Câu 13 trang 115 Sách bài tập Hình học 11 Nâng cao: Trước hết, ta chứng minh...

Cho tứ diện ABCD. Gọi I, J, H, K, E, F lần lượt là trung điểm của các cạnh AB, CD, BC, AD, AC, BD. Chứng minh rằng

$A{B^2} + C{{\rm{D}}^2} + A{C^2} + B{{\rm{D}}^2} + B{C^2} + A{{\rm{D}}^2}$

$= 4\left( {I{J^2} + H{K^2} + E{F^2}} \right)$

Trước hết, ta chứng minh

$A{C^2} + B{{\rm{D}}^2} + B{C^2} + A{{\rm{D}}^2} = A{B^2} + C{{\rm{D}}^2} + 4I{J^2}$

Đặt $\overrightarrow {DA}  = \overrightarrow a ,\overrightarrow {DB}  = \overrightarrow b ,\overrightarrow {DC}  = \overrightarrow c$

Ta có:

$\eqalign{  & \overrightarrow {IJ}  = \overrightarrow {IA}  + \overrightarrow {AD}  + \overrightarrow {DJ}   \cr  &  =  - {{\overrightarrow {AB} } \over 2} + \overrightarrow {AD}  + {{\overrightarrow {DC} } \over 2}  \cr  &  =  - {1 \over 2}\left( { - \overrightarrow a  + \overrightarrow b } \right) + \left( { - \overrightarrow a } \right) + \left( {{{\overrightarrow c } \over 2}} \right)  \cr  &  = {{ - \overrightarrow a  - \overrightarrow b  + \overrightarrow c } \over 2}  \cr  & {\overrightarrow {AB} ^2} + {\overrightarrow {CD} ^2} + 4{\overrightarrow {IJ} ^2}  \cr  &  = {\left( {\overrightarrow b  - \overrightarrow a } \right)^2} + {\overrightarrow c ^2} + {\left( {\overrightarrow a  + \overrightarrow b  - \overrightarrow c } \right)^2}  \cr  &  = 2{\overrightarrow b ^2} + 2{\overrightarrow a ^2} + 2{\overrightarrow c ^2} - 2\overrightarrow a .\overrightarrow c  - 2\overrightarrow b .\overrightarrow c   \cr  & {\overrightarrow {AC} ^2} + {\overrightarrow {BD} ^2} + {\overrightarrow {BC} ^2} + {\overrightarrow {AD} ^2}  \cr  &  = {\left( {\overrightarrow c  - \overrightarrow a } \right)^2} + {\overrightarrow b ^2} + {\left( {\overrightarrow c  - \overrightarrow b } \right)^2} + {\overrightarrow a ^2}  \cr  &  = 2{\overrightarrow a ^2} + 2{\overrightarrow b ^2} + 2{\overrightarrow c ^2} - 2\overrightarrow a .\overrightarrow c  - 2\overrightarrow b .\overrightarrow c  \cr}$

Vậy, ta có:

$A{C^2} + B{{\rm{D}}^2} + B{C^2} + A{{\rm{D}}^2} = A{B^2} + C{{\rm{D}}^2} + 4I{J^2}$

Tương tự, ta có:

$A{C^2} + B{{\rm{D}}^2} + A{B^2} + C{{\rm{D}}^2}$

$= B{C^2} + A{{\rm{D}}^2} + 4H{K^2}$

$A{B^2} + C{{\rm{D}}^2} + B{C^2} + A{{\rm{D}}^2}$

$= A{C^2} + B{D^2} + 4E{F^2}$

Từ đó suy ra:

$A{B^2} + C{{\rm{D}}^2} + A{C^2} + B{{\rm{D}}^2} + B{C^2} + A{{\rm{D}}^2}$

$= 4\left( {I{J^2} + H{K^2} + E{F^2}} \right)$