第三冊 v0.2 · 網站閱讀版

第4章 相似與比例尺

本章小節
  1. 4.1 所有對應長度用同一倍率
  2. 4.2 比例尺先統一單位
  3. 4.3 面積不是再乘一次長度倍率就結束
  4. 4.4 常見錯誤與本章回顧
  5. 4.5 練習
  6. 4.6 完整解答
  7. 4.7 延伸閱讀方向

照片放大後,長度變了,角度與形狀可以保留。相似描述的是統一比例的縮放,不是每個方向各拉各的。本章以正倍率處理對應長度、周長、面積及地圖比例尺。

先備是第一冊的比例、平方與單位,及第三章的三角形對應。讀完後應能寫出倍率的方向,區分長度倍率k與面積倍率k²;未讀代數者可先跟著具體數值例題。

4.1 所有對應長度用同一倍率

本冊說兩圖形相似,是指一個圖形經統一正倍率縮放,再配合平移、旋轉或鏡射,可以和另一圖形重合。方向可翻轉,倍率取k>0;對應角相等,對應長度都乘k。倍率1就是全等的情況。

非退化三角形可用AA、三邊成比例,或兩邊成比例且夾角相等來判定相似。後兩種判定可先把一個三角形統一縮放到已知邊長,再用前章SSS或SAS判定全等。AA則使用三角形等角定形的相似性質;不把它誤寫成等角定大小。

例題1 倍率要有方向

△ABC三邊依對應順序為4、6、8公分,放大為原來的3/2倍,求新三邊。

  1. 倍率是「新長度 ÷ 原長度」=3/2,為正。
  2. 新邊長依序為4 × 3/2=6、6 × 3/2=9、8 × 3/2=12公分。
  3. 反查6/4=9/6=12/8=3/2,使用的是同一倍率。
  4. 原三邊4+6>8,新三邊6+9>12,也保留非退化。若只把其中一邊放大,不會自動相似。
同一正倍率把對應邊4、6、8變成6、9、12;示意圖著重對應,不從像素讀取長度。
圖10|同一正倍率把對應邊4、6、8變成6、9、12;示意圖著重對應,不從像素讀取長度。

4.2 比例尺先統一單位

例題2 從平面圖換回實際長度

比例尺1:500表示圖上長度與實際長度使用同一單位時的比。圖上一段長3.6公分,實際多長?

  1. 1公分對應500公分,不是500公尺。
  2. 實際長度=3.6 × 500=1800公分。
  3. 1800公分=18公尺。
  4. 反查18公尺=1800公分,圖上3.6 ÷ 實際1800=1/500,方向正確。
1比500的圖上1公分對應實際500公分;標示單位後再轉為5公尺,避免倍率與單位混算。
圖11|1比500的圖上1公分對應實際500公分;標示單位後再轉為5公尺,避免倍率與單位混算。

4.3 面積不是再乘一次長度倍率就結束

矩形的兩邊都乘k,面積便由ab變成(ka)(kb)=k²ab。三角形的底與垂直高也都乘k,所以面積同樣乘k²。對可分割成有限個三角形的多邊形,逐塊相加也得到相同結論;任意曲線區域則還涉及面積的逼近性質。

例題3 由面積比找長度比

兩個相似三角形,大者面積是小者的9倍。大者一邊對應小者4公分,求大者這條邊。

  1. 由小到大的正倍率k滿足k²=9。
  2. 正倍率只取k=3,不取−3。
  3. 對應邊長=4 × 3=12公分。
  4. 若錯把邊長也乘9,面積會變成81倍,與題意不符。
邊長乘3的正方形可排成九個原方塊,對照長度倍率3與面積倍率9。
圖12|邊長乘3的正方形可排成九個原方塊,對照長度倍率3與面積倍率9。

例題4 三角形中點連線

在非退化△ABC中,D為AB中點、E為AC中點。證明DE=BC/2且DE平行BC。

  1. 中點給出AD/AB=AE/AC=1/2,且D、E分別在從A出發的兩條邊上。
  2. ∠DAE與∠BAC是同一個角,兩邊成比例且夾角相同,所以△ADE與△ABC相似。
  3. 對應D對B、E對C,得到DE/BC=1/2,所以DE=BC/2。
  4. 相似另給∠ADE=∠ABC;因AD與AB共線,這是一對同位角相等,由平行線的逆判定得DE平行BC。

這裡不是先看圖判定平行再證明相似;中點與共同夾角先提供相似條件,平行是後得的結論。

4.4 常見錯誤與本章回顧

比例式先固定新舊方向,再一一核對對應邊。相同面積不保證相似;相似也不保證全等。長度、周長、面積的倍率依序為k、k、k²;立體體積的k³留待第9章處理。

4.5 練習

  1. B03-C04-Q01 三邊3、4、5公分的三角形放大2倍,新三邊為何?
  2. B03-C04-Q02 相似圖形的一組對應邊由6變9公分,原來8公分的對應邊變多長?
  3. B03-C04-Q03 比例尺1:200,圖上5公分代表實際幾公尺?
  4. B03-C04-Q04 實際30公尺畫成3公分,比例尺為何?
  5. B03-C04-Q05 統一放大3倍,周長與多邊形面積各變成幾倍?
  6. B03-C04-Q06 兩相似多邊形面積比為16:25,依同一方向的對應邊比是多少?
  7. B03-C04-Q07 2×8與4×4的兩個長方形面積都16,是否必相似?
  8. B03-C04-Q08 三邊3、4、5與6、8、11的兩三角形是否相似?
  9. B03-C04-Q09 三角形一邊14公分,另兩邊中點的連線長多少?
  10. B03-C04-Q10 比例尺1:1000的平面圖中,一塊區域面積0.002平方公尺,實際面積是多少平方公尺?假定圖形為統一比例的精確模型。

4.6 完整解答

Q01

每條對應邊同乘2,得到6、8、10公分。三個比6/3、8/4、10/5都等於2,不可只改其中兩邊。

Q02

新比舊的倍率為9/6=3/2,另一邊=8 × 3/2=12公分。反向12 ÷ (3/2)=8,對回原長度。

Q03

實際長度=5 × 200=1000公分=10公尺。比例尺中的兩個數必須先用相同單位比較。

Q04

30公尺=3000公分,圖上比實際=3:3000=1:1000。若先拿3除30而忽略單位,就會少掉100倍。

Q05

每條邊乘3,周長加總也乘3。底與高都乘3,面積乘3²=9。面積的單位是平方長度,因此不能只乘3。

Q06

正長度比的平方是16/25,取正平方根得到4/5,所以對應邊比4:5。不取−4:5,因為本書倍率是正數。

Q07

不相似。第一個長方形長邊比短邊為8/2=4,第二個為4/4=1,形狀比例不同。面積相同只是一個數值條件,不能取代全部對應長度的比例。

Q08

不相似。按長短排序後,6/3=2、8/4=2,但11/5≠2,沒有同一倍率。兩組邊長本身均能構成三角形;失敗的是相似條件,而不是圖形不存在。

Q09

中點連線的倍率是1/2,所以長14 × 1/2=7公分。理由是兩邊中點與共同夾角建立的小三角形與原三角形相似。

Q10

由圖到實際,長度倍率1000,面積倍率1000²=1,000,000。實際面積=0.002 × 1,000,000=2000平方公尺。已經以平方公尺表示,不再重複換一次公分單位。

4.7 延伸閱讀方向

相似能把難量的距離轉為可量的對應長度,但實際測量仍帶誤差。下一章先把面積公式的分割理由補齊,再利用倍率檢查公式是否合理。