cho ngay kết quả bằng một dòng chia hai vế, không cần angle-chase như Cách 3.
Đáp số. a) BKEN là hình chữ nhật. b) BK = NE = (khoảng cách từ M đến AC) − (khoảng cách từ M đến AB), không đổi khi M di chuyển trên đường thẳng BC (miễn B nằm giữa M và C).
Sai lầm thường gặp. Nhiều bạn quên xét thứ tự khi tách diện tích, viết nhầm (đổi vai trò); vì nằm GIỮA và nên tam giác lớn nhất chứa hai tam giác kia phải là , tức .
🚀 Mở rộng. Nếu đổi giả thiết thành nằm giữa và (thay vì nằm giữa và ) thì cách tách diện tích đổi thành , dẫn tới hệ thức (tổng thay vì hiệu) — cùng công cụ diện tích nhưng vị trí điểm quyết định dấu cộng hay trừ.