Bài 23 trang 24 Sách giáo khoa (SGK) Hình học 10 Nâng cao

Đề bài

Gọi \(M\) và \(N\) lần lượt là trung điểm các đoạn thẳng \(AB\) và \(CD\).  Chứng minh rằng

\(2\overrightarrow {MN}  = \overrightarrow {AC}  + \overrightarrow {BD}  = \overrightarrow {AD}  + \overrightarrow {BC} .\)

Lời giải chi tiết

Vì M, N là trung điểm AB và CD nên:

\(\overrightarrow {AM}  + \overrightarrow {BM}  = \overrightarrow {AM}  + \overrightarrow {MA}  = \overrightarrow 0 \) và \(\overrightarrow {NC}  + \overrightarrow {ND}  = \overrightarrow 0 \)

Theo quy tắc ba điểm, ta có

\(\eqalign{
& \overrightarrow {AC} + \overrightarrow {BD} = \left( {\overrightarrow {AM} + \overrightarrow {MN} + \overrightarrow {NC} } \right) + \left( {\overrightarrow {BM} + \overrightarrow {MN} + \overrightarrow {ND} } \right) \cr& = 2\overrightarrow {MN} + \left( {\overrightarrow {AM} + \overrightarrow {BM} } \right) + \left( {\overrightarrow {NC} + \overrightarrow {ND} } \right)  = 2\overrightarrow {MN} + \overrightarrow 0 + \overrightarrow 0 = 2\overrightarrow {MN} \cr 
& \overrightarrow {AD} + \overrightarrow {BC} = \left( {\overrightarrow {AM} + \overrightarrow {MN} + \overrightarrow {ND} } \right) + \left( {\overrightarrow {BM} + \overrightarrow {MN} + \overrightarrow {NC} } \right) \cr 
&  = 2\overrightarrow {MN} + \left( {\overrightarrow {AM} + \overrightarrow {BM} } \right) + \left( {\overrightarrow {NC} + \overrightarrow {ND} } \right)  = 2\overrightarrow {MN} + \overrightarrow 0 + \overrightarrow 0 = 2\overrightarrow {MN} \cr} \)

Vậy \(2\overrightarrow {MN}  = \overrightarrow {AC}  + \overrightarrow {BD}  = \overrightarrow {AD}  + \overrightarrow {BC} .\)

Cách khác:

Vì N là trung điểm của CD nên với điểm M ta có:

\(\begin{array}{l}2\overrightarrow {MN}  = \overrightarrow {MC}  + \overrightarrow {MD} \\ = \overrightarrow {MA}  + \overrightarrow {AC}  + \overrightarrow {MB}  + \overrightarrow {BD} \\ = \left( {\overrightarrow {MA}  + \overrightarrow {MB} } \right) + \left( {\overrightarrow {AC}  + \overrightarrow {BD} } \right)\\ = \overrightarrow 0  + \left( {\overrightarrow {AC}  + \overrightarrow {BD} } \right)\\ = \overrightarrow {AC}  + \overrightarrow {BD} \,\,\,\left( 1 \right)\end{array}\)

(vì M là trung điểm AB nên \(\overrightarrow {MA}  + \overrightarrow {MB}  = \overrightarrow 0 \))

Lại có:

\(\begin{array}{l}2\overrightarrow {MN}  = \overrightarrow {MC}  + \overrightarrow {MD} \\ = \overrightarrow {MB}  + \overrightarrow {BC}  + \overrightarrow {MA}  + \overrightarrow {AD} \\ = \left( {\overrightarrow {MB}  + \overrightarrow {MA} } \right) + \left( {\overrightarrow {BC}  + \overrightarrow {AD} } \right)\\ = \overrightarrow 0  + \left( {\overrightarrow {BC}  + \overrightarrow {AD} } \right)\\ = \overrightarrow {BC}  + \overrightarrow {AD} \\ = \overrightarrow {AD}  + \overrightarrow {BC} \,\,\,\left( 2 \right)\end{array}\)

Vậy từ (1) và (2) suy ra \(2\overrightarrow {MN}  = \overrightarrow {AC}  + \overrightarrow {BD}  = \overrightarrow {AD}  + \overrightarrow {BC} \)