欧几里得的證明
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欧几里得幾何原本第一卷的命題五
欧几里得的證明包括第二個結論，就是若三角形的二腰延伸超過底邊，則二腰延長線和底邊的夾角也會相等。欧几里得的證明中包括了繪製二腰延長線的輔助線，但當時的數學家普罗克鲁斯指出他沒有用到第二個結論，而且若在三角形內部繪輔助線，會使證明比較簡單。欧几里得的證明用到稱為SAS的三角形全等，是幾何原本中的上一個命題。[4]
其他證明方式
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人教版數學教科書證明
在教科書（例如人教版數學教科書在八年級“軸對稱”一章）上常見的作法是作頂角A的角平分線[5]。此證明方式比歐幾里德的簡單，但在幾何原本中命題9才是作角平分線[6]，因此若幾何原本中在命題5就使用角平分線，會有循環論證的問題。
其證明如下：
令三角形為ABC，其中線段AB = 線段AC。
作角BAC的角平分線，和線BC交與X點。
線段AB = 線段AC，線段AX和自身等長，而且角BAX = 角CAX，因此依照SAS全等，三角形BAX和CAX全等，因此可得角B和角C相等。
勒讓德在《几何原理（英语：Éléments de géométrie）》用了一個類似的方式證明，不過令X是線段BC的中點[7]。其證明方式類似，但是會用到SSS全等，而在歐幾里德的幾何原本未提到SSS全等。
帕普斯在约公元300年用了一个非常简短的方法证明: 等腰三角形ABC中, AB=AC, BC=CB, CA=BA, 则三角形ABC与ACB全等(SSS), 故三角形ABC 两底角相等 Q.E.D. 在约1960年，赫伯特·吉伦特（英语：Herbert Gelernter）编写的程序也得到了相同的证明。[8]