第5章 面積的分割與拼合
周長量邊界有多長,面積量區域占了多少平面。把一張紙切成數塊再移動,外框可能改變,但只要沒有重疊或遺漏,總面積保持不變。本章用這個加法性推導常見公式。
先備是長方形、三角形及長度單位。讀完應能辨認底與垂直高、用分割核對公式,並以平方單位寫答案。本章區域均採通常的平面面積,不把線段本身當成有正面積的長條。
5.1 單位正方形與長方形
面積以單位正方形為基準,長方形邊長為a、b時面積是ab。整數邊長可逐格計數;有分數邊長時,可先把單位格細分再計數。對一般實數邊長,公式沿用面積對細分逼近的相容性,不宣稱能用有限個像素精確數完。
例題1 分數邊長仍有平方單位
長方形長4.5公分、寬3公分,求面積。
- 可把4.5公分看作9個半公分,3公分看作6個半公分。
- 小正方形每邊0.5公分,面積0.5 × 0.5=0.25平方公分,共9 × 6=54格。
- 總面積=54 × 0.25=13.5平方公分,也等於4.5 × 3。
- 邊長單位各出現一次,公分乘公分才是平方公分;不是13.5公分。
5.2 平行四邊形與三角形的高
平行四邊形是兩組對邊各自平行的四邊形。平行四邊形可以分割、平移拼成同底同高的長方形,總面積不變,所以面積=底 × 垂直高。常見的「沿高剪移一個端部三角形」圖法,須有合適的垂足位置;斜移量超過一個底長時不能直接照搬一次剪移。一般情況先把所選底邊放成水平,每隔一個底長畫垂直分割線,再把各直條中的部分水平移動整數個底長,移入同一個底長寬的長方形。原圖在每個水平高度的截段都恰長一個底長,所以移入後恰好覆蓋長方形,各塊內部不重疊也不遺漏。高是兩平行底邊所在直線的距離,不是斜邊長。
例題2 兩個三角形拼成平行四邊形
三角形底8公分,對應垂直高5公分,求面積。
- 取一個全等副本,旋轉180°後沿適當邊拼合,可得到底8公分、高5公分的平行四邊形。
- 拼成的面積=8 × 5=40平方公分。
- 兩個全等三角形面積相同且內部不重疊,所以每個面積=40 ÷ 2=20平方公分。
- 反查2 × 20=40。鈍角三角形的高足可能在底邊延長線上,公式仍使用到該直線的垂直距離,不改成斜邊長。
例題3 梯形公式來自兩份拼合
梯形兩條平行底邊長4、10公分,兩底所在直線的距離為3公分,求面積。
- 取一個全等梯形副本,轉動後與原形拼成平行四邊形。
- 拼成的底長為4+10=14公分,高仍為3公分。
- 兩份總面積=14 × 3=42平方公分。
- 原梯形面積=42 ÷ 2=21平方公分,也就是(上底+下底) × 高 ÷ 2。
5.3 面積相減與邊界改變是兩回事
例題4 切去一個角落
10公分乘8公分的長方形,在右上角切去4公分乘3公分的長方形。求剩餘面積與周長。
- 原面積=10 × 8=80平方公分,切去面積=4 × 3=12平方公分。
- 切口完全位於原形內,剩餘面積=80−12=68平方公分。
- 原外邊界少掉上方4公分與右側3公分,卻多出凹口內的水平4公分與垂直3公分。
- 少掉與新增的總長相同,所以周長仍為2 × (10+8)=36公分。
- 面積變小不代表周長一定變小;本題也不能把切去小長方形的周長14公分整個加到原周長上。
5.4 常見錯誤與本章回顧
分割時確認各塊內部不重疊、合起來恰為原區域;相減時確認被減區域確實在其中。公式中的高一定垂直於所選底邊。每次計算也分清自己在加面積還是在沿邊界加長度。
5.5 練習
- B03-C05-Q01 長7公分、寬2.5公分的長方形,面積多少?
- B03-C05-Q02 平行四邊形底6公分、垂直高4公分、斜邊5公分,面積多少?
- B03-C05-Q03 三角形底9公分、高6公分,面積多少?
- B03-C05-Q04 梯形平行底邊5、11公分,高4公分,面積多少?
- B03-C05-Q05 正方形邊長1.2公尺,面積多少平方公尺?
- B03-C05-Q06 2平方公尺等於多少平方公分?
- B03-C05-Q07 2×8與4×4的長方形面積相同,周長也相同嗎?
- B03-C05-Q08 鈍角三角形底10公分,頂點到底邊所在直線的垂直距離3公分,高足在邊的延長線上,面積多少?
- B03-C05-Q09 長12、寬9公分的外框內挖去一個8×5公分的矩形孔,求剩餘面積,不求周長。
- B03-C05-Q10 長方形寬5公分、長由8增加為10公分。用分割說明新增面積,再核對總面積。
5.6 完整解答
Q01
面積=7 × 2.5=17.5平方公分。把2.5拆為2+0.5,也得14+3.5=17.5,兩種分割一致。
Q02
面積=底 × 垂直高=6 × 4=24平方公分。斜邊5公分不是高,不能用6 × 5;斜邊與底的夾角不為直角。
Q03
兩個全等三角形合成面積9 × 6=54的平行四邊形,所以原面積=54 ÷ 2=27平方公分。
Q04
兩份梯形拼成底5+11=16公分、高4公分的平行四邊形。原面積=16 × 4 ÷ 2=32平方公分。
Q05
兩邊長同為1.2公尺,面積=1.2²=1.44平方公尺。計算1.2 × 1.2的結果不是2.4;後者是兩條邊的長度和。
Q06
1公尺=100公分,所以1平方公尺=100 × 100=10,000平方公分。2平方公尺=20,000平方公分,面積換算要平方長度倍率。
Q07
第一個周長=2 × (2+8)=20,第二個=2 × (4+4)=16,並不相同。相同的16平方單位面積不能唯一決定邊界長。
Q08
面積=10 × 3 ÷ 2=15平方公分。高是到直線的垂直距離,高足在延長線上不使公式失效;若改用頂點到底邊端點的斜距,才會用錯量。
Q09
外框面積=12 × 9=108,孔面積=8 × 5=40平方公分。孔在外框內,所以剩餘108−40=68平方公分。孔的位置會影響某些邊界描述,但不改本題已知的面積差。
Q10
新增區域是一條長10−8=2公分、寬5公分的矩形,面積2 × 5=10平方公分。原面積8 × 5=40,加上新增10得到50,正好等於10 × 5。這是分配律(8+2) × 5=8 × 5+2 × 5的面積解釋。
5.7 延伸閱讀方向
下一章把面積分割用在一般定理的證明。數一個3、4、5邊長圖的面積可以做驗算,但只有保留任意正邊長與直角條件,才是在證明所有直角三角形的關係。