Chuyên đề 17 QUAN HỆ GIỮA BA CẠNH CỦA MỘT TAM GIÁC A Kiến thức cần nhớ Bất đẳng thức tam giác Trong tam giác, độ dài cạnh lớn hiệu nhỏ tổng độ dài hai cạnh lại Trong hình 17.1 ta có: b c a b c Đảo lại, b c a b c a, b, c độ dài ba cạnh tam giác Bất đẳng thức tam giác mở rộng Với ba điểm M, A, B ta ln có: MA MB AB Dấu “=” xảy M thuộc đoạn thẳng AB B Một số ví dụ Ví dụ 1: Cho hai đoạn thẳng AB CD cắt điểm O nằm hai đầu đoạn thẳng Biết AB 3cm, CD 5cm Chứng minh hai đoạn thẳng AC BD có đoạn thẳng có độ dài nhỏ 4cm Giải (h.17.2) * Tìm cách giải Muốn chứng minh hai đoạn thẳng AC BD có đoạn thẳng có độ dài nhỏ 4cm, ta chứng minh tổng: AC BD 8cm Ta thấy AC cạnh tam giác AOC, BD cạnh tam giác BOD Vậy cần vận dụng quan hệ ba cạnh tam giác để đánh giá AC BD Hình 17.2 * Trình bày lời giải Xét AOC có AC OA OC Xét BOD có BD OB OD Cộng vế bất đẳng thức ta được: AC BD OA OB OC OD dẫn tới AC BD AB CD Do AC BD 8 (cm) Suy hai đoạn thẳng AC BD có đoạn thẳng nhỏ 4cm * Nhận xét: Trong lời giải ta dung tính chất hai bất đẳng thức chiều: Nếu a b c d a c b d Ví dụ 2: Chứng minh tam giác, cạnh nhỏ nửa chu vi tam giác Giải (h.17.3) * Tìm cách giải Ta phải chứng minh a a b c Muốn ta chứng minh 2a a b c Trừ a vào hai vế bất đẳng thức ta 2a a a b c a, dẫn tới a b c Bất đẳng thức nên ta xuất phát từ chứng minh “ngược” lên * Trình bày lời giải Gọi a độ dài cạnh tam giác Gọi b c độ dài hai cạnh lại Theo quan hệ ba cạnh lại tam giác ta có: a b c Cộng a vào hai vế bất đẳng thức ta được: a a a b c dẫn tới 2a a b c Suy a a b c * Nhận xét: Trong lời giải ta dùng tính chất sau bất đẳng thức: - Cộng số vào hai vế bất đẳng thức bất đẳng thức chiều - Nhân (hay chia) hai vế bất đẳng thức với số dương bất đẳng thức chiều Ví dụ 3: Cho tam giác ABC Gọi D, E, F trung điểm AB, BC, CA Chứng minh ba đoạn thẳng AD, AE AF ba cạnh tam giác Giải (h.17.4) * Tìm cách giải Muốn chứng minh ba đoạn thẳng AD, BE, CF ba cạnh tam giác, ta chứng minh ba đoạn thẳng thỏa mãn bất đẳng thức tam giác chứng minh chúng ba cạnh tam giác * Trình bày lời giải Trên tia đối tia EA lấy điểm K cho EK EA ABE KCE (c.g.c) AB CK Xét ACK , theo bất đẳng thức tam giác ta có: CA CK AK CA CK Do AF AD AE AF AD (vì AC 2 AF , AB 2 AD ) Suy AF AD AE AF AD Ba đoạn thẳng AD, AE, AF thỏa mãn bất đẳng thức tam giác nên chúng ba cạnh tam giác C Bài tập vận dụng Tính độ dài 17.1 Một tam giác cân có chu vi 40cm cạnh có độ dài 10cm Tính độ dài hai cạnh cịn lại 17.2 Tính chu vi tam giác cân biết độ dài hai cạnh bằng: a) 11cm 20cm; b) 11cm 23 cm 17.3 Ba cạnh tam giác có số đo ba số chẵn liên tiếp (tính xen-ti-mét) Tam giác có chu vi nhỏ bao nhiêu? 17.4 Một đoạn dây thép có độ dài 25cm Hỏi uốn thành hình tam giác có cạnh là: a) 13cm; b) 12cm? So sánh độ dài với chu vi tam giác 17.5 Cho tam giác ABC Gọi M N trung điểm AB AC Hãy so sánh độ dài BC với chu vi tam giác AMN 17.6 Chứng minh cạnh lớn tam giác thì: a) Nhỏ nửa chu vi tam giác; b) Lớn chu vi tam giác 17.7 Cho tam giác ABC Gọi D, E, F trung điểm BC, CA AB Chứng minh tổng AD BE CF lớn nửa chu vi nhỏ chu vi tam giác 17.8 Cho hình 17.5 Chứng minh rằng: AB BC CD DE EA AD DB BE EC CA 17.9 Cho hình 17.6 a) Tìm điểm O cho tổng khoảng cách từ O đến A, B, C, D có độ dài nhỏ b) Chứng minh AC BD AB BC CD DA 17.10 Cho tam giác ABC có chu vi 2p Lấy điểm M nằm tam giác Chứng minh p MA MB MC p Chứng minh bất đẳng thức hình học 17.11 Cho tam giác ABC Vẽ đường thẳng xy chứa tia phân giác góc ngồi đỉnh A Trên xy lấy điểm M khác A Chứng minh rằng: AB AC MB MC 17.12 Cho tam giác ABC Gọi M, N trung điểm AB AC Chứng minh xảy đồng thời BN 1 AC CM AB 2 17.13 Cho đoạn thẳng AB ba điểm M, N, P khơng có điểm nằm đường thẳng AB Cho biết MA NA PA MB NB PB s Chứng minh tồn điểm O thỏa mãn MO NO PO s 17.14 Cho tam giác ABC Trên cạnh AB, AC, BC lấy điểm M, N, K không trùng với đỉnh tam giác cho AM AN Chứng minh KM KN KA 17.15 Tam giác ABC khơng có hai cạnh Độ dài cạnh có số đo số nguyên (tính xen-ti-mét) Biết AB 2cm, BC 3cm Vẽ đường trung trực xy BC, lấy điểm M Xác định vị trí điểm M để tổng MA MB có giá trị nhỏ Tính giá trị nhỏ Hướng dẫn giải 17.1 Nếu cạnh đáy dài 10cm cạnh bên dài : 40 10 : 15 cm Ba độ dài 10, 15,15 thỏa mãn bất đẳng thức tam giác 15 15 10 15 15 Vậy độ dài hai cạnh lại là: 15cm; 15cm Nếu cạnh bên dài 10cm cạnh đáy dài là: 40 2.10 20 cm Ba độ dài 10, 20, 20 không thỏa mãn bất đẳng thức tam giác Vậy trường hợp bị loại 17.2 a) Nếu cạnh đáy dài 11cm cạnh bên dài 20cm Ba độ dài 11, 20 ,20 thỏa mãn bất đẳng thức tam giác 20 20 11 20 20 Chu vi tam giác cân là: 11 20 20 51 cm Nếu cạnh đáy dài 20cm cạnh bên dài 11cm Ba độ dài 20, 11, 11 thỏa mãn bất đẳng thức tam giác 11 11 20 11 11 Chu vi tam giác cân là: 20 11 11 42 cm b) Nếu cạnh đáy dài 11cm cạnh bên dài 23cm Ba độ dài 11, 23, 23 thỏa mãn bất đẳng thức tam giác 23 23 11 23 23 Chu vi tam giác cân là: 11 23 23 57 cm Nếu cạnh đáy dài 23cm cạnh bên dài 11cm Ba độ dài 23, 11, 11 không thỏa mãn bất đẳng thức tam giác Vậy trường hợp bị loại 17.3 Gọi độ dài ba cạnh tam giác n, n + n + (n số tự nhiên chẵn) Theo quan hệ ba cạnh tam giác ta có: n n n n Số chẵn nhỏ lớn Vậy độ dài ba cạnh tam giác 4, 6, (cm) Chu vi nhỏ tam giác 18 cm 17.4 a) Nếu cạnh dài 13cm tổng hai cạnh cịn lại là: 25 13 12 cm Ta thấy cạnh lớn tổng hai cạnh lại, không thỏa mãn bất đẳng thức tam giác Vậy uốn đoạn dây thép thành hình tam giác có cạnh 13cm b) Nếu cạnh dài 12cm tổng hai cạnh cịn lại là: 25 12 13 cm Đoạn dây thép 13cm uốn thành hai đoạn chẳng hạn 8cm 5cm Rõ ràng 12 thỏa mãn bất đẳng thức tam giác Vậy uốn đoạn dây théo 25cm thành tam giác có cạnh 12cm 17.5 (h.17.7) Xét MBC ta có: BC MB MC 1 Xét MNC ta có: MC MN NC 2 Từ (1) (2) suy BC MB MN NC Do BC MA MN NA (vì MA MB NA NC ) Suy BC chu vi AMN 17.6 Gọi a, b, c ba cạnh tam giác ABC Giả sử a cạnh lớn nhất: a b; a c a) Theo quan hệ ba cạnh tam giác ta có a b c Cộng a vào hai vế bất đẳng thức ta a a a b c, 2a a b c, suy a a b c b) Vì a b; a c nên 2a b c Cộng a vào hai vế ta 3a a b c Suy a a b c 17.7 (h.17.8) Xét ABD ACD, ta có: AD BD AB; AD CD AC Suy AD BC AB AC AD AB AC BC 1 Tương tự, BE BC BA AC 2CF CA CB AB 2 3 Cộng vế bất đẳng thức (1), (2), (3) ta được: AD BE CF AB AC BC BC BA AC CA CB AB AB BC CA Do AD BE CF AB BC CA * Trên tia đối tia DA lấy điểm K cho DK DA ABD KCD (c.g.c) AB CK Xét ACK có AK AC CK AC AB AD AB AC Chứng minh tương tự ta BE BA BC ; 2CF CB CA Cộng vế ba bất đẳng thức ta AD BE CF AB BC CA Do AD BE CF AB BC CA chu vi ABC ** Từ (*) (**), suy điều phải chứng minh 17.8 (h.17.9) Gọi điểm A1 , B1 , C1 , D1 , E1 điểm hình 17.9 Theo quan hệ ba cạnh tam giác ta có AB A1 A A1B; BC B1B B1C ; CD C1C C1D; DE D1 D D1E ; EA E1E E1 A Cộng vế bất đẳng thức ta được: AB BC CD DE EA A1 A B1C A1 B E1 E B1B C1D C1C D1E D1D E1 A AC BE BD CE DA 17.9 (h.17.10) a) Gọi M điểm bất kì, ta có: MA MC AC (dấu “=” xảy M AC ) MB MD BD (dấu “=” xảy M BD ) Suy MA MC MB MD AC BD (khơng đổi) Do tổng MA MB MC MD nhỏ AC BD M giao điểm O AC BD b) Xét tam giác AOB, BOC, COD, DOA ta có: OA OB AB; OB OC BC ; OC OD CD; OD OA DA Cộng vế bốn đẳng thức ta được: OA OB OC OD AB BC CD DA Suy AC BD AB BC CD DA Do AC BD AB BC CD DA 17.10 (h.17.11) Chứng minh MA MB MC p Xét tam giác MAB, MBC MCA ta có: MA MB AB; MB MC BC ; MC MA CA Cộng vế ba bất đẳng thức ta được: MA MB MC AB BC CA Suy MA MB MC AB BC CA p p 2 * Chứng minh MA MB MC p Gọi D giao điểm tia CM với cạnh AB Xét MDB có MB MD DB Cộng thêm MC vào hai vế ta MB MC MC MD DB Suy MB MC CD DB 1 Xét ADC có CD AD AC Cộng thêm DB vào hai vế ta CD DB DB AD AC Suy CD DB AB AC 2 Từ (1) (2) suy MB MC AB AC Chứng minh tương tự ta được: MC MA BC BA; MA MB CA CB Cộng vế ba bất đẳng thức ta được: MA MB MC AB BC CA Suy MA MB MC AB BC CA 2 p ** Từ (*) (**) suy p MA MB MC p 17.11 (h.17.12) Trên tia đối tia AB lấy điểm D cho AD AC AMD AMC (c.g.c) Suy MD MC Ta có AB AC AB AD BD 1 MB MC MB MD BD Từ (1) (2) suy AB AC MB MC 17.12 (h.17.13) Ta chứng minh phương pháp phản chứng Giả sử đồng thời xảy BN CM AC AB Khi BN CM AB AC 1 Gọi G giao điểm BN CM Xét MBG NCG, theo quan hệ ba cạnh tam giác ta có: BM GB GM ; GN GC GN Suy BM CN GB GM GC GN hay BM CN BN CM Do BN CM BM CN AB AC 2 (1) (2) mâu thuẫn Vậy điều giả sử sai Do xảy đồng thời BN 1 AC CM AB 2 17.13 (h.17.14) Gọi O trung điểm AB Ta chứng minh (xem 17.7): MO MA MB ; NO 1 NA NB ; PO PA PB 2 Cộng vế ba bất đẳng thức ta được: 17.14 (h.17.15) Trên nửa mặt phẳng bờ AC không x BAK chứa B ta vẽ tia Ax cho CA Trên tia Ax lấy điểm D cho AD AK AMK AND (c.g.c) KM DN Ta có KAD KAC CAD KAC BAK 60o AKD có AK AD KAD 60o nên tam giác KA KD Gọi O giao điểm AC với KD Xét ba điểm N, K, D ta có KN DN KD (dấu “=” xảy N O ) Do KN DN KA (vì KA KD ) 17.15 (h.17.16) Đặt AC b Theo bất đẳng thức tam giác ta có b hay b Vì b nguyên nên b 2;3; 4 Mặt khác, tam giác ABC khơng có hai cạnh nên b 4cm Vì M xy nên ta chứng minh MB MC Ta có MA MB MA MC Xét ba điểm M, A, C ta có MA MC AC 4cm (Dấu “=” xảy M O với O giao điểm xy với AC) Suy MA MB 4cm Do tổng MA MB có giá trị nhỏ 4cm M giao điểm xy với AC