Để chứng minh \(\mathrm{BD}^2 + \mathrm{CE}^2 + \mathrm{AF}^2 = \mathrm{DC}^2 + \mathrm{EA}^2 + \mathrm{FB}^2\), ta sẽ sử dụng định lí Pythagoras và các tính chất hình học của tam giác.
Trước tiên, ta nhận thấy rằng tam giác vuông \(DMB\) và \(DMC\) có cạnh \(DM\) chung. Vì vậy, ta có:
\(\mathrm{BD}^2 + \mathrm{DM}^2 = \mathrm{BM}^2\)
\(\mathrm{DC}^2 + \mathrm{DM}^2 = \mathrm{CM}^2\)
Suy ra:
\(\mathrm{BM}^2 - \mathrm{CM}^2 = \mathrm{BD}^2 - \mathrm{DC}^2\)
Tương tự, áp dụng định lí Pythagoras cho các tam giác vuông \(AME\) và \(AMF\), ta cũng có:
\(\mathrm{CE}^2 - \mathrm{EA}^2 = \mathrm{AM}^2 - \mathrm{CM}^2\)
\(\mathrm{AF}^2 - \mathrm{FB}^2 = \mathrm{AM}^2 - \mathrm{BM}^2\)
Tiếp theo, ta sẽ chứng minh rằng \(\mathrm{AM}^2 = \mathrm{BM}^2 + \mathrm{CM}^2\).
Gọi \(H\) là hình chiếu vuông góc của \(M\) lên \(BC\). Ta có các tam giác vuông \(BMH\) và \(CMH\).
Khi đó, ta có:
\(\mathrm{BM}^2 = \mathrm{MH}^2 + \mathrm{BH}^2\)
\(\mathrm{CM}^2 = \mathrm{MH}^2 + \mathrm{CH}^2\)
Tổng 2 phương trình trên ta được:
\(\mathrm{BM}^2 + \mathrm{CM}^2 = 2\mathrm{MH}^2 + \mathrm{BH}^2 + \mathrm{CH}^2\)
Vì \(BH = CH\), nên \(\mathrm{BM}^2 + \mathrm{CM}^2 = 2\mathrm{MH}^2 + 2\mathrm{BH}^2\)
\(\Rightarrow \mathrm{BM}^2 + \mathrm{CM}^2 = 2(\mathrm{MH}^2 + \mathrm{BH}^2)\)
\(\Rightarrow \mathrm{BM}^2 + \mathrm{CM}^2 = 2\mathrm{MH}^2 + 2\mathrm{CH}^2\)
Vì \(M\) là hình chiếu của \(D\) lên \(BC\), ta có \(HD^2 = \mathrm{CH}^2 + \mathrm{MH}^2\). Từ đó suy ra:
\(\mathrm{CH}^2 = HD^2 - \mathrm{MH}^2\)
Tương tự, từ việc \(M\) là hình chiếu của \(E\) lên \(CA\), ta có: \(\mathrm{AH}^2 = \mathrm{CH}^2 + \mathrm{MH}^2\)
Điều này dẫn đến: \(\mathrm{CH}^2 = \mathrm{AH}^2 - \mathrm{MH}^2\)
Thay vào biểu thức trên, ta được:
\(\mathrm{BM}^2 + \mathrm{CM}^2 = 2(HD^2 - \mathrm{MH}^2) + 2(\mathrm{AH}^2 - \mathrm{MH}^2)\)
\(\Rightarrow \mathrm{BM}^2 + \mathrm{CM}^2 = 2(HD^2 + \mathrm{AH}^2) - 4\mathrm{MH}^2\)
Như vậy:
\(\mathrm{BM}^2 - \mathrm{CM}^2 = 2(HD^2 + \mathrm{AH}^2) - 4\mathrm{MH}^2\)
\(\mathrm{CE}^2 - \mathrm{EA}^2 = 2(HD^2