a)
Xét tam giác AIC vuông tại I:
IE là đường cao hạ từ đỉnh I
Áp dụng hệ thức lượng trong tam giác vuông, ta có: IE² = AE.AC (1)
Tương tự, xét tam giác AIB vuông tại I:
IF là đường cao hạ từ đỉnh I
Áp dụng hệ thức lượng trong tam giác vuông, ta có: IF² = AF.AB (2)
Trừ vế theo vế (1) và (2), ta được: IE² - IF² = AE.AC - AF.AB ⇔ (IE + IF)(IE - IF) = AC(AE - AF)
Mà AE = AB - BF, AF = AC - CE: ⇔ (IE + IF)(IE - IF) = AC(AB - BF - AC + CE) ⇔ (IE + IF)(IE - IF) = AC(AB - AC) - AC(BF - CE)
Do I là giao điểm các đường phân giác nên: BF = CE (tính chất đường phân giác)
Suy ra: (IE + IF)(IE - IF) = AC(AB - AC) ⇔ IE - IF = AC(AB - AC) / (IE + IF)
Mặt khác, trong tam giác vuông AIF, ta có: IE + IF = AI (định lý Pythagoras đảo)
Vậy: IE - IF = AC(AB - AC) / AI
Mà AI là đường phân giác của góc BAC nên: AI/AC = AB/BC (tính chất đường phân giác)
Từ đó suy ra: IE - IF = (AB - AC) / BC
Cuối cùng, ta có: IE = (IE - IF + IF) / 2 = (AB - AC + BC) / 2BC = (AB + AC - BC) / 2 (đpcm)
b)
Chứng minh tam giác NKE cân:
MN là đường trung bình của tam giác ABC nên MN // BC.
DE vuông góc với BC nên DE vuông góc với MN.
Trong tam giác MNE, đường cao DE đồng thời là đường trung tuyến (vì K là trung điểm của DE).
Vậy tam giác MNE cân tại N, suy ra NE = NK.
Chứng minh B, I, K thẳng hàng:
Ta có:
BI là phân giác góc B.
IK vuông góc với MN (vì DE vuông góc với MN).
MN // BC.
Từ đó suy ra BI là phân giác của góc KBN.
Mà BK là đường cao của tam giác BKN (vì NK = NE).
Vậy B, I, K thẳng hàng.