HỆ THỨC LƯỢNG TRONG TAM GIÁC
1 GVBM : ĐOÀN NGỌC DŨNG Bài toán : Cho tam giác ABC có 3 góc nhọn, biết BC = a, AB = c, AC = b. Gọi : S : là diện tích của tam giác ABC.
p : là nửa chu vi với
2 c b p a
R : là bán kính đường tròn ngoại tiếp của tam giác ABC.
r : là bán kính đường tròn nội tiếp của tam giác ABC.
ha, hb, hc : là độ dài các đường cao tương ứng vẽ từ A, B, C.
ma, mb, mc : là độ dài các đường trung tuyến vẽ từ A, B, C.
la, lb, lc : là độ dài các đường phân giác trong vẽ từ A, B, C.
Ta có :
1) Định lý hàm cosin :
a2 = b2 + c2 2bc cosA ; b2 = a2 + c2 2ac cosB ; c2 = a2 + b2 2ab cosC 2) Định lý hàm sin :
R C 2 sin
c B sin
b A sin
a
3) Công thức tính diện tích tam giác :
a) a b c.hc
2 h 1 . 2b h 1 . 2a
S 1
b) ab.sinC
2 B 1 sin . 2ca A 1 sin . 2bc
S 1
c) 4R S abc
d) S p(pa)(pb)(pc) (công thức Hêrông) e) Sp.r
4) Định lý đường trung tuyến : 4
a 2
c m b
2 2 2 2
a ;
4 b 2
a m c
2 2 2 2
b ;
4 c 2
b m a
2 2 2 2
c
Hệ quả : b2 + c2 = 2.ma2 + 2
a2 ; c2 + a2 = 2.mb2 + 2
b2 ; a2 + b2 = 2.mc2 + 2 c2
5) Công thức tính độ dài đường phân giác trong : p
p a
c b
bc 2 c b
2 cosA bc 2
lA
6) Công thức tính độ dài đường phân giác ngoài :
p b
p c
(b c)c b
bc 2 c
b 2 sinA . bc 2
l'A
Định lý 1 : Trong tam giác ABC có nửa chu vi bằng
2 c b
p a , ta có : 1) Diện tích tam giác ABC : ABC 2
sinA sinB sinC
2C sin . B sin . A p sin
2
S
2) Độ dài đường cao của tam giác : C
sin B sin A sin
C sin . B p sin
2 ha
;
C sin B sin A sin
C sin . A p sin
2 hb
;
C sin B sin A sin
B sin . A p sin
2 hc
(ha, hb, hc : là các đường cao tương ứng vẽ từ A, B, C)
3) Độ dài đường trung tuyến của tam giác :
A sin C sin 2 B sin C 2 sin B sin A sin
ma p 2 2 2
B sin C sin 2 A sin C 2 sin B sin A sin
mb p 2 2 2
C sin B sin 2 A sin C 2 sin B sin A sin
mc p 2 2 2
(ma, mb, mc : độ dài các đường trung tuyến vẽ từ A, B, C) 4) Độ dài đường phân giác trong của tam giác :
sinA sinB sinCC sin . B sin . A sin C
sin B 2 sin sinA
p la 2
sinA sinB sinCC sin . B sin . A sin C
sin A 2 sin sinB
p lb 2
sinA sinB sinCC sin . B sin . A sin B
sin A 2 sin sinC
p lC 2
(la, lb, lc : độ dài các đường phân giác trong vẽ từ A, B, C) 5) Bán kính đường tròn ngoại tiếp của tam giác ABC :
C sin B sin A sin R p
6) Bán kính đường tròn nội tiếp của tam giác ABC :
sinA sinB sinC
2C sin . B sin . A p sin
2
r
7) Gọi SA, SB, SC lần lượt là diện tích tam giác ABC tạo bởi đường trung tuyến, đường phân giác của đỉnh A, B, C với cạnh BC, AC, AB. Ta có :
22
A sinA sinB sinC
C sin . B sin . A sin C
sin B sin
C sin B p sin
S
22
B sinA sinB sinC
C sin . B sin . A sin C
sin A sin
C sin A p sin
S
22
C sinA sinB sinC
C sin . B sin . A sin B
sin A sin
B sin A p sin
S
Định lý 2 : Với R là bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC, ta có : 1) Diện tích tam giác ABC : SABC2R2.sinA.sinB.sinC
2) Độ dài đường cao của tam giác : ha 2R.sinB.sinC ; hb 2R.sinA.sinC ; hc2R.sinA.sinB (ha, hb, hc : là các đường cao tương ứng vẽ từ A, B, C)
3) Độ dài đường trung tuyến của tam giác : A
sin C sin 2 B sin 2 R
ma 2 2 2
B sin C sin 2 A sin 2 R
mb 2 2 2
C sin B sin 2 A sin 2 R
mc 2 2 2
(ma, mb, mc : độ dài các đường trung tuyến vẽ từ A, B, C) 4) Độ dài đường phân giác trong của tam giác :
sinB sinC
sinA.sinB.sinC2 sinA
R
la 2
sinA sinC
sinA.sinB.sinC2 sinB
R
lb 2
3
sinA sinB
sinA.sinB.sinC2 sinC
R
lC 2
(la, lb, lc : độ dài các đường phân giác trong vẽ từ A, B, C)
5) Gọi SA, SB, SC lần lượt là diện tích tam giác ABC tạo bởi đường trung tuyến, đường phân giác của đỉnh A, B, C với cạnh BC, AC, AB. Ta có :
C sin . B sin . A C sin sin B sin
C sin B R sin
SA 2
C sin . B sin . A C sin sin A sin
C sin A R sin
SB 2
C sin . B sin . A B sin sin A sin
B sin A R sin
SC 2
Định lý 3 : Với r là bán kính đường tròn nội tiếp tam giác ABC, ta có : 1) Diện tích tam giác ABC :
C sin . B sin . A sin
C sin B sin A sin 2 S r
2 2 ABC
2) Độ dài đường cao của tam giác :
sinA sinB sinC
A sin
ha r ;
sinA sinB sinC
B sin
hb r ;
sinA sinB sinC
C sin
hc r
(ha, hb, hc : là các đường cao tương ứng vẽ từ A, B, C) 3) Độ dài đường trung tuyến của tam giác :
A sin C sin 2 B sin C 2
sin . B sin . A sin
C sin B sin A sin 2
ma r 2 2 2
B sin C sin 2 A sin C 2
sin . B sin . A sin
C sin B sin A sin 2
mb r 2 2 2
C sin B sin 2 A sin C 2
sin . B sin . A sin
C sin B sin A sin 2
mc r 2 2 2
(ma, mb, mc : độ dài các đường trung tuyến vẽ từ A, B, C) 4) Độ dài đường phân giác trong của tam giác :
sinA sinB sinC
C sin B 2 sin sinA
R
la 2
sinA sinB sinC
C sin A 2 sin sinB
R
lb 2
sinA sinB sinC
B sin A 2 sin sinC
R
lC 2
(la, lb, lc : độ dài các đường phân giác trong vẽ từ A, B, C)
5) Gọi SA, SB, SC lần lượt là diện tích tam giác ABC tạo bởi đường trung tuyến, đường phân giác của đỉnh A, B, C với cạnh BC, AC, AB. Ta có :
C sin . B sin . A sin
C sin B sin A sin C sin B sin
C sin B sin 4 S r
2 2 A
C sin . B sin . A sin
C sin B sin A sin C sin A sin
C sin A sin 4 S r
2 2 B
C sin . B sin . A sin
C sin B sin A sin B sin A sin
B sin A sin 4 S r
2 2 C
Các công thức tính tỉ số :
1) Tỉ số giữa diện tích hình tròn nội tiếp và diện tích hình tròn ngoại tiếp ABC :
2
C sin B sin A sin
C sin . B sin . A . sin ) 4 O ( S
) I (
S
Chú ý :
a) Nếu ABC đều thì
4 1 ) O ( S
) I (
S
b) Tỉ số giữa diện tích đường tròn nội tiếp và ngoại tiếp của ABC bằng bình phương tỉ số giữa chu vi của hai đường tròn đó.
2) Tỉ số giữa diện tích ABC với diện tích hình tròn ngoại tiếp ABC : 2.sinA.sinB.sinC )
O ( S S ABC
3) Tỉ số giữa diện tích ABC với diện tích hình tròn nội tiếp ABC :
C sin . B sin . A sin
C sin B sin A . sin 2
1 ) I ( S
S ABC 2
4) Tỉ số giữa diện tích phần giới hạn bởi đường trung tuyến, đường phân giác của đỉnh A với cạnh BC củaABC đối với diện tích ABC :
C sin B sin
C sin B sin 2 1 S
) A ( S
ABC
Chú ý :
a) Nếu ABC cân tại A thì 0 S
) A ( S
ABC
b) Nếu 0
S ) B ( S S
) A ( S
ABC ABC
thì ABC đều.
5) Tỉ số giữa đường cao với đường phân giác cùng đỉnh A của ABC :
2 cosA 2
C sin B sin l
h
a
a
6) Tỉ số giữa đường cao với đường trung tuyến cùng đỉnh A của ABC :
A sin C sin 2 B sin 2
C sin . B sin 2 m
h
2 2
2 a
a
7) Tỉ số giữa đường phân giác với đường trung tuyến cùng đỉnh A của ABC :
A sin C sin 2 B sin 2
2 cosA 4 C
sin B sin
C sin . B sin m
l
2 2
2 a
a
8) Tỉ số giữa chu vi của ABC với đường tròn nội tiếp của ABC :
C sin . B sin . A sin
C sin B sin A . sin 2
1 ) I ( S
C ABC 2
Chú ý : Tỉ số giữa diện tích ABC với đường tròn nội tiếp của ABC bằng với tỉ số giữa chu vi của ABC với đường tròn nội tiếp của ABC
9) Tỉ số giữa chu vi của ABC với đường tròn ngoại tiếp của ABC :
sinA sinB sinC )
O ( S C ABC
10) Tỉ số giữa chu vi đường tròn nội tiếp của ABC với đường tròn ngoại tiếp của ABC : C
sin B sin A sin
C sin . B sin . A 2 sin C
C
) O (
) I (
Chú ý : Các tỉ số từ 1 đến 10 chỉ phụ thuộc vào số đo của các góc của ABC.
11) Tỉ số giữa diện tích được giới hạn bởi đường tròn nội tiếp và các cạnh của tam giác đối với diện tích được giới hạn bởi đường tròn ngoại tiếp và các cạnh của ABC :
C sin B sin A sin x
C sin . B sin . A sin t t
2 x
t 2 x t 2 ABC /
) O ( S
ABC /
) I ( S
2
2 với
A. CHỨNG MINH CÁC CÔNG THỨC CƠ BẢN 5
a) Chứng minh định lý hàm cosin : a2 = b2 + c2 2bc cosA ; b2 = a2 + c2 2ac cosB ; c2 = a2 + b2 2ab cosC Ta có: b2 + c2 – 2bc.cosA =
AB AC AK AB 2 AB KC . AK . 2 KC
AK2 2 2
= AK2 + KC2 + 2.AK.KC + (AK2 + BK2) – 2.AC.AK = 2AK2 + KC2 + 2.AK.KC + BK2 – 2(AK + KC)AK
= 2AK2 + KC2 + 2.AK.KC + BK2 – 2AK2 – AK.KC = KC2 + BK2 = BC2 = a2 Vậy: a2 = b2 + c2 – 2bc.cosA (điều phải chứng minh)
b) Chứng minh định lý hàm sin : 2R
C sin
c B sin
b A sin
a
CL ab b
CL a A sin
a ;
CL ab a
CL b B sin
b
B sin
b A sin
a (1)
BK ac c
BK a A sin
a ;
BK ac a
BK c C sin
c
C sin
c A sin
a (2)
Từ (1) và (2) suy ra:
C sin
c B sin
b A sin
a (3)
Ta có: ABNC là tứ giác nội tiếp đường tròn (O ; R) góc ANB = góc ACB = góc C Ba điểm A, O, N thẳng hàng ; A và N thuộc đường tròn (O ; R)
AM là đường kính của đường tròn (O ; R) góc ANB = 90o và AN = 2R
Ta có: AN 2R
AN c c N B A sin
c C
sin
c (4) (ABN vuông tại B)
Từ (3) và (4) suy ra: 2R
C sin
c B sin
b A sin
a (điều phải chứng minh) c) Chứng minh các công thức diện tích :
R 4 ) abc c p )(
b p )(
a p ( p r . p A sin . 2bc
S 1
Ta có: bcsinA
2 A 1 sin b 2c CL 1 2c
SABC 1 (*)
pr.2 c b r a CA BC AB 2 r r 1 2AC r 1 2BC r 1 2AB S 1
S S
S ABC IAB IBC IAC
(**)
Áp dụng định lí Pitago trong tam giác vuông, ta có: AB2 – BH2 = AC2 – HC2
AB2 – (BC – CH)2 = AC2 – HC2 AB2 – (BC2 – 2.BC.CH + CH2) = AC2 – HC2
2 2 2 2 2
2 2 2
2 2 2
2 2 2 2 2 2
a 2
c a c b
a AH 2
c a CH b
a 2
c a b BC
2
AB BC
CH AC
2
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2
ABC 16a
a . c a b c a a 4 4 1 a
2 c a c b
4 BC .
S AH
16
b a c b a c c b a c b a 16
c a b ac 2 c a b ac
2 2 2 2 2 2 2
p p a p b p c16
c 2 p 2 b 2 p 2 a 2 p 2 p
2
SABC p
pa
pb
pc
(***)Từ câu a) ab 2R.CL abc 2R.CL.c 2R.2SABC
b R CL 2 A sin R 2 a R A 2 sin
a
R 4 S abc S
. R 4
abc ABC ABC
(****)
Từ (*), (**), (***), (****), ta có: S1bcsinApr p
pa
pb
pc
abc (điều phải chứng minh)d) Chứng minh định lý đường trung tuyến :
4 a 2
c m2a b
Ta có: AB2 = AH2 + BH2 ; AC2 = AH2 + CH2 AB2 + AC2 = 2AH2 + BH2 + CH2
2 2
2 2
2 HM
2 HM BC
2 AH BC
2 AC
AB
2 2 2
2 2 2 2
2 2HM
2 AH BC 2 HM . BC 4 HM
HM BC . BC 4 HM
AH BC
2
2 2
22 2
2 2
2 2AH 2HM 2AH HM 2AM
2 AC BC
AB
Vậy:
2 AC BC AB AM
2 2 2 2 2 hay
4 BC 2
AB AM AC
2 2
2
2 hay
4 a 2
c m b
2 2 2 2
a
e) Chứng minh định lý đường phân giác trong : p
p a
c b
bc 2 c b
2 cosA bc 2
lA
Ta có:
2 sinA AC 2 AD
1 2 sinA AD 2 AB
A 1 sin AC 2 AB
S 1 S
SABC ABD ADC
AB AC
2 sinA 2 AD
cosA 2 sinA 2 AC AB AC
2 AB sinA AD A sin . AC .
AB
AC
AB 2
cosA AC AB AD 2
AC AB 2 AD
cosA 2 AC
AB
c
b 2
cosA bc AD 2
hay
c b
2 cosA bc 2 lA
B. CHỨNG MINH CÁC CÔNG THỨC MỞÛ RỘNG
1) Chứng minh diện tích tam giác ABC :
22
ABC sinA sinB sinC
C sin . B sin . A p sin
2
S
Theo định lí hàm sin, ta có:
C sin B sin A sin
p 2 C
sin B sin A sin
c b a C
sin c B sin
b A sin
a
Suy ra:
C sin B sin A sin
A sin . p a 2
(*)
C sin B sin A sin
B sin . p b 2
(**)
C sin B sin A sin
C sin . p c 2
(***)
Mà
33 3
3
C sin B sin A sin R 4
C sin . B sin . A sin . p 8 R 4
1 C sin B sin A sin
C sin . B sin . A sin . p 8 R 4 abc 1 R 4 S abc
(1)
Hơn nữa theo định lí hàm sin, ta có: 7
A sin . 2 R a R A 2 sin
a (2)
Từ (1) và (2), suy ra:
32 3
3 3
C sin B sin A sin a
C sin . B sin . A sin . p 4 C sin B sin A A sin sin . 2
a
C sin . B sin . A sin . p S 2
(3)
Từ (*) và (3) suy ra:
3 2
22 3
C sin B sin A sin
C sin . B sin . A p sin
2 C sin B sin A C sin sin B sin A sin
A sin . p 2
C sin . B sin . A sin . p S 4
Vậy
22
ABC sinA sinB sinC
C sin . B sin . A p sin
2
S
2) Chứng minh độ dài đường cao của tam giác :
C sin B sin A sin
C sin . B p sin
2 ha
Ta có: AH.BC
2
SABC 1 Suy ra:
22 2
2 ABC
ABC
C sin B sin A sin a
C sin . B sin . A sin p 4 C
sin B sin A sin
C sin . B sin . A p sin
a 2 S 2
BC 2 BC
S . AH 2
(4)
Từ (*) và (4) suy ra:
sinA sinB sinCC sin . B sin . p 2 C
sin B sin A C sin sin B sin A sin
A sin . p 2
C sin . B sin . A sin p AH 4
2 2
Vậy
C sin B sin A sin
C sin . B p sin
2 ha
3) Chứng minh độ dài đường trung tuyến : 2sin B 2sin C sin A C
sin B sin A sin
ma p 2 2 2
Theo công thức tính độ dài đường trung tuyến trong tam giác, ta có:
2 2 2
2 2 2 2 2 2 2
a 2b 2c a
4 1 4 a 4
c 2 b 2 4 a 2
c
m b a 2b2 2c2 a2
2
m 1 (5)
Từ (*), (**), (***) và (5) suy ra:
2 2
2
a sinA sinB sinC
A sin . p 2 C
sin B sin A sin
C sin . p 2 2
C sin B sin A sin
B sin . p 2 2
2
m 1
sinA sinB sinC
sinA sinpB sinC 2sin B 2sin C sin AA sin p 4 C sin p 8 B sin p 8 2
ma 1 2 2 2 2 22 2 2 2 2
2sin B 2sin C sin A
C sin B sin A sin
ma p 2 2 2
4) Chứng minh độ dài đường phân giác trong :
sinA sinB sinC
C sin B 2 sin sinA
R
la 2
Ta có:
2 sinA c 2 b
AD 2
sinA AD 2c 1 2 sinA AD 2b
S 1 S
SABC ADC ADB
Suy ra:
2 sinA c b
S .
AD 2 ABC
(6)
Từ (**), (***), (5) và câu 1 suy ra:
ABCABC S
c b
1 2 sinA
2 2 sinA c b
S .
AD 2
22
C sin B sin A sin
C sin . B sin . A p sin
C 2 sin . p 2 B
sin . p 2
1 A
2
sinA sinB sinC
: sinA2psin.sinBB sinC sinA2psin.sinBC sinC sinA2C sin . B sin . A sin . p
AD 4 2
2 sinA C sin B sin A sin
C sin B sin p : 2 C sin B sin A sin
C sin . B sin . A sin . p 4
2
2
Hay
sinA sinB sinCC sin . B sin . A sin C
sin B 2 sin sinA
p l 2
AD a
5) Chứng minh bán kính đường tròn ngoại tiếp của tam giác ABC :
C sin B sin A sin R p
Ta có:
S 4 R abc R
4
Sabc
Từ (*), (**), (***), (5) và câu 1 suy ra:
sinA sinB sinC
sinA sinpB sinCC sin . B sin . A sin p 4 2 C : sin B sin A sin
C sin . B sin . A sin . p
R 8 3 3 2 2
(điều phải chứng minh)
Vậy:
C sin B sin A sin R p
6) Chứng minh bán kính đường tròn nội tiếp của tam giác ABC :
sinA sinB sinC
2C sin . B sin . A p sin
2
r
Ta có: s = p.r suy ra P
r S (7) Từ câu 1 và (7) suy ra:
2
22
C sin B sin A sin
C sin . B sin . A p sin
C 2 sin B sin A sin p
C sin . B sin . A sin . p r 2
Vậy:
sinA sinB sinC
2C sin . B sin . A p sin
2
r
7) Gọi SA, SB, SC lần lượt là diện tích tam giác ABC tạo bởi đường trung tuyến, đường phân giác của đỉnh A, B, C với cạnh BC, AC, AB. Ta có : A 2
sinA sinB sinC
2C sin . B sin . A sin C
sin B sin
C sin B p sin
S
Ta có:
DC DB AC
AB (tính chất đường phân giác) Suy ra:
BC DB DB DC
DB AB
AC
AB
Suy ra:
c b
b . a c b
c . a a c DC
b c . a AB AC
BC . DB AB
Do đó:
c b
c b 2 a c b
ac 2 DB a 2
MD BC
(a)
Hay b c
c b 2 a c b
ab 2 DC a 2
MD BC
(b)
Từ (*), (**), (***) và (a) hoặc (b) suy ra:
C sin B sin A sin
C sin B sin p
2A sinB sinC sin
C sin B sin p 2 C sin B sin A sin
A sin . MD p
Hay sinB sinC
C sin B sin C sin B sin A sin
A sin . MD p
Mà sinA sinB sinC
C sin . B sin . p 2 C sin B sin
C sin B sin C sin B sin A sin
A sin . p 2
AH 1 . 2MD S AMD 1
Suy ra: 9
22
A sinA sinB sinC
C sin . B sin . A sin C
sin B sin
C sin B p sin
S
Hệ quả : Nếu R là bán kính đường tròn ngoại tiếp và r là bán kính đường tròn nội tiếp của ABC thì C
sin B sin A sin
C sin . B sin . A R sin
2
r .
Chứng minh :
Từ 5) và 6) của Định lí 1 suy ra:
C sin B sin A sin
C sin . B sin . A R sin
2
r
Định lý 2 : Với R là bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC, ta có : Theo định lí 1: Ta có
C sin B sin A sin R p
1) Diện tích tam giác ABC : SABC2R2.sinA.sinB.sinC Theo định lí 1:
2 2
ABC 2 sinA sinB sinC
C p sin B sin A sin C 2
sin B sin A sin
C sin . B sin . A p sin
2
S
= 2R2.sinA.sinB.sinC
2) Độ dài đường cao của tam giác : ha 2R.sinB.sinC Theo định lí 1:
C sin B sin A sin C p sin B sin C 2
sin B sin A sin
C sin . B p sin
2 ha
= 2.R.sinB.sinC
3) Độ dài đường trung tuyến của tam giác : ma R 2sin2B2sin2Csin2A
Theo định lí 1: 2sin B 2sin C sin A
C sin B sin A sin
ma p 2 2 2
= R. 2sin2B2sin2 Csin2 A 4) Độ dài đường phân giác trong của tam giác :
sinB sinC
sinA.sinB.sinC2 sinA
R
la 2
Theo định lí 1:
sinA sinB sinCp 2 C
sin B 2 sin sinA
C sin . B sin . A sin C
sin B sin A sin
C sin . B sin . A sin C
sin B 2 sin sinA
p Ia 2
=
sinB sinC
sinA sinB sinC2 sinA
R
2
5) Gọi SA, SB, SC lần lượt là diện tích tam giác ABC tạo bởi đường trung tuyến, đường phân giác của đỉnh A, B, C với cạnh BC, AC, AB. Ta có : sinA.sinB.sinC
C sin B sin
C sin B R sin
SA 2
Theo định lí 1:
22
A sinA sinB sinC
C sin . B sin . A sin C
sin B sin
C sin B p sin
S
sinA sinB sinC
C sin B sin
C sin B sin C sin B sin A sin
p 2
sinA sinB sinC
C sin B sin
C sin B
R2 sin