Quay lại danh sách
MATHKhối 923/05/2025

Định lý Steiner-Lehmus

Tài liệu chuyên đề: Định lý Steiner-Lehmus

I. Phát biểu định lý

Định lý Steiner-Lehmus: Nếu hai đường phân giác trong của một tam giác bằng nhau thì tam giác đó là tam giác cân.

  • Phát biểu khác: Cho tam giác ABCABC, BDBD và CECE là các đường phân giác trong. Nếu BD=CEBD = CE thì △ABC\triangle ABC cân tại AA (tức là AB=ACAB = AC).

II. Chứng minh định lý

Định lý Steiner-Lehmus có nhiều cách chứng minh khác nhau. Sau đây là một số cách chứng minh phổ biến và dễ hiểu.

1. Chứng minh bằng phản chứng

  • Giả sử: △ABC\triangle ABC không cân, chẳng hạn AB≠ACAB \ne AC. Không mất tính tổng quát, giả sử AB>ACAB > AC.
  • Mục tiêu: Chứng minh điều giả sử này dẫn đến mâu thuẫn.
  • Phân tích: Ta cần chứng minh BD≠CEBD \ne CE.

Chứng minh:

  1. Vẽ hình: Vẽ △ABC\triangle ABC với AB>ACAB > AC. Vẽ các đường phân giác trong BDBD và CECE.

  2. Sử dụng định lý đường phân giác:

    • Trong △ABC\triangle ABC, đường phân giác BDBD chia cạnh ACAC thành hai đoạn: ADCD=ABBC\frac{AD}{CD} = \frac{AB}{BC}
    • Trong △ABC\triangle ABC, đường phân giác CECE chia cạnh ABAB thành hai đoạn: AEBE=ACBC\frac{AE}{BE} = \frac{AC}{BC}
  3. So sánh tỉ lệ: Vì AB>ACAB > AC nên ABBC>ACBC\frac{AB}{BC} > \frac{AC}{BC}. Do đó, ADCD>AEBE\frac{AD}{CD} > \frac{AE}{BE}.

  4. So sánh độ dài: Từ ADCD>AEBE\frac{AD}{CD} > \frac{AE}{BE}, ta suy ra ADAC>AEAB\frac{AD}{AC} > \frac{AE}{AB}. Do AC<ABAC < AB nên AD>AEAD > AE.

  5. Xét các điểm FF trên BDBD và GG trên CECE sao cho ∠BCE=∠DBF\angle BCE = \angle DBF và ∠CBD=∠ECG\angle CBD = \angle ECG.

    • Gọi OO là giao điểm của BDBD và CECE.
    • Xét △BOC\triangle BOC, ∠BOC=180∘−∠B2−∠C2\angle BOC = 180^\circ - \frac{\angle B}{2} - \frac{\angle C}{2}
    • Vì AB>ACAB > AC nên ∠C>∠B\angle C > \angle B suy ra ∠C2>∠B2\frac{\angle C}{2} > \frac{\angle B}{2} và 180∘−∠B2−∠C2<180∘−∠B180^\circ - \frac{\angle B}{2} - \frac{\angle C}{2} < 180^\circ - \angle B
    • Dựng điểm FF trên BDBD sao cho ∠BCF=∠B2\angle BCF = \frac{\angle B}{2}. Khi đó △BFC\triangle BFC cân tại FF.
    • Dựng điểm GG trên CECE sao cho ∠CBG=∠C2\angle CBG = \frac{\angle C}{2}. Khi đó △BGC\triangle BGC cân tại GG.
  6. Xét △BFC\triangle BFC và △CGB\triangle CGB:

    • BCBC chung
    • ∠BCF=∠B2\angle BCF = \frac{\angle B}{2}
    • ∠CBG=∠C2\angle CBG = \frac{\angle C}{2}
    • Vì ∠B<∠C\angle B < \angle C nên ∠BCF<∠CBG\angle BCF < \angle CBG.
  7. Sử dụng định lý hàm sin:

    • Trong △BCE\triangle BCE: CEsin⁡∠CBE=BCsin⁡∠CEB\frac{CE}{\sin{\angle CBE}} = \frac{BC}{\sin{\angle CEB}}

    • Trong △BCD\triangle BCD: BDsin⁡∠BCD=BCsin⁡∠BDC\frac{BD}{\sin{\angle BCD}} = \frac{BC}{\sin{\angle BDC}}

    • Ta có ∠CBE=∠B2\angle CBE = \frac{\angle B}{2}, ∠BCD=∠C2\angle BCD = \frac{\angle C}{2}. Vì ∠B<∠C\angle B < \angle C nên sin⁡∠B2<sin⁡∠C2\sin{\frac{\angle B}{2}} < \sin{\frac{\angle C}{2}}.

    • Mặt khác, ∠CEB>∠BDC\angle CEB > \angle BDC (tự chứng minh). Do đó sin⁡∠CEB>sin⁡∠BDC\sin{\angle CEB} > \sin{\angle BDC}.

    • Từ đó suy ra BD<CEBD < CE, mâu thuẫn với giả thiết BD=CEBD = CE.

  8. Kết luận: Điều giả sử sai. Vậy AB=ACAB = AC, hay △ABC\triangle ABC cân tại AA.

2. Chứng minh bằng biến đổi lượng giác

Chứng minh:

  1. Đặt: a=BCa = BC, b=ACb = AC, c=ABc = AB, α=∠A\alpha = \angle A, β=∠B\beta = \angle B, γ=∠C\gamma = \angle C. Gọi lbl_b là độ dài đường phân giác BDBD và lcl_c là độ dài đường phân giác CECE.

  2. Sử dụng công thức độ dài đường phân giác:

    • lb=2aca+ccos⁡β2l_b = \frac{2ac}{a+c}\cos{\frac{\beta}{2}}
    • lc=2aba+bcos⁡γ2l_c = \frac{2ab}{a+b}\cos{\frac{\gamma}{2}}
  3. Theo giả thiết: lb=lcl_b = l_c, suy ra: 2aca+ccos⁡β2=2aba+bcos⁡γ2\frac{2ac}{a+c}\cos{\frac{\beta}{2}} = \frac{2ab}{a+b}\cos{\frac{\gamma}{2}} ⇒ca+ccos⁡β2=ba+bcos⁡γ2\Rightarrow \frac{c}{a+c}\cos{\frac{\beta}{2}} = \frac{b}{a+b}\cos{\frac{\gamma}{2}}

  4. Biến đổi: Giả sử b≠cb \ne c. Không mất tính tổng quát, giả sử b>cb > c. Ta cần chứng minh điều này dẫn đến mâu thuẫn.

  5. Sử dụng định lý hàm sin:

    • bsin⁡β=csin⁡γ⇒sin⁡βsin⁡γ=bc\frac{b}{\sin{\beta}} = \frac{c}{\sin{\gamma}} \Rightarrow \frac{\sin{\beta}}{\sin{\gamma}} = \frac{b}{c}
    • Vì b>cb > c nên sin⁡β>sin⁡γ\sin{\beta} > \sin{\gamma}. Trong tam giác, nếu β,γ<180∘\beta, \gamma < 180^\circ, ta có β>γ\beta > \gamma hay β2>γ2\frac{\beta}{2} > \frac{\gamma}{2}.
  6. Xét hàm số f(x)=cos⁡x2a+asin⁡xsin⁡αf(x) = \frac{\cos{\frac{x}{2}}}{a+\frac{a\sin{x}}{\sin{\alpha} }}, với x∈(0,π)x \in (0, \pi)

    • Nếu β>γ\beta > \gamma thì cos⁡β2<cos⁡γ2\cos{\frac{\beta}{2}} < \cos{\frac{\gamma}{2}} và 1a+c<1a+b\frac{1}{a+c} < \frac{1}{a+b}.
  7. Chứng minh f(x)f(x) nghịch biến: (Đây là bước phức tạp, cần biến đổi và sử dụng các đẳng thức lượng giác để chứng minh, bỏ qua chi tiết để giữ tài liệu ở mức độ dễ hiểu).

  8. Mâu thuẫn: Vì β>γ\beta > \gamma và f(x)f(x) nghịch biến, suy ra f(β)<f(γ)f(\beta) < f(\gamma), tức là: ca+ccos⁡β2<ba+bcos⁡γ2\frac{c}{a+c}\cos{\frac{\beta}{2}} < \frac{b}{a+b}\cos{\frac{\gamma}{2}} Điều này mâu thuẫn với (3).

  9. Kết luận: Điều giả sử sai. Vậy b=cb = c, hay △ABC\triangle ABC cân tại AA.

III. Ứng dụng

Định lý Steiner-Lehmus không có ứng dụng trực tiếp trong việc giải toán hình học phổ thông, nhưng nó là một kết quả đẹp và thú vị trong hình học. Nó thường được dùng để xây dựng các bài toán hình học khó, đòi hỏi tư duy sáng tạo.

IV. Bài tập vận dụng

  1. Cho tam giác ABCABC. BDBD và CECE là các đường phân giác trong. Biết BD=CEBD = CE và ∠A=60∘\angle A = 60^\circ. Chứng minh △ABC\triangle ABC là tam giác đều.

  2. Cho tam giác ABCABC. BDBD và CECE là các đường phân giác trong. Gọi OO là giao điểm của BDBD và CECE. Biết BD=CEBD = CE và BO=COBO = CO. Chứng minh △ABC\triangle ABC cân tại AA.

  3. (Bài toán khó) Cho tứ giác ABCDABCD có các đường phân giác trong của các góc AA và CC bằng nhau. Chứng minh tứ giác ABCDABCD là hình thang cân hoặc hình bình hành.

V. Tổng kết

Định lý Steiner-Lehmus là một định lý độc đáo và không tầm thường trong hình học. Nó cho thấy một mối liên hệ không trực tiếp giữa độ dài các đường phân giác và tính chất cân của tam giác. Việc chứng minh định lý này đòi hỏi sự khéo léo và am hiểu sâu sắc về các công cụ hình học, đặc biệt là các định lý và công thức lượng giác. Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các bạn học sinh lớp 9 hiểu rõ hơn về định lý Steiner-Lehmus và có thêm một công cụ hữu ích trong việc giải toán hình học.

Cần thêm bí kíp?

Khám phá hàng trăm thủ thuật học tập hiệu quả khác.

Xem tất cả thủ thuật