第三冊 v0.2 · 網站閱讀版

第1章 點、線、面與角

本章小節
  1. 1.1 名稱與記號包含哪些資訊
  2. 1.2 鄰角與對頂角要先確認直線
  3. 1.3 平行條件不能由外觀補上
  4. 1.4 常見錯誤與本章回顧
  5. 1.5 練習
  6. 1.6 完整解答
  7. 1.7 延伸閱讀方向

一張圖能幫我們看見關係,但「看起來垂直」與「題目已給垂直」不是同一件事。本冊在通常的歐氏平面與空間中討論幾何;先把對象、角度和已知條件分清楚,再開始計算。

讀完本章,你應能區分點、線段、射線與直線,讀出角的頂點,並在有明示條件時運用角度關係。先備是第一冊的加減、分數與單位;若180−65能算出115,就可以開始。

1.1 名稱與記號包含哪些資訊

點表示位置,不把圖上的墨點大小算入長度。線段AB有端點A、B;直線AB向兩端無限延伸;射線AB從A出發,沿B的方向延伸。使用直線AB或射線AB時,A、B須相異,才能指定方向。兩個相異點決定一條直線,不能只給一個點便唯一指定直線。

平面是向各方向延伸的平坦幾何對象,不是紙張的有限外框。圖中的框只是畫圖範圍。A、B、C共線是一項條件;若還要使用AB+BC=AC,必須知道B在線段AC上,也就是位於A與C之間。

∠ABC的頂點是中間的B,兩邊是射線BA、BC。本冊一般的角度題使用0°至180°的非反身角;直角是90°,平角是180°,完整一周是360°。若討論大於180°的優角,會另行明說。

線段有兩個端點,射線有一個端點,直線向兩端延伸;角的頂點由兩條射線的共同起點決定。
圖1|線段有兩個端點,射線有一個端點,直線向兩端延伸;角的頂點由兩條射線的共同起點決定。

1.2 鄰角與對頂角要先確認直線

例題1 共線條件決定補角

A、O、C依此順序共線,射線OB在直線AC的一側,且∠AOB=65°。求∠BOC。

  1. 因O在A、C之間,OA與OC是相反射線,∠AOC是180°。
  2. OB把這個平角分成兩個不重疊的角,因此65°+∠BOC=180°。
  3. 同減65°,得到∠BOC=115°。
  4. 反查65°+115°=180°,且兩角都在0°至180°之間,符合配置。

不是任意兩個靠在一起的角都互補;本題真正使用的是相反射線與不重疊分割。

例題2 相交直線的對頂角

直線AB與CD相交於O,A、O、B及C、O、D各依序共線,∠AOC=48°。求∠BOD與∠AOD。

  1. OC與OD相反,故∠AOC+∠AOD=180°,所以∠AOD=132°。
  2. OA與OB相反,故∠AOD+∠BOD=180°。
  3. 代入132°,得到∠BOD=48°。
  4. 兩組鄰角的和都是180°;因此本配置的對頂角相等,不必依賴圖畫得多對稱。
兩條直線相交後,對頂角共享同一個補角;平行線被截線所截時,對應角關係需要平行條件。
圖2|兩條直線相交後,對頂角共享同一個補角;平行線被截線所截時,對應角關係需要平行條件。

1.3 平行條件不能由外觀補上

例題3 平行線的內角

兩條平行直線被一條截線所截。某個內角為112°,求它的內錯角,以及同側的另一個內角。

  1. 在歐氏平面中,平行線的內錯角相等,所以內錯角是112°。
  2. 同側內角互補,所以112°+另一角=180°。
  3. 另一角為68°;驗算112°+68°=180°。
  4. 若拿掉平行條件,這兩個結論都不能直接沿用。先確認角在兩交點中的位置,也不能把任意一個角都叫作內錯角。

本書使用的平行線角度關係是歐氏幾何的基本性質,不把它延伸到球面或其他幾何模型。

例題4 兩個直角仍要看射線位置

在同一平面內,已知∠AOB=90°、∠BOC=90°,能否斷定O一定在A、C之間?又能否斷定A、O、C共線?

  1. 不能先把90°+90°當成∠AOC,因為題目沒有說兩個角不重疊。
  2. 讓OA與OC同向、OB與它們垂直,兩個已知角都為90°,但∠AOC=0°。
  3. A與C可取同一射線上不同的點;此時A、O、C仍共線,卻不是O在A、C之間的平角配置。
  4. 因為在平面內與OB垂直的射線只有兩個相反方向,這兩個直角其實仍能推出三點共線;不能推出的是「OA、OC必為相反射線」或「O必在A、C之間」。

這個例題要分清結論的強弱:共線不等於依指定順序共線。若再給兩角分居OB兩側,才得到相反射線及平角。

兩個90度角可重疊也可相鄰;兩種配置都共線,但只有相鄰配置把共同頂點夾在兩端之間。
圖3|兩個90度角可重疊也可相鄰;兩種配置都共線,但只有相鄰配置把共同頂點夾在兩端之間。

1.4 常見錯誤與本章回顧

讀圖先列出直線、共線順序、平行及直角等條件,再寫角度關係。對頂角相等來自兩個角有同一補角;平行線關係要有平行前提。角度相加還需要不重疊且恰好覆蓋目標角,不是看到共同頂點就能相加。

1.5 練習

  1. B03-C01-Q01 線段AB、射線AB、直線AB各有幾個端點?射線AB與射線BA是否一定相同?
  2. B03-C01-Q02 A、O、C依序共線,OB分割平角,∠AOB=37°。求∠BOC。
  3. B03-C01-Q03 兩個不重疊的角合成一直角,其中一角28°,另一角多少度?
  4. B03-C01-Q04 兩條相交直線的一角為73°。它的對頂角及鄰接補角各是多少度?
  5. B03-C01-Q05 一周被三個不重疊角完整分割,其中兩角為90°、125°,第三角是多少度?
  6. B03-C01-Q06 平行線被截線所截,一個角為58°,它的同位角是多少度?
  7. B03-C01-Q07 圖上兩線像是垂直,但未給角度、直角符號或其他可證條件。能直接用90°計算嗎?
  8. B03-C01-Q08 兩射線形成的優角為198°,另一個較小的角是多少度?
  9. B03-C01-Q09 ∠AOB=60°、∠BOC=60°,是否必有∠AOC=120°?說明還缺什麼配置條件。
  10. B03-C01-Q10 已知α+β=180°且β+γ=180°,不依賴對稱外觀,說明為什麼α=γ。

1.6 完整解答

Q01

線段有兩個端點,射線有一個,直線沒有端點。A、B相異時,射線AB起點為A、射線BA起點為B,兩者不是同一個點集;例如從A向背離B的方向延伸的點可在射線BA上,卻不在射線AB上。

Q02

相反射線構成180°,所以∠BOC=180°−37°=143°。37°+143°=180°,與平角分割相符。

Q03

兩角和為90°,另一角=90°−28°=62°。回加28°+62°=90°,成立。

Q04

對頂角為73°。鄰接補角=180°−73°=107°,反查73°+107°=180°。

Q05

完整一周為360°,第三角=360°−90°−125°=145°。三角總和90°+125°+145°=360°;這裡的「三個角」不是指三角形的三內角。

Q06

平行條件成立時,同位角相等,所以是58°。若沒有平行,不能只靠位置相似得到同樣的度數。

Q07

不能。圖形外觀不是已知條件;要有垂直的明示標記、文字,或由其他條件推得垂直,才可使用90°。這不是說圖一定不垂直,而是目前證據不夠。

Q08

兩個角合成一周,所以較小角=360°−198°=162°。162°在0°至180°之間,且198°+162°=360°。

Q09

不一定。若OA與OC同向、都與OB夾60°,則兩個已知角重疊,∠AOC=0°。若兩角在OB兩側、不重疊且合成所問的非反身角,才可相加得到120°。

Q10

兩個等式右側相同,得到α+β=β+γ。兩側同減β,便得α=γ;使用的是相等的運算性質,不是圖形的對稱外觀。

1.7 延伸閱讀方向

後面的三角形內角和會把平行線角度關係串成一般推理。現在先練習把「共線」「位於兩點之間」「射線相反」寫成不同的條件。