Vì ABCDE là ngũ giác đều nên:
\[ AB = BC = CD = DE = EA, \quad \widehat{A} = \widehat{B} = \widehat{C} = \widehat{D} = \widehat{E} \]
Vì M, N, P, Q, K lần lượt là trung điểm của AB, BC, CD, DE, EA nên:
\[ AM = MB = NB = NC = CP = PD = DQ = QE = EK = KA \]
Xét các tam giác tại các đỉnh của ngũ giác: trong \(\Delta AMK\) và \(\Delta BMN\):
- \(AM = BM\) (cùng bằng nửa AB)
- \(AK = BN\) (cùng bằng nửa cạnh của ngũ giác đều)
- \(\widehat{A} = \widehat{B}\)
Suy ra \(\Delta AMK = \Delta BMN\) (c.g.c).
Chứng minh tương tự: \(\Delta BMN = \Delta CPN = \Delta DPQ = \Delta EKQ\) (c.g.c).
Do đó:
\[ KM = MN = NP = PQ = QK \quad (1) \]
và \(\widehat{KMA} = \widehat{BMN}\).
Vì K, M, N nằm lần lượt trên đường thẳng qua M (M nằm trên cạnh AB), ba góc kề nhau tại M thoả mãn:
\[ \widehat{KMA} + \widehat{KMN} + \widehat{BMN} = 180^\circ \]
Mà \(\widehat{KMA} = \widehat{BMN}\) nên:
\[ \widehat{KMN} = 180^\circ - 2\widehat{KMA} \]
Tương tự tại N: \(\widehat{BNM} + \widehat{MNP} + \widehat{PNC} = 180^\circ\), mà \(\widehat{BNM} = \widehat{PNC} = \widehat{KMA}\) nên:
\[ \widehat{MNP} = 180^\circ - 2\widehat{KMA} \]
Chứng minh tương tự với các đỉnh P, Q, K:
\[ \widehat{NPQ} = \widehat{PQK} = \widehat{QKM} = 180^\circ - 2\widehat{KMA} \]
Do đó:
\[ \widehat{KMN} = \widehat{MNP} = \widehat{NPQ} = \widehat{PQK} = \widehat{QKM} \quad (2) \]
Từ (1) và (2), MNPQK có năm cạnh bằng nhau và năm góc bằng nhau, suy ra MNPQK là ngũ giác đều.