第3章 三角形與全等
三條線段不一定圍成三角形,兩張相像的圖也不一定能完全重合。本章用邊、角及頂點對應來判斷同一形狀與同一大小,並把已知條件寫進推理。
先備是三角形嚴格不等式、平行線角度及180°的平角。讀完後應能求基本內角,按對應順序使用全等判定,並說明為什麼只有角相同還不夠。
3.1 三內角和的平行線理由
本書的三角形由三個不共線的點及三條邊組成,三邊均為正長度;不把三點共線的退化配置算進來。
過三角形頂點A畫一條與BC平行的直線。由內錯角關係,B、C兩個內角可分別對到A處平角兩端的角;它們和原來的∠A恰分割同一平角。因此∠A+∠B+∠C=180°。理由適用於所有這樣的三角形,不只某個量到接近180°的圖。
例題1 求第三個內角
三角形兩內角為55°、65°,求第三角。
- 非退化歐氏三角形的三內角和是180°,所以第三角+55°+65°=180°。
- 先算55°+65°=120°,第三角=180°−120°=60°。
- 60°為正且小於180°;三角相加55°+65°+60°=180°,符合條件。
3.2 全等一定包含對應次序
兩圖形可經平移、旋轉及必要的鏡射完全重合時,稱為全等。寫△ABC≅△DEF,就指定A對D、B對E、C對F;因此AB對DE、BC對EF、CA對FD,相應角也相等。
在非退化三角形中,SSS是三組對應邊相等,SAS是兩組邊及它們的夾角相等,ASA是兩角及夾邊相等。AAS可先用內角和求出第三角,再化成ASA。這些是全等的充分判定;邊與角必須依同一組頂點對應,不能各選方便的一組。
例題2 三邊判定與頂點對應
AB=3、BC=4、CA=5公分,DE=3、EF=4、FD=5公分。按這些對應判斷兩三角形。
- 3+4>5,兩組正邊長都能構成非退化三角形。
- AB=DE、BC=EF、CA=FD,三組對應邊全部相等。
- 由SSS,△ABC≅△DEF;因此∠B=∠E,並非隨意挑一個字母相等。
- 把第二組轉動或翻面不影響判定,因為全等容許這些保長度的移動。
例題3 夾角是哪一個角
AB=PQ=6公分,AC=PR=4公分,∠BAC=∠QPR=50°。能否判定全等?
- AB與AC的共同端點是A,兩邊的夾角是∠BAC。
- PQ與PR的共同端點是P,夾角是∠QPR;兩個給定角正好對應。
- 由SAS,△ABC≅△PQR,因此BC=QR,∠B=∠Q、∠C=∠R。
- 若把50°改給∠ABC與∠PQR,就不再是這兩條已知邊的夾角,不能直接套SAS。兩邊加非夾角不是一般的全等判定。
3.3 相同角度不能決定大小
例題4 AAA為什麼不能保證全等
一個正三角形邊長1公分,另一個邊長2公分。兩者的三個角都為60°,是否全等?
- 正三角形三邊相等,以SSS交換任意兩個頂點可得對應角相等,所以三角相等。
- 三內角和180°,每個角便是180° ÷ 3=60°;兩個大小的正三角形都如此。
- 若兩者全等,對應邊必相等;但1公分≠2公分,所以不全等。
- 這個反例同時保留所有AAA條件,卻使全等結論失敗,足以否定「AAA保證全等」。下一章會用相似描述這種同形不同大小。
3.4 常見錯誤與本章回顧
先確認三角形非退化,再列對應邊角。SSS、SAS、ASA與AAS各需要完整的一組條件;「都像等腰」「有兩條邊一樣」或「角度都相同」都不能代替全等判定。證明某對應角相等後,才能把它用在後面的角度計算。
3.5 練習
- B03-C03-Q01 5、7、13公分能成為三角形的三邊嗎?
- B03-C03-Q02 三角形兩角為48°、72°,第三角多少度?
- B03-C03-Q03 正三角形每個內角是多少度?說明不只靠圖的理由。
- B03-C03-Q04 等腰三角形的兩腰相等,頂角40°,兩底角各是多少度?
- B03-C03-Q05 AB=DE、BC=EF、CA=FD且兩三角形非退化。可寫哪一組全等?C對應哪個頂點?
- B03-C03-Q06 兩三角形兩邊各為5、7公分,這兩邊的夾角都60°,足以判定全等嗎?
- B03-C03-Q07 兩角各為50°、70°,這兩角間的邊都4公分。另一個角多少度,能否判定全等?
- B03-C03-Q08 用邊長3與6公分的正三角形,反駁AAA保證全等。
- B03-C03-Q09 AB=AC,說明△ABC與△ACB的SSS對應如何推出兩底角相等。
- B03-C03-Q10 兩邊長7、4公分,第三邊長x公分,非退化三角形要求x在哪個範圍?
3.6 完整解答
Q01
不能。5+7=12<13,違反最長邊小於其餘兩邊和的必要條件。三邊都是正數仍不夠。
Q02
第三角=180°−48°−72°=60°。三角總和48°+72°+60°=180°,且都為正角。
Q03
三邊相等,交換頂點後可由SSS得到三角相等。三內角和為180°,所以每角60°;不是由畫得像60°決定。
Q04
兩腰相等,SSS交換兩個底點可知兩底角相等。扣去頂角後剩180°−40°=140°,每個底角=140° ÷ 2=70°。反查40°+70°+70°=180°。
Q05
由SSS可寫△ABC≅△DEF,依序A對D、B對E、C對F。若重排頂點,兩側必須同步重排,不能改成錯誤的邊角對應。
Q06
足夠。兩組對應邊相等,且60°是這兩邊的夾角,正是SAS。不能把同樣的結論擴展成任意一個非夾角也足夠。
Q07
第三角=180°−50°−70°=60°。原來兩角及其夾邊相等,已符合ASA,所以全等;求第三角是核對,不是補一條缺失的邊長。
Q08
兩個正三角形的三角都60°,AAA條件完全符合。若全等,對應邊應相等,但3≠6,所以不全等。它們只是在下一章意義下相似。
Q09
比較△ABC與△ACB:AB對AC、AC對AB,兩者由已知相等;BC對CB是同一條邊。SSS給出B對C,所以∠ABC=∠ACB。這個理由不需要先假設高線、角平分線或圖形對稱。
Q10
7<4+x給出x>3;x<7+4給出x<11。另有4<7+x,在x>3時自動成立。因此3公分<x<11公分。端點3或11只會退化,均不包含。
3.7 延伸閱讀方向
可用紙片或透明描圖疊合來理解全等,但疊圖精度不是定理證明。把每次用到的對應保留下來,下一章才不會在比例式中把不同位置的邊湊在一起。