Bài 33: Quan hệ giữa ba cạnh của một tam giác
Khám phá định lí bất đẳng thức tam giác và điều kiện cần và đủ để ba đoạn thẳng có thể ghép thành một hình tam giác.
BÀI 33: QUAN HỆ GIỮA BA CẠNH CỦA MỘT TAM GIÁC
Khám phá định lí bất đẳng thức tam giác và điều kiện cần và đủ để ba đoạn thẳng có thể ghép thành một hình tam giác.
• Bất đẳng thức tam giác
• Nhận biết liên hệ về độ dài của ba cạnh trong một tam giác.
Một trạm biến áp và một khu dân cư ở hai bên bờ sông (Hình 9.14).
Trên bờ sông phía khu dân cư, hãy tìm một địa điểm $C$ để dựng một cột điện kéo điện từ cột điện $A$ của trạm biến áp đến cột điện $B$ của khu dân cư sao cho tổng độ dài dây dẫn điện cần sử dụng là ngắn nhất.
Định lí bất đẳng thức tam giác sẽ giúp chúng ta giải quyết bài toán tối ưu đường dây điện này!
Bất đẳng thức tam giác
Cho hai bộ ba thanh tre nhỏ có độ dài như sau:
- Bộ thứ nhất: $10\text{ cm}, 20\text{ cm}, 25\text{ cm}$;
- Bộ thứ hai: $5\text{ cm}, 15\text{ cm}, 25\text{ cm}$.
Em hãy ghép và cho biết bộ nào ghép được thành một tam giác.
Với bộ ba thanh tre ghép lại được thành một tam giác trong HĐ1 ($10\text{ cm}, 20\text{ cm}, 25\text{ cm}$), em hãy so sánh độ dài của thanh bất kì với tổng độ dài của hai thanh còn lại.
• $10 < 20 + 25 = 45$
• $20 < 10 + 25 = 35$
• $25 < 10 + 20 = 30$
Nhận xét: Độ dài của một thanh bất kì luôn nhỏ hơn tổng độ dài của hai thanh còn lại!
Trong một tam giác, độ dài của một cạnh bất kì luôn nhỏ hơn tổng độ dài hai cạnh còn lại.
Trong tam giác $ABC$ (Hình 9.15):
$AB < AC + BC$
$AC < AB + BC$
$BC < AB + AC$
Ba hệ thức trên gọi là các bất đẳng thức tam giác.
Từ định lí trên, người ta suy ra được tính chất sau:
Trong một tam giác, độ dài của một cạnh bất kì luôn lớn hơn hiệu độ dài hai cạnh còn lại.
Nhận xét: Nếu kí hiệu $a, b, c$ là độ dài ba cạnh tuỳ ý của một tam giác thì từ định lí và tính chất vừa nêu ta có bất đẳng thức kép sau:
Bạn Vuông:
"Ba đoạn thẳng có độ dài $1\text{ cm}, 2\text{ cm}, 4\text{ cm}$ ghép được thành một tam giác vì $2 < 4 + 1$."
Bạn Tròn:
"Vuông sai rồi."
Ý kiến của em thì sao?
Xem phân tích chi tiết
Bạn Tròn nói đúng. Bạn Vuông đã sai!
Để ba đoạn thẳng tạo thành một tam giác, bất đẳng thức tam giác phải đúng với cả ba cạnh (đặc biệt là cạnh dài nhất phải nhỏ hơn tổng hai cạnh còn lại).
Ở đây, cạnh dài nhất là $4\text{ cm}$, nhưng $4 > 1 + 2 = 3\text{ cm}$ (cạnh lớn nhất lớn hơn tổng hai cạnh kia), nên ba đoạn thẳng $1\text{ cm}, 2\text{ cm}, 4\text{ cm}$ không thể ghép thành tam giác.
Để kiểm tra ba độ dài có là độ dài ba cạnh của một tam giác hay không, ta chỉ cần:
- So sánh độ dài lớn nhất có nhỏ hơn tổng hai độ dài còn lại hay không.
- Hoặc so sánh độ dài nhỏ nhất có lớn hơn hiệu hai độ dài còn lại hay không.
Hãy kiểm tra ba độ dài nào sau đây không thể là độ dài ba cạnh của một tam giác. Với bộ ba còn lại, hãy vẽ tam giác nhận ba độ dài đó làm độ dài ba cạnh.
a) $2\text{ cm}, 4\text{ cm}, 7\text{ cm}$.
b) $2\text{ cm}, 3\text{ cm}, 4\text{ cm}$.
Xem lời giải chi tiết
a) Ta có: $2 + 4 = 6 < 7$, do đó ba độ dài $2\text{ cm}, 4\text{ cm}, 7\text{ cm}$ không thỏa mãn bất đẳng thức tam giác nên không là độ dài ba cạnh của một tam giác.
b) Ta có: $2 + 3 = 5 > 4$ (hoặc $2 > 4 - 3 = 1$), ba độ dài $2\text{ cm}, 3\text{ cm}, 4\text{ cm}$ thỏa mãn điều kiện nên đây là độ dài ba cạnh của một tam giác.
Cách vẽ bằng compa và thước (Hình 9.16):
- Vẽ đoạn thẳng $AB = 4\text{ cm}$.
- Vẽ cung tròn tâm $A$ bán kính $2\text{ cm}$.
- Vẽ cung tròn tâm $B$ bán kính $3\text{ cm}$.
- Hai cung tròn cắt nhau tại $C$. Nối $AC$ và $BC$ ta được tam giác $ABC$ cần vẽ.
Hỏi ba độ dài nào sau đây không thể là độ dài ba cạnh của một tam giác? Vì sao? Hãy vẽ tam giác nhận ba độ dài còn lại làm độ dài ba cạnh.
a) $5\text{ cm}, 4\text{ cm}, 6\text{ cm}$.
b) $3\text{ cm}, 6\text{ cm}, 10\text{ cm}$.
Xem lời giải chi tiết
• Xét bộ b: $3 + 6 = 9 < 10$, tổng hai độ dài nhỏ hơn bé hơn độ dài lớn nhất nên $3\text{ cm}, 6\text{ cm}, 10\text{ cm}$ không thể là ba cạnh của một tam giác.
• Xét bộ a: Độ dài lớn nhất là $6\text{ cm}$, ta có $4 + 5 = 9 > 6$, thỏa mãn bất đẳng thức tam giác nên $5\text{ cm}, 4\text{ cm}, 6\text{ cm}$ là độ dài ba cạnh của một tam giác.
Cách vẽ tam giác có ba cạnh $5\text{ cm}, 4\text{ cm}, 6\text{ cm}$ bằng thước và compa:
1. Vẽ đoạn thẳng có độ dài $6\text{ cm}$.
2. Vẽ cung tròn tâm ở một đầu mút bán kính $5\text{ cm}$ và cung tròn tâm ở đầu mút kia bán kính $4\text{ cm}$.
3. Giao điểm của hai cung tròn là đỉnh thứ ba của tam giác.
Trở lại tình huống mở đầu, em hãy giải thích vì sao nếu dựng cột điện ở vị trí $C$ trên đoạn thẳng $AB$ thì tổng độ dài dây dẫn điện cần sử dụng là ngắn nhất (Hình 9.17).
Xem lời giải chi tiết
Gọi vị trí cần dựng cột điện trên bờ sông là điểm $C$.
Tổng độ dài dây dẫn điện kéo từ $A$ đến $C$ rồi từ $C$ đến $B$ là: $L = AC + CB$.
• Nếu $C$ không nằm trên đoạn thẳng $AB$ thì ba điểm $A, B, C$ tạo thành một tam giác. Theo bất đẳng thức tam giác, ta có: $AC + CB > AB$.
• Nếu $C$ nằm trên đoạn thẳng $AB$ thì $AC + CB = AB$.
Do đó với mọi vị trí $C$, ta luôn có: $AC + CB \ge AB$.
Giá trị nhỏ nhất của tổng độ dài dây điện bằng $AB$, đạt được khi và chỉ khi $C$ nằm trên đoạn thẳng nối $A$ và $B$ (tức là $C$ là giao điểm của đường thẳng nối hai cột điện $A, B$ với bờ sông phía khu dân cư).
BÀI TẬP CUỐI BÀI HỌC (SGK TRANG 69)
Cho các bộ ba đoạn thẳng có độ dài như sau:
a) $2\text{ cm}, 3\text{ cm}, 5\text{ cm}$;
b) $3\text{ cm}, 4\text{ cm}, 6\text{ cm}$;
c) $2\text{ cm}, 4\text{ cm}, 5\text{ cm}$.
Hỏi bộ ba nào không thể là độ dài ba cạnh của một tam giác? Vì sao? Với mỗi bộ ba còn lại, hãy vẽ một tam giác có độ dài ba cạnh được cho trong bộ ba đó.
Xem lời giải chi tiết
a) Ta có $2 + 3 = 5\text{ cm}$. Tổng độ dài hai đoạn thẳng bằng độ dài đoạn thẳng thứ ba nên ba điểm thẳng hàng, không thể tạo thành tam giác.
b) Ta có $3 + 4 = 7 > 6\text{ cm}$. Tổng hai cạnh nhỏ hơn lớn hơn cạnh lớn nhất nên bộ ba $3\text{ cm}, 4\text{ cm}, 6\text{ cm}$ tạo thành một tam giác.
c) Ta có $2 + 4 = 6 > 5\text{ cm}$. Tương tự, bộ ba $2\text{ cm}, 4\text{ cm}, 5\text{ cm}$ tạo thành một tam giác.
Cách vẽ: Dùng thước kẻ vẽ cạnh lớn nhất, sau đó dùng compa quay hai cung tròn từ hai đầu mút với bán kính bằng hai cạnh còn lại, giao điểm của hai cung tròn là đỉnh thứ ba.
a) Cho tam giác $ABC$ có $AB = 1\text{ cm}$ và $BC = 7\text{ cm}$. Hãy tìm độ dài cạnh $CA$ biết rằng đó là một số nguyên (cm).
b) Cho tam giác $ABC$ có $AB = 2\text{ cm}, BC = 6\text{ cm}$ và $BC$ là cạnh lớn nhất. Hãy tìm độ dài cạnh $CA$ biết rằng đó là một số nguyên (cm).
Xem lời giải chi tiết
a) Theo bất đẳng thức tam giác:
$BC - AB < CA < BC + AB \iff 7 - 1 < CA < 7 + 1 \iff 6 < CA < 8$.
Vì $CA$ là số nguyên nên $CA = 7\text{ cm}$.
b) Theo bất đẳng thức tam giác:
$BC - AB < CA < BC + AB \iff 6 - 2 < CA < 6 + 2 \iff 4 < CA < 8$.
Mặt khác, đề bài cho $BC = 6\text{ cm}$ là cạnh lớn nhất, nên $CA \le BC = 6\text{ cm}$.
Kết hợp hai điều kiện trên ta được: $4 < CA \le 6$.
Vì $CA$ là số nguyên nên $CA \in \{5; 6\}$.
Vậy độ dài cạnh $CA$ có thể là $5\text{ cm}$ hoặc $6\text{ cm}$.
Cho điểm $M$ nằm bên trong tam giác $ABC$. Gọi $N$ là giao điểm của đường thẳng $AM$ và cạnh $BC$ (Hình 9.18).
a) So sánh $MB$ với $MN + NB$, từ đó suy ra $MA + MB < NA + NB$.
b) So sánh $NA$ với $CA + CN$, từ đó suy ra $NA + NB < CA + CB$.
c) Chứng minh $MA + MB < CA + CB$.
Xem lời giải chi tiết
a) Trong tam giác $MNB$, theo bất đẳng thức tam giác ta có: $MB < MN + NB$.
Cộng $MA$ vào cả hai vế: $MA + MB < MA + MN + NB$.
Vì điểm $M$ nằm giữa $A$ và $N$ nên $MA + MN = NA$.
Do đó: $MA + MB < NA + NB$ (1).
b) Trong tam giác $ACN$, theo bất đẳng thức tam giác ta có: $NA < CA + CN$.
Cộng $NB$ vào cả hai vế: $NA + NB < CA + CN + NB$.
Vì điểm $N$ nằm trên cạnh $BC$ nên $CN + NB = CB$.
Do đó: $NA + NB < CA + CB$ (2).
c) Từ (1) và (2), theo tính chất bắc cầu ta suy ra:
$MA + MB < CA + CB$.
Cho tam giác $ABC$, điểm $D$ nằm giữa $B$ và $C$. Chứng minh rằng $AD$ nhỏ hơn nửa chu vi tam giác $ABC$.
Xem lời giải chi tiết
Điểm $D$ nằm giữa $B$ và $C$ nên $BD + DC = BC$.
• Trong tam giác $ABD$, theo bất đẳng thức tam giác ta có:
$AD < AB + BD \quad (1)$
• Trong tam giác $ACD$, theo bất đẳng thức tam giác ta có:
$AD < AC + DC \quad (2)$
Cộng từng vế của hai bất đẳng thức (1) và (2) ta được:
$2AD < AB + BD + AC + DC = AB + AC + (BD + DC) = AB + AC + BC$.
Chia cả hai vế cho 2:
$AD < \frac{AB + AC + BC}{2}$.
Vì $\frac{AB + AC + BC}{2}$ chính là nửa chu vi của tam giác $ABC$, nên $AD$ luôn nhỏ hơn nửa chu vi tam giác $ABC$ (điều phải chứng minh).