Секущая в треугольнике это

Свойство секущих

Теорема

Для каждой из секущих, проведённых из одной точки, произведение длины секущей на длину её внешней части есть величина постоянная.

Дано : окружность (O; R), AB и AC — секущие,

AB∩окр. (O; R)=F, AC∩окр. (O; R)=K

Рассмотрим треугольники ABK и ACF.

∠ABK=∠ACF (как вписанные углы, опирающиеся на одну дугу FK).

Следовательно, треугольники ABK и ACF подобны (по двум углам).

Из подобия треугольников следует пропорциональность соответствующих сторон:

По основному свойству пропорции:

Что и требовалось доказать.

II способ

1) Проведём отрезки FK и BC.

2) Так как четырёхугольник BFKC — вписанный в окружность, то сумма его противолежащих углов равна 180º:

∠BCK+∠BFK=180º. Следовательно, ∠BFK=180º-∠BCK.

3) ∠AFK+∠BFK=180º (как смежные). Отсюда,

4) Рассмотрим треугольники ABC и AKF.

У них ∠ACB=∠AFK (так как ∠AFK=∠BCK по доказанному), ∠A — общий угол. Следовательно, треугольники ABC и AKF — подобны (по двум углам).

Что и требовалось доказать .

При решении задач будем использовать свойство секущих, а также запомним полученные в ходе доказательства теоремы факты о подобии треугольников, образованных секущими. Причем подобие треугольников ABC и AKF можно доказывать как приведённым выше способом, так и опираясь на свойство секущих.

Тема: «Применение конструкций треугольник-окружность в решении задач геометрии»

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

Коммуникативный педагогический тренинг: способы взаимодействия с разными категориями учащихся

Сертификат и скидка на обучение каждому участнику

Департамент образования города Москвы

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ОТКРЫТОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Факультет повышения квалификации

слушателя факультета повышения квалификации

педагогических кадров отделения «Математика»

Ивакина Нелля Павловна

Тема: «Применение конструкций треугольник-окружность в решении задач геометрии»

Заведующий кафедрой математики

к.ф.-м.н. Ященко Иван Валериевич

«04» апреля 2014г.

г. Москва – 2014г.

Вспомогательные конструкции и их свойства…………………………… 5

Треугольник и секущая, теорема Менелая ……………………………5

Треугольник и точка, теорема Чевы …………………………………. 7

Вписанный угол. Теорема синусов …………………………….………9

Окружность и касательная, окружность и секущая. Теоремы о свойствах секущих …………………………………………….….……11

Основные конструкции……………………………………………….….…14

2.1 Треугольник и описанная окружность………………………….….….14

2.2 Частные случаи: прямоугольный, равнобедренный и равносторонний треугольник ………………………………………………………….……. 15

Треугольник и вписанная (вневписанная) окружность……….………17

Задачи для самостоятельного решения. ………………………….………21

Список использованной литературы …………………………………………23

Введение

При решении многих задач планиметрии возникают различные конфигурации, в которых участвуют треугольник и окружность. Знание наиболее распространенных комбинаций и их свойств позволяет получать короткие и красивые решения сложных на первый взгляд задач. К таким конструкциям в первую очередь относятся «треугольник и описанная окружность», «треугольник и вписанная окружность», которые довольно подробно изучаются в школьном курсе, в меньшей степени изучаются конструкции «треугольник и вневписанная окружность», «треугольник и окружность, проходящая через две его вершины», «треугольник и окружность, касающаяся двух его сторон» и другие.

Взгляд на планиметрию через призму конструкций дает учащимся возможность по-новому посмотреть на хорошо знакомый материал и связать его с новыми знаниями, укрепив их через практическое применение к решению задач.

Предлагаемые темы рассчитаны на школьников 10-11 классов, при подготовке к сдаче ЕГЭ (выполнения заданий С4).

Цель данных занятий:

познакомить старшеклассников с различными конструкциями, в которых участвуют треугольник и окружность и свойствами этих конструкций,

научить находить эти конструкции в ходе исследования условий задачи и применять нужные свойства для получения решения.

Требования к уровню усвоения содержания предмета

Старшеклассники должны знать:

основные конструкции, описанные выше и связанные с ними факты и теоремы,

ряд вспомогательных конструкций: «треугольник и секущая», «окружность и касательная», «треугольник и точка», «окружность и секущая» и их свойства.

Старшеклассники должны уметь:

определять, какие конструкции возникают в геометрических задачах,

применять подходящие свойства этих конструкций для поиска решения.

1. Вспомогательные конструкции и их свойства

В этой части мы рассмотрим некоторые важные конфигурации, в которых участвуют треугольник, окружность, прямая или угол.

1.1 Треугольник и секущая, теорема Менелая

Секущей будем называть прямую, которая пересекает некоторую геометрическую фигуру: треугольник, окружность, угол и т.п. Иногда удобно брать не только точки пересечения фигуры и секущей, но и некоторые дополнительные точки: например, точку пересечения прямой, на которой лежит сторона треугольника и секущей.

Рассмотрим секущую треугольника. К ней относится одна замечательная теорема: теорема Менелая, которая связывает отношения длин отрезков, на которые секущая делит стороны треугольника.

Теорема Менелая. Пусть пересечен прямой, не параллельной стороне А C и пересекающей две его стороны А B и ВС соответственно в точках C ₁ и А₁, а прямую А C в точке B ₁ тогда

(1)

Справедлива также обратная теорема Менелая.

Теорема, обратная теореме Менелая. В треугольнике АВС точки А₁, В₁, С₁ принадлежат прямым ВС, АС, АВ соответственно, тогда если

,

Упражнение 1. Докажите теорему Менелая. (Указание: опустите на секущую перпендикуляры из вершин треугольника и рассмотрите пары получившихся подобных прямоугольных треугольников. Заменив в (1) отношения гипотенуз на отношения соответствующих катетов и выполнив сокращения, получите нужный результат.)

Упражнение 2. Докажите теорему, обратную теореме Менелая. (Указание: воспользуйтесь методом «от противного». Предположите, что, например, точка A ₁ не лежит на секущей. Тогда секущая пересечет сторону BC в некоторой точке A ₂, для которой выполнена прямая теорема Менелая. Далее самостоятельно получите противоречие.)

Решение

Построим треугольник DEF , где D , E , F – середины сторон, AB , AC и BC соответственно.

(по теореме Менелая)

Значит, по обратному утверждению теоремы Менелая точки K , L и M лежат на одной прямой, что и требовалось доказать.

1.2 Треугольник и точка, теорема Чевы

Второй интересной конструкцией, которую мы рассмотрим, является треугольник, у которого три отрезка, проведенных из вершин на противоположные стороны или их продолжения, пересекаются в одной точке.

Свойства этой конструкции описывает теорема Чевы.

Т
еорема Чевы. В произвольном треугольнике АВС на сторонах ВС, СА, АВ или их продолжениях взяты соответственно точки А₁, В₁, С₁. Если прямые АА₁, ВВ₁, СС₁ пересекаются в некоторой внутренней точке Z треуголь­ника АВС то выполнено условие

. (2)

Так же, как и в случае теоремы Менелая, для теоремы Чевы справедливо обратное утверждение.

Теорема, обратная теореме Чевы. Если в произвольном треугольнике АВС на сторонах ВС, СА, АВ или их продолжениях взяты соответственно точки А₁, В₁, С₁, для которых выполнено условие

,

то прямые АА₁, ВВ₁, СС₁ пересекаются в одной точке.

Упражнение 4. Докажите теорему Чевы. (Указание: попробуйте записать условие теоремы Менелая для треугольников ABB ₁ и B ₁ BC и секущих CC ₁ и AA ₁, а затем исключите из этих равенств «лишние» отрезки.)

Упражнение 5. Докажите теорему, обратную теореме Чевы. (Указание: вновь используйте метод доказательства «от противного».)

Упражнение 6. Решите задачу. На медиане СМ треугольника АВС дана точка Р, через которую проведены прямые АР и ВР, пересекающие стороны ВС и АС треугольника в точках А₁ и В₁ соответственно. Докажите, что если АА₁ равно ВВ₁, то данный треугольник равнобедренный.

Решение.

По теореме Чевы

Если АА₁ = ВВ₁, то эта трапеция равнобокая, то есть АВ₁ = А₁В.

Тогда по теореме Чевы В₁С = А₁С,

а значит АС = АВ₁ + В₁С = А₁С + А₁В = ВС, то есть ∆АВС равнобедренный.

1.3 Вписанный угол. Теорема синусов

Свойства угла, вписанного в окружность, подробно изучаются в школьном курсе геометрии. Тем не менее, эта конструкция достойна отдельного упоминания, так как из нее можно получить очень полезное доказательство теоремы синусов.

Теорема о вписанном угле. Величина угла, вписанного в окружность, равна половине величины центрального угла, опирающегося на ту же дугу.

Теорема синусов. В произвольном треугольнике отношения длин сторон треугольника к синусам противолежащих углов есть постоянная величина, равная диаметру описанной вокруг этого треугольника окружности.

Упражнение 7. Докажите теорему синусов. (Указание: воспользуйтесь рисунком и выразите длину хорды (стороны треугольника) через радиус окружности и величину центрального угла.)

Упражнение 8. Решите задачу. В треугольнике АВС , АВ =4, ВС =3, точки А ₁ , В ₁ , С ₁ – основания высот треугольника АВС. Найдите радиус окружности, описанной вокруг треугольника А В ₁ С _1.

Решение.

Для сокращенной записи введем обозначение ∟АВС = β. Получаем ∟А В₁С_{1 =} β и ∟С В₁А₁ = β. Следовательно, ∟А₁В₁С₁ = 2 β. По теореме синусов, радиус описанной окружности ∆ А₁В₁С₁ равен

.

По условию, , чтобы найти R, остается вычислить А ₁ В ₁ С ₁ . Найдем АС по теореме косинусов:

АС 2 =АВ 2 +ВС 2 -2АВ ·ВС· , АС 2 =4 2 +3 2 -2·4·3· = 17, АС = . Значит А ₁ С ₁ = и окончательно получаем:

Ответ:

1.4 Окружность и касательная, окружность и секущая. Теоремы о свойствах секущих

Вспомогательная конструкция «окружность – секущая» часто встречается в разных задачах. Более того, она связана с важным понятием «степень точки относительно окружности».

Мы рассмотрим только несколько конструкций, которые для удобства собраны на одном чертеже.

Перечислим некоторые их свойства.

Свойство 1. Длины отрезков касательных, проведенных к одной окружности из одной точки M равны ( MT 2 = MO 2 — R 2 ).

Свойство 2. Произведения отрезков двух секущих к одной окружности равны ( MA MB = MC MD ).

Свойство 3. Произведение отрезков внешней секущей равно квадрату отрезка касательной, проведенной из той же точки ( MA MB = MT 2 = MO 2 — R 2 ).

Далее рассмотрим случай, когда точка расположена внутри окружности.

Свойство 4. (аналог свойства 2) Произведения отрезков двух секущих к одной окружности равны ( MA MB = MC MD ).

С
войство 5. (аналог свойства 3) Произведение отрезков внутренней секущей равно разности квадратов радиуса и расстояния от точки до центра окружности ( MA MB = R 2 — MO 2 ).

Упражнения 9-13. Докажите свойства 1-5.

Упражнение 14. Решите задачу. В окружности радиуса 17 проведена хорда АВ длины 30. Точка С лежит на хорде АВ так, что АС:ВС = 1:3. Найдите радиус окружности, касающейся данной окружности и касающейся хорды АВ в точке С.

Решение. 1). Пусть О –центр данной окружности радиуса 17, а r – искомый радиус окружности, касающийся данной окружности и касающийся ее хорды АВ в точке С. Возможны лишь два случая расположения этой окружности:

а) окружность и точка О лежат по одну сторону от хорды АВ.

б) окружность и точка О лежат по разные стороны от хорды АВ.

2) Пусть точке Р – центр окружности, радиус которой мы ищем, а точка К – точка касания этой окружности с данной. Точка РК = СР = r , СР _┴ АВ.

Т

ак как точка касания двух окружностей принадлежит прямой, соединяющей их центры, то точки О, Р, К лежат на одной прямой. Поэтому ОК = ОР + РК, ОР = ОК – РК = 17 – r .

Из треугольника СРО по теореме косинусов имеем:

ОР 2 =СР 2 +СО 2 -2СР·СО· cos ∟ОСР

289 – 34r = CO 2 — 2r· СО ·cos∟ ОСР

r

= (289 – СО 2 ) : (34 — 2·СО· cos ∟ОСР) (*)
Пусть М – середина хорды АВ, тогда ОМ _┴ АВ, и из ∆СОМ и ∆ВОМ имеем: СО 2 = СМ 2 + ОМ 2 ,

ОМ 2 = ВО 2 — ВМ 2 = 17 2 -15 2 = 64 ⇒ СО 2 = СМ 2 + 64.

Так как АС = 1/3ВС , то АС = 1/4 АВ = 15/2, СМ = АМ – АС = 15 – 15/2 = 15/2.

Итак СО 2 = (15/2) 2 + 64 = 481/4.

Поскольку ∟ОСР = 90 о — ∟ОСМ, то СО· cos ∟ОСР = СО· sin ∟ОСМ = ОМ = 8

Итак, r = (289 – 481/4) : (34 — 2·8) = 75/8

∟ ОСР = 90 о + ∟ОСМ, поэтому получаем

r = (289 – СО 2 ) : (34 + 2·СО· cos ∟ОСР) =

Ответ: 27/8 или 75/8

2. Основные конструкции

В этой части мы рассмотрим основные конструкции, которые образуют треугольник и окружность.

2.1 Треугольник и описанная окружность

Центр описанной окружности лежит на пересечении серединных перпендикуляров к сторонам треугольника.

У остроугольного треугольника эта точка находится внутри, у прямоугольного – на середине гипотенузы, а у тупоугольного – вне треугольника.

Упражнение 15. Докажите, что если два треугольника имеют общую сторону, то прямая, проходящая через центры описанных окружностей этих треугольников делит такую сторону пополам (проходит через середину стороны).

Из теоремы о вписанном угле следует, что из центра описанной окружности каждая сторона видна под углом, в два раза большем, чем противолежащий угол треугольника. Используйте это свойство для решения следующего упражнения.

Упражнение 16. Выразить стороны треугольника через его углы и радиус описанной окружности.

Упражнение 17. Докажите для произвольного треугольника следующую формулу: , здесь a , b и c – стороны, R – радиус описанной окружности, S – площадь треугольника. (Указание: используйте выражение для стороны c из предыдущего упражнения и формулу для площади треугольника .)

2.2 Частные случаи: прямоугольный, равнобедренный и равносторонний треугольник

Как уже отмечалось выше, у прямоугольного треугольника центр описанной окружности лежит на середине гипотенузы. Отсюда следует, что радиус описанной вокруг прямоугольного треугольника окружности равен половине его гипотенузы.

Справедлива также следующая теорема.

Теорема. Если радиус описанной окружности некоторого треугольника равен половине длины одной из его сторон, то этот треугольник – прямоугольный.

Упражнение 18. Докажите теорему. (Указание: покажите, что центр описанной окружности лежит на середине стороны треугольника, и найдите синус противоположного угла с помощью теоремы синусов.)

Рассмотрим теперь равнобедренный треугольник. Так как высота, проведенная к основанию такого треугольника, одновременно является серединным перпендикуляром и биссектрисой, то центр описанной окружности лежит на высоте (или ее продолжении).

Упражнение 19. Выразите отношение радиуса описанной окружности равнобедренного треугольника к его высоте через угол при вершине этого треугольника.

Рассмотрим, наконец, равносторонний или правильный треугольник. В этом треугольнике высоты являются медианами, биссектрисами и серединными перпендикулярами. Поэтому центр описанной окружности совпадает с точкой пересечения медиан.

Так как точка пересечения медиан делит каждую из них в отношении 2 к 1 считая от вершины, то радиус описанной окружности равен двум третьим от высоты. Таким образом, , где a – сторона треугольника.

Упражнение 20. Выразите высоту, сторону и площадь равностороннего треугольника через радиус описанной окружности.

2.3 Треугольник и вписанная (вневписанная) окружность

Центр вписанной окружности лежит на пересечении биссектрис внутренних углов треугольника. Радиус этой окружности и точки касания можно определить, опустив перпендикуляр из центра на сторону. Довольно распространенной является такая ошибка: за точку касания окружности и стороны принимают точку пересечения стороны и биссектрисы.

Рассмотрим некоторые свойства вписанного треугольника.

П
усть x , y , z – отрезки, на которые точки касания вписанной окружности делят стороны треугольника. Эти отрезки можно выразить через стороны треугольника, решив следующую систему уравнений:

Упражнение 21. Докажите, что отрезки, соединяющие вершины треугольника с точками касания вписанной окружности, лежащими на противоположных сторонах, пересекаются в одной точке.

Упражнение 22. Решите задачу. В треугольнике АВС: АВ = 12, АС = 9,

ВС = 6. На прямой ВС взята точка D так, что В D : D С = 1 :7. В треугольнике А D С и А D В вписаны окружности, касающиеся прямой А D в точках Е и F . Найдите длину отрезка EF .

Решение. Так как BD CD , то возможны только два случая расположения точки D на прямой BC .

а) Точка D лежит на отрезке ВС.

б) Точка D лежит на продолжении стороны ВС за точку В.

Из соотношения ВD : DС = 1 :7 имеем:

В случае а) BD = 1/8 BC = 3/4, CD = 7 BD = 21/4.

В случае б) BD = 1/7 DC , BC = 6/7 DC ⇒ BD = 1/6 BC = 1, CD = 7 BD = 7.

Получаем DF = (AD+BD-AB)/2, DE = (AD+CD-AC)/2.

Таким образом, EF = DE — DF , EF = ( CD – AC – BD + AB )/2.

В случае а) EF = (21/4 – 9 — 3/4 + 12)/2 = 1/2·15/2 = 15/4

В случае б) EF = (7 – 9 – 1 + 12)/2 = 9/2

Ответ: 3,75 или 4,5.

Если вписанные окружности всем хорошо знакомы, то вневписанными встречаются реже. Поясним, чем они отличаются от вписанных.

Итак, центр вневписанной окружности лежит вне треугольника. Это точка пересечения биссектрис одного внутреннего и двух внешних углов треугольника.

Вневписанная окружность касается одной стороны и продолжений двух других сторон треугольника. Для треугольника существует три вневписанных окружности. (На рисунке изображены вписанная и вневписанная окружности. Хорошо видно, что точки касания этих окружностей со стороной треугольника не совпадают.)

Упражнение 23. Выразите длины отрезков касательных, проведенных из вершин треугольника к вневписанной окружности, через длины сторон этого треугольника. (Указание: используйте метод, который был применен к вписанной окружности.)

Найдем выражения для радиусов вписанной и вневписанных окружностей. Начнем со случая вписанной окружности. « Разрежем» треугольник на три треугольника так, как показано на рисунке. Каждый из них имеет высоту, равную радиусу вписанной окружности. Сумма площадей трех треугольников равна площади большого:

.

Отсюда легко получить формулу для вычисления радиуса вписанной окружности:

.

Радиусы вневписанных окружностей можно получить аналогично. Представим площадь треугольника ABC так:

.

Далее применим те же рассуждения, что и ранее. В результате получим следующую формулу:

.

Упражнение 24. Докажите, что прямые, соединяющие вершины треугольника с точками касания сторон или продолжений сторон этого треугольника с вневписанной окружностью, пересекаются в одной точке. (Указание: используйте теорему Чевы.)

3 Задачи для самостоятельного решения.

1. Две окружности внешне касаются в точке А, ВС — их общая внешняя касательная. Доказать, что .

2. Две окружности пересекаются в точках А и В. Точки А и В лежат по разные стороны от прямой l , которая пересекает окружности соответственно в точках С, D, Е и М. Доказать, что сумма углов DBE и САМ равна 180°.

3. Две окружности пересекаются в точках А и В. Прямые l ₁ и l ₂ параллельны, причем l ₁ проходит через точку А и пересекает окружности в точках Е и К, а l ₂ про­ходит через точку В и пересекает окружности в точках М и Р. Доказать, что четырехугольник ЕКМР — параллелограмм.

4. Из точки М проведены к окружности с центром в точке О касательные МА и МВ. Прямая l касается окружности в точке С и пересекает МА и МВ соответственно в точках D и Е. Доказать, что: а) периметр треугольника MDE не зависит от Выбо­ра точки С; б) угол DOE не зависит от выбора точки С.

5. Точки А, В, С и D делят окружность на части, отношение которых 1 : 3 : 5 : 6. Найти углы между касательными к окружности, проведенными в точках А, В, С и D.

6. Две равные окружности внешне касаются друг друга и третьей окружности, радиус которой равен 8 см. Отрезок, соединяющий точки касания двух равных ок­ружностей с третьей, равен 12 см. Найти радиусы равных окружностей.

7. Общая хорда двух пересекающихся окружностей равна а и служит для одной окружности стороной правильного вписанного шестиугольника: а для другой ­вписанного квадрата. Найти расстояние между центрами окружностей.

8. Две окружности радиусами, и R касаются внешним образом. Найти дли­ну их общей внешней касательной.

9. Две окружности радиусами r и R касаются внешним образом. Прямая 1 пересекает окружности в точках А, В, С и D так, что АВ = ВС = CD. Найти AD.

10. Две окружности, радиусы которых относятся как 1 : 3, касаются внешним образом, длина их общей внешней касательной см. Найти периметр фигуры, образованной внешними касательными и внешними дугами окружностей.

11. Из внешней точки к окружности проведены секущая длиной 48 см и каса­тельная, длина которой составляет от внутреннего отрезка секущей. Найти ра­диус окружности, если известно, что секущая удалена от центра на расстояние 24 см.

12. Общая внешняя касательная двух внешне касающихся окружностей составляет с линией центров угол а. Найти отношение радиусов.

13. Из точки А, расположенной вне круга с центром О, проведены секущие АВС и АМК (В и М — ближайшие к А точки окружности, лежащие на секущих). Найти ВС, если известно, что и секущая АМК проходит через центр окружности.

14. Две окружности пересекаются в точках А и В. Через точку А проведены отрезки АС и AD, каждый из которых, являясь хордой одной окружности, касается другой окружности. Доказать, что АС 2 . BD = AD 2 . B С.

15. АВ и CD — взаимно перпендикулярные пересекающиеся хорды окружно­сти радиуса R. Доказать, что АС 2 + BD 2 = 4R 2 .

16. Доказать, что сумма квадратов расстояний от точки М, взятой на диаметре окружности, до концов любой из параллельных этому диаметру хорд есть для дан­ной окружности постоянная величина.

17. Две окружности внешне касаются в точке С, АВ — их общая внешняя ка­сательная. Найти радиусы, если АС = 8 см, ВС = 6 см.

18. Окружности радиусами R и касаются внешним образом. Из центра мень­шей окружности под углом 30° к линии центров проведен отрезок длиной 2R. Найти длины тех частей отрезка, которые лежат вне окружностей.

19. Окружности радиусами а и b имеют внутреннее касание (а b ), причем центр большей окружности лежит вне меньшей окружности. Хорда АВ большей окружности касается меньшей окружности и образует с общей касательной к окруж­ностям угол . Найти АВ.

20. В правильном треугольнике АВС на сторонах АВ и АС взяты точки М и К так, что АМ : МВ = 2 : 1, АК : КС = 1 : 2. Доказать, что отрезок КМ равен радиусу окружности, описанной около треугольника АВС.

Список использованной литературы

Атанасян Л.С., Бутузов В.Ф., Кадомцев С.Б. Геометрия. 10-11 классы: учеб. Для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни– 18-е изд. – М.: Просвещение, 2009. – 255 с.

Гусев В.А., Кожухов И.Б., Прокофьев А.А. Геометрия. Полный справочник. – М.: Махаон, 2006. – 320 с.

Лаппо Л.Д., Филонов А.Н. Математика. Экспресс-курс подготовки к ЕГЭ: учебное пособие. – М.: Издательство «Экзамен», 2004. – 96с.

Мальцев Д.А. Математика. Все для ЕГЭ 2011. Часть 1: учебно-методическое пособие. – Ростов н/Д: Издатель Мальцев Д.А.; М.: НИИ школьных технологий, 2010. – 221 с.

Мельникова Н.Б. Геометрия: Дидакт. Метериалы для 10-11 кл. общеобразоват. Учреждений. – 2-е изд. –М.: Мнемозина, 1999. – 272 с.

Полонский В.Б., Рабинович Е.М., Якир М.С. Учимся решать задачи по геометрии. Учеб.-метод. пособие. – К. «Магистр», 1996, – 256 стр.

Потоскуев Е.В., Звавич. Л.И. Геометрия. 10 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений с углубл. и профильным изучением математики /– 3-е изд. – М.: Дрофа, 2005. – 223 с.

Потоскуев Е.В., Звавич. Л.И. Геометрия. 11 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений с углубл. и профильным изучением математики – 3-е изд. – М.:Дрофа, 2003. – 368 с.

Прасолов В.В. Задачи по планиметрии: Учебное пособие. – 5-е изд., испр. И доп. –М.: МЦНМО: ОАО «Московские учебники», 2006. – 640с.

Прокофьев А.А. Пособие по геометрии для подготовительных курсов (планиметрия). – 4-е изд. перераб. и доп. – М.:МИЭТ, 2007, 232 стр.

Шарыгин И.Ф. Геометрия. 10-11 классы: учеб. Для общеобразоват. заведений. – М.: Дрофа, 1999. – 208 с

Шарыгин И.Ф. Сборник задач по геометрии. 5000 задач с ответами / И.Ф.

Треугольник — формулы, свойства, элементы и примеры с решением

Содержание:

Треугольники и его элементы:

Определение: Треугольником называется геометрическая фигура, которая состоит из трех точек (вершин треугольника), не лежащих на одной прямой, и трех отрезков (сторон треугольника), попарно соединяющих эти точки.

Треугольник обозначается знаком

На рисунке 54 изображен треугольник с вершинами А, B, С и сторонами АВ, ВС, АС. Этот треугольник можно обозначить так:

Определение: Углом треугольника ABC при вершине А называется угол ВАС.

Угол треугольника обозначают тремя буквами (например, «угол ABC») или одной буквой, которая указывает его вершину (например, «угол А треугольника ABC »).

Если вершина данного угла треугольника не принадлежит стороне, то говорят, что данный угол противолежащий этой стороне. В противном случае угол является прилежащим к стороне. Так, в треугольнике ABC угол А — прилежащий к сторонам АВ и АС и противолежащий стороне ВС. Стороны и углы треугольника часто называют его элементами

Определение: Периметром треугольника называется сумма всех его сторон.

Периметр — от греческого «пери» — вокруг и «метрео» — измеряю, измеренный вокруг.

Периметр обозначается буквой Р. По определению — Любой треугольник ограничивает часть плоскости. Будем считать, что точки, принадлежащие этой части, расположены внутри треугольника, а точки, которые ей не принадлежат,— вне треугольника.

Роль треугольника в геометрии трудно переоценить. Ученые не зря называют треугольники клетками организма геометрии. Действительно, многие более сложные геометрические фигуры можно разбить на треугольники.

В этой главе мы не только изучим «внутрен нее устройство» треугольников и выделим их виды, но и докажем признаки, по которым можно установить равенство треугольников, сравнивая их стороны и углы. Полученные в ходе наших рассуждений теоремы и соотношения расширят ваши представления об отрезках и углах, параллельности и перпендикулярности прямых на плоскости.

В процессе решения задач и доказательства теорем о свойствах треугольников вам предстоит освоить важные геометрические методы, которые помогут в ходе дальнейшего изучения геометрии.

Что такое треугольник

Рассмотрим понятие треугольника. Пусть на плоскости дана трехзвенная замкнутая ломаная. Тогда эта ломаная разделяет множество оставшихся точек плоскости на ограниченную и неограниченную фигуры. При этом ограниченная фигура называется частью плоскости, ограниченной данной ломаной. Например, на рисунке 59, а изображена часть плоскости, ограниченная трехзвенной замкнутой ломаной ABC.

Определение. Треугольником называется геометрическая фигура, состоящая из трехзвенной замкнутой ломаной и части плоскости, ограниченной этой ломаной.

Вершины ломаной называются вершинами треугольника, а звенья ломаной — сторонами треугольника.

Точки треугольника, не принадлежащие его сторонам, называются внутренними.

Треугольник, вершинами которого являются точки А, В и С, обозначается следующим образом: АВС (читают: «Треугольник ABC»). Этот же треугольник можно обозначать и так: BСА или CАВ.

На рисунке 59, а изображен треугольник ABC. Точки А, В и С — вершины этого треугольника, а отрезки AB, ВС и АС — его стороны. На рисунке 59, B показан треугольник AFD, содержащийся в грани куба.

Углы АBС, АСВ и САВ (см. рис. 59, а) называются внутренними углами треугольника ABC или просто углами треугольника. Иногда они обозначаются одной буквой: A, B, C. Стороны и углы треугольника называются его элементами.

На рисунке 59, в изображены треугольники ABC и ACD, у которых общая сторона АС. Угол ВАС — внутренний угол треугольника ВАС, ACD — внутренний угол треугольника ACD.

Периметром треугольника называется сумма длин всех его сторон. Периметр треугольника ABC обозначается P_ABC.

Конструкции, имеющие треугольную форму, применяются при строительстве архитектурных сооружений, мостов и жилых зданий. Например, при постройке крыш некоторых домов используются стропила, имеющие форму треугольников (рис. 60, а).

Для треугольников, как и любых геометрических фигур, определяется понятие их равенства.

Два треугольника называются равными, если их можно совместить наложением, т. е. можно совместить их вершины, стороны и углы.

Рассмотрим пример. Если лист бумаги, имеющий форму прямоугольника, разрезать на две части, как показано на рисунке 60, б, то мы получим модели равных треугольников. Непосредственно можно убедиться, что полученные части можно наложить одна на другую так, что они совместятся.

Два равных треугольника ABC и A₁B₁C₁ (рис. 60, в) можно совместить так, что попарно совместятся их вершины, стороны и углы. Другими словами, если два треугольника равны, то стороны и углы одного треугольника соответственно равны сторонам и углам другого треугольника. Подчеркнем, что:

• в равных треугольниках против соответственно равных сторон лежат равные углы;
• в равных треугольниках против соответственно равных углов лежат равные стороны.

Например, в равных треугольниках ABC и A₁B₁C₁ , изображенных на рисунке 60, в, против равных сторон ВС и В₁С₁ лежат равные углы А и А₁. Против равных углов С и С₁ лежат равные стороны AB и A₁B₁.

Если треугольники ABC и A₁B₁C₁ равны, то это обозначается следующим образом: ABC = A₁B₁C₁

Заметим, что для установления равенства треугольников необязательно их совмещать один с другим, а достаточно сравнить некоторые их элементы (стороны и углы).

Для доказательства равенства треугольников пользуются соответствующими теоремами (признаками), которые позволяют на основании равенства некоторых элементов треугольников делать вывод о равенстве самих треугольников.

Определение треугольника

Треугольник — замкнутая ломаная, состоящая из трех звеньев. Или часть плоскости, ограниченная этой ломаной. У каждого треугольника три стороны, три вершины и три угла. Сумма длин сторон треугольника — его периметр.

Сумма углов треугольника равна 180°.

Важную роль в геометрии играют признаки равенства треугольников. Две фигуры называются равными, если их можно совместить. Если, то

Три признака равенства треугольников:

Два треугольника равны, если: две стороны и угол между ними одного треугольника равны двум сторонам и углу между ними другого треугольника (I); или если сторона и прилежащие к ней углы одного треугольника равны стороне и прилежащим к ней углам другого треугольника (II); или если три стороны одного треугольника равны трем сторонам другого треугольника (III).

Треугольник, у которого две стороны равны, называется равнобедренным. Равные стороны равнобедренного треугольники называются боковыми сторонами, а третья — его основанием.

В равнобедренном треугольнике углы при основании равны.

Если два угла треугольника равны, то он равнобедренный.

Если у треугольника все стороны равны, его называют равно сторонним треугольником. Каждый угол равностороннего треугольника равен 60°.

В зависимости от углов треугольники делят на остроуголь ные, прямоугольные, и тупоугольные. Сторону прямоугольного треугольника, лежащую против прямого угла, называют гипотенузой, а две другие — катетами.

Каждая сторона треугольника меньше суммы двух другим его сторон и больше их разности. Какие бы ни были три точки плоскости А, В и С, всегда АВ + ВС > АС.

В каждом треугольнике против большей стороны лежит больший угол, а против большего угла — большая сторона.

Если три точки, не лежащие на одной прямой, соединить отрезками, получится треугольник. Другими словами: треугольник — это замкнутая ломаная из трех звеньев. На рисунке 119 изображён треугольник ABC (пишут: ). Точки А, В, С — вершины, отрезки АВ, ВС и СА — стороны этого треугольника. Каждый треугольник имеет три вершины и три стороны.

Много разных моделей треугольников можно увидеть в подъемных кранах, заводских конструкциях, различных архитектурных строениях (рис. 120).

Сумму длин всех сторон треугольника называют его периметром.

Каждая сторона треугольника меньше суммы двух других его сторон. Почему?Отрезок, соединяющий вершину треугольника с серединой его противолежащей стороны, — медиана треугольника. Отрезок биссектрисы угла треугольника от его вершины до противолежащей стороны — биссектриса треугольника. Перпендикуляр, опущенный из вершины треугольника на прямую, которой принадлежит его противолежащая сторона, — высота треугольника. На рисунке 121 изображен , в котором из вершины С проведены: медиана СМ, биссектриса CL и высота СН.

Каждый треугольник имеет три медианы, три биссектрисы и три высоты.

Треугольник разделяет плоскость на две области: внутреннюю и внешнюю. Фигура, состоящая из треугольника и его внутренней области, также называется треугольником.

Углами треугольника ABC называют углы ВАС, ABC и АСИ. Их обозначают еще так: . Каждый треугольник имеет три угла.

Если треугольник имеет прямой или тупой угол, его называют соответственно прямоугольным или тупоугольным треугольником. Треугольник, все углы которого острые, называется остроугольным. На рисунке 122 изображены остроугольный, прямоугольный и тупоугольный треугольники. Их внутренние области закрашены.

Словом треугольник геометры называют два разных понятия: и замкнутую ломаную из трех звеньев, и такую ломаную вместе с ограниченной ею внутренней частью плоскости. Подобно тому, как стороной треугольника иногда называют отрезок, иногда — длину этого отрезка, высотой треугольника называют и определенный отрезок, и его длину.

Так делают для удобства: чтобы каждый раз не говорить, например, «длина высоты треугольника равна 5 см», договорились говорить проще: «высота треугольника равна 5 см».

Каждый многоугольник можно разрезать на несколько треугольников. Поэтому треугольники в геометрии играют такую важную роль, как атомы в физике, как кирпичи в доме. Существует даже отдельная часть геометрии, интересная и содержательная: геометрия треугольника.

Пример:

На сколько частей могут разбивать плоскость два ее треугольника?

Решение:

Если два треугольника расположены в одной плоскости, то они могут разбить ее максимум на 8 частей (рис. 123). Мысленно передвигая один из двух данных треугольников так, чтобы сначала один из образованных их пересечением треугольник превратился в точку, потом-второй и т. д., убеждаемся, что два треугольника могут разбивать плоскость на 3, 4, 5, 6, 7, 8 частей (рис. 124). Лишь когда два треугольника равны и совмещены друг с другом, они разбивают плоскость на 2 части.

Пример:

Среднее арифметическое всех сторон треугольника равно т. Найдите периметр треугольника.

Решение:

Если a, b, c — стороны треугольника, а Р — его периметр , то

Сумма углов треугольника

Теорема: Сумма углов треугольника равна 180°

Доказательство:

Пусть ABC — произвольный треугольник (рис. 127). Через его вершину С проведем прямую КР, параллельную АВ.

11олученные углы АСК и ВСР обозначим цифрами 1 и 2. Тогдакак внутренние накрест лежащие углы при параллельных прямых АВ и КР и секущих АС и ВС. Углы 1, 2 и С в сумме равны развернутому углу, то есть 180°. Поэтому

В доказанной теореме 8 речь идет о сумме мер углов треугольника. Но для упрощения формулировок вместо «мера угла» часто употребляют слово «угол».

Треугольник не может иметь два прямых или два тупых угла, В каждом треугольнике по крайней мере два угла — острые.

Иногда кроме углов треугольника (внутренних) рассматривают также его внешние углы. Внешним углом треугольника называют угол, образованный стороной треугольника и продолжением его другой стороны. Например, внешним углом треугольника ABC при вершине А является угол КАС (рис. 128).

Теорема: Внешний угол треугольника равен сумме двух внутренних углов треугольника, не смежных с ним.

ВНИМАНИЕ! При каждой вершине треугольника можно построить два внешних угла, продлив ту или иную его сторону. Например, каждый из углов КАС и РАВ — внешний угол треугольника ABC при вершине А (рис. 129). Такие два внешних угла — вертикальные, поэтому равны друг другу.

Теорему о сумме углов треугольника можно обобщить и распространить на произвольные многоугольники.

Каждый четырехугольник можно разрезать на два треугольника, соединив его противолежащие вершины отрезком. (Если один из углов четырехугольника больше развернутого, то именно его вершину следует соединить с противолежащей, как на рисунке 130.) Сумма всех углов четырех- ‘ угольника равна сумме всех углов двух образованных треугольников, то есть 180° • 2. Таким образом, сумма углов любого четырехугольника равна 360°.

Произвольный пятиугольник можно разрезать на четырехугольник и треугольник или на 3 треугольника (рис. 131). Таким образом, сумма углов пятиугольника равна 180° • 3, то есть 540°.

Попробуйте написать формулу, по которой можно вычислить сумму углов произвольного n-угольника.

Пример №1

Чему равна сумма внешних углов треугольника, взятых при каждой вершине по одному?

Решение:

Пусть ABC — произвольный треугольник. Обозначим его внешние углы 1, 2 и 3 (рис. 132). Согласно теореме о внешнем угле треугольника

Сложив отдельно левые и правые части этих равенств, получим:

Пример №2

Докажите, что в каждом треугольнике есть угол не больше 60° и угол не меньше 60°.

Решение:

Если бы каждый угол треугольника был меньше 60°, то сумма всех его углов составляла бы меньше 180°, а это невозможно. Если бы каждый угол треугольника был больше 60°, то сумма всех его углов была бы больше 180°, что также невозможно.

Следовательно, в каждом треугольнике есть угол не ‘ больше 60° и угол не меньше 60°.

О равенстве геометрических фигур

На рисунке 136 изображены два треугольника. Представьте, что один из них начерчен на бумаге, и второй — на прозрачной пленке. Передвигая пленку, второй треугольник можно совместить с первым. Говорят: если данные треугольники можно совместить движением, то они равны. Равными друг другу бывают не только треугольники, но и отрезки, углы, окружности и другие фигуры.

Изображенные на рисунке 137 фигуры тоже равны, потому что их можно совместить, согнув лист бумаги по прямой I. Л фигуры, изображенные на рисунке 138, не равны, их нельзя Совместить.
Для обозначения равных фигур используют знак равенства . Например,

Если каждая из двух фигур равна третьей, то первая и вторая фигуры также равны.

С равными фигурами часто приходится иметь дело многим специалистам. В форме равных прямоугольников изготовляют листы жести, фанеры, стекла, облицовочную плитку, паркетины и т. д. Равны все листы бумаги из одной пачки, соответствующие детали двух машин одной марки.Чтобы выяснить, равны ли две фигуры, можно попробовать их совместить. Но на практике это не всегда удается осуществить. Например, таким способом нельзя определить, равны ли два земельных участка. Поэтому приходится искать другие способы, выявлять признаки равенства тех или иных фигур. Например, если радиусы двух окружностей равны, то равны и сами окружности. Это — признак равенства окружностей. В следующем параграфе мы рассмотрим признаки равенства треугольников.

Треугольник с вершинами А, В и С можно обозначать по-разному: и т. д. Однако для удобства договоримся, что когда пишут , то подразумевают, что АВ = КР, АС = КТ, ВС = РТ.

Слово равенство в математике и других науках употребляется достаточно часто. Говорят, в частности, о равенстве чисел, равенстве выражений, равенстве значений величин. Равенство геометрических фигур — это отношение. Оно имеет следующие свойства:

1. каждая фигура равна самой себе;
2. если фигура А равна фигуре В, то и фигура В равна А;
3. если фигура А равна В, а фигура В равна С, то фигуры А и С также равны.

Нередко из равенства одних фигур либо величин следует и равенство других фигур либо величин, но — не всегда. Например, если треугольники равны, то и их периметры равны. Однако если периметры двух треугольников равны, то это еще не значит, что равны и сами треугольники. То же самое: если треугольники равны, то и их площади равны. Но если площади двух треугольников равны, это еще не означает, что и треугольники равны.

Очень часто для обоснования равенства тех или иных фигур необходимо обосновать равенство некоторых треугольников. Вот почему вопросу о равенстве треугольников в геометрии придают такое важное значение: большинство теорем школьной геометрии доказывают, используя признаки равенства треугольников.

Пример №3

Равны ли углы, изображенные на рисунке 139?

Решение:

Стороны угла — лучи. Хотя на рисунке они изображены неравными отрезками, но следует представить их в виде бесконечных лучей. Поскольку каждый из этих углов имеет 35° (проверьте), то они равны.

Пример №4

Докажите, что треугольники не могут быть равными, если не равны их наибольшие углы.

Решение:

Пусть у треугольников ABC и КРТ

. Если бы данные треугольники были равны, их можно было бы совместить. Тогда наибольший угол А треугольника ABC совместился бы с наибольшим углом К треугольника КРТ. Это невозможно, поскольку . Значит, данные треугольники не могут быть равными.

Признаки равенства треугольников

Если треугольники ABC и вины друг другу, то их можно совместить. При этом если совместятся вершины и то совместятся и стороны: Значит, если то ,Чтобы доказать, что данные треугольники равны, не обязательно убеждаться в истинности всех шести равенств.

Теорема: (первый признак равенства треугольников). Если две стороны и угол между ними одного треугольника равны соответственно двум сторонам и углу между ними другого треугольника, то такие треугольники равны.

Доказательство:

Пусть — два треугольника, у которых, (рис. 1;46). Докажем, что

Наложим таким образом, чтобы вершина совместилась А, вершина — с В, а сторона наложилась на луч АС. Это можно сделать, потому что по условию. Поскольку , то при таком положении точка совместится с С. В результате все вершины совместятся с соответствующими вершинами

Теорема: (второй признак равенства треугольников). Если сторона и прилежащие к ней углы одного треугольника равны соответственно стороне и прилежащим к ней углам другого треугольника, то такие треугольники равны.

Доказательство:

*Существуют также и другие признаки равенства треугольников (см. теорему 14).
На признаки равенства треугольников нам придется ссылаться часто. Чтобы не путать, какой из них назвали первым, какой — вторым и т. д., их лучше всего различать по смыслу, говорить о признаке равенства треугольников:

1. по двум сторонам и углу между ними;
2. по стороне и двум прилежащим углам,
3. по трем сторонам (его докажем позже).

Эти признаки равенства треугольников называют общими признаками, поскольку они верны для любых треугольников. Кроме них, есть еще признаки равенства прямоугольных треугольников, равнобедренных треугольников и др.

Два равносторонних треугольника равны, если сторона одного из них равна стороне другого.

Попробуйте доказать этот признак, воспользовавшись общими признаками.

Пример №5

Отрезки АВ и CD пересекаются в точке О так, что АО = OD и СО = ОВ. Докажите, что АС = BD.

Решение:

Рассмотрим треугольники АСО и DBO (рис. 148). Их углы при вершине О вертикальные, значит, равны. Соответственные стороны тоже равны:

АО = OD, СО = ОВ. По первому признаку равенства треугольников

Стороны АС и BD этих треугольников соответственные, поскольку лежат против равных углов при вершине О. Следовательно, АС = BD.

Пример №6

Две стороны треугольника равны. Докажите, что и медианы, проведенные к этим сторонам, также равны.

Решение:

Пусть у сторона АВ = АС, а ВК и СР — медианы (рис. 149). АР = = АК, как половины равных сторон. , поскольку АВ = = АС, АК = АР и угол А общий. Следовательно, ВК = СР.

Равнобедренный треугольник

Треугольник называется равнобедренным, если у него две стороны равны. Равные стороны равнобедренного треугольника называют боковыми сторонами, а третью его сторону — основанием.

Треугольник, не являющийся равнобедренным, называют разносторонним. Треугольник, у которого все стороны равны, называют равносторонним. Это отдельный вид равнобедренного треугольника (рис. 161).

Теорема: В равнобедренном треугольнике углы при основании равны, а биссектриса, проведенная к основанию, является и медианой, и высотой.

Доказательство:

Пусть ABC — равнобедренный треугольник с основанием ВС (рис. 162). Биссектриса AL разбивает его на треугольники ABL и ACL. Поскольку АВ = AC, AL — общая сторона, , то по двум сторонам и углу между ними . Из равенства этих треугольников следует:

а) , то есть углы при основании равны;

б) BL = CL, то есть AL — медиана

в) ,

Теорема: Если в треугольнике два угла равны, то он равнобедренный.

Доказательство:

Пусть в (рис. 162). Докажем, что АВ =АС. Проведем биссектрису AL. Она делит данный треугольник И я два: У них, Поэтому . По стороне AL и прилежащим к ней углам . Следовательно,

Из теорем 9 и 10 вытекает такое следствие.

В треугольнике против равных сторон лежат равные углы, а против равных углов — равные стороны.

Равнобедренный — это имеющий равные бедра. Равные стороны — словно ноги.

Как соотносятся между собой треугольники и равнобедренные треугольники? Равнобедренные треугольники составляют только часть всех треугольников. Говорят, что объем понятия «треугольники» больше объема понятия «равнобедренные треугольники». Такие соотношения принято наглядно изображать диаграммами Эйлера (рис. 163). Те треугольники, которые не являются равнобедренными, называют разносторонними треугольниками. Следовательно, общее понятие «треугольники»можно разделить на два класса: треугольники равнобедренные и треугольники разносторонние (рис. 164):

Пример №7

Две стороны равнобедренного треугольника равны соответственно 2 см и б см. Найдите длину третьей его стороны.

Решение:

Основание данного треугольника не может быть равно б см, поскольку 2 см + 2 см против равных сторон лежат равны’ углы. Поэтому

Равенство углов BAD и BCD можно доказать двумя способами: либо показать, что каждый из них состоит из двух равных углов (рис. 175), либо проведя отрезок BD.

Пример №10

На окружности с центром О обозначены точки А, В, К и Р такие, что АВ = КР (рис. 176). Докажите, что

Решение:

Проведя в данные точки радиусы, получим треугольники АОВ и КОР. Они равны по трем сторонам, поскольку АВ = КР по условию и ОА = OB = OK = ОР — как радиусы. Поэтому

Прямоугольный треугольник

Треугольник называется прямоугольным, если один из его углов прямой Сумма двух других его углов равна 90° поскольку 180° — 90° = 90°.

Сторона прямоугольного треугольника, противолежащая прямому углу, — эп гипотенуза, две другие его стороны катеты (рис. 182). На рисунке прямо! угол иногда обозначают квадратиком. В каждом прямоугольном треугольнике гипотенуза больше каждого из катетов.

Позже нам будут необходимы признаки равенства прямо угольных треугольников. Из первого и второго признаков равенства треугольников (§ 12) непосредственно следуют таки АС.

Стороны АВ и АС не могут быть равными, потому что тогда данный треугольник был бы равнобедренным и один из его углов при основании не мог бы быть больше другого.

Не может сторона АВ быть и меньше АС, поскольку тогда угол С был бы меньше угла В. А поскольку сторона АВ не равна АС и не меньше АС, то она больше АС.

1. В каждом прямоугольном треугольнике гипотенуза длиннее каждого катета.
2. Перпендикуляр, проведенный из какой-либо точки к прямой, короче любой наклонной, проведенной и: . Если представить, что фигура изображена на прозрачной пленке, то с помощью наложения этой пленки на фигуру (той или другой стороной (рис. 55, а, б) можно совместить фигуры и . В таком случае фигуры и по определению равны.

Для обозначения равенства фигур используют знак математического равенства Запись означает «фигура равна фигуре _»

Рассмотрим равные треугольники и (рис. 56).

По определению, такие треугольники можно совместить наложением. Очевидно, что при наложении соответственно совместятся стороны и углы этих треугольников, то есть каждому эле менту треугольника будет соответствовать равный элемент треугольника . Условимся, что в записи мы будем упорядочивать названия треугольников так, чтобы вершины равных углов указывались в порядке соответствия. Это означает: если , то

Таким образом, из равенства двух треугольников вытекают шесть равенств соответствующих элементов: три — для углов и три — для сторон. На рисунках соответственно равные стороны обычно обозначают одинаковым количеством черточек, Рис. 56. Треугольники а соответственно равные углы — одинаковым ко личеством дужек (рис. 56).

А верно ли, что треугольники, имеющие соответственно равные стороны и углы, совмещаются наложением? Можно ли по равенству некоторых соответствующих элементов доказать равенство самих треугольников? Ответить на эти вопросы мы попытаемся в дальнейшем.

[1] Существование треугольника, равного данному, является одной из аксиом планиметрии. Эта аксиома приведена в Приложении 1.

Первый признак равенства треугольников и его применение

Первый признак равенства треугольников

В соответствии с определением равных фигур, два треугольника равны, если они совмещаются наложением. Но на практике наложить один треугольник на другой не всегда возможно. Например, таким образом невозможно сравнить два земельных участка. Значит, возникает необходимость свести вопрос о равенстве треугольников к сравнению их сторон и углов. Но нужно ли для установления равенства сравнивать все шесть элементов данных треугольников? Бели нет, то какие именно элементы двух треугольников должны быть соответственно равными, чтобы данные треугольники были равны? Ответ на этот вопрос дают признаки равенства треугольников.

Докажем первый из этих признаков.

Теорема: (первый признак равенства треугольников — по двум сторонам и углу между ними)

Если две стороны и угол между ними одного треугольника соответственно равны двум сторонам и углу между ними другого треугольника, то такие треугольники равны.

Доказательство:

Пусть даны треугольники и , у которых (рис. 58). Докажем, что

Поскольку то треугольник можно наложить на треугольник так, чтобы точки и совместились, а стороны и наложились на лучи и соответственно. По условию и , следовательно, сторона совместится со стороной , а сторона — со стороной . Таким образом, точка совместится с точкой , а точка — с точкой , то есть стороны и также совместятся. Значит, при наложении треугольники , совместятся полностью. Итак, по определению. Теорема доказана.

Пример №14

Отрезки АВ и CD пересекаются в точке О, которая является серединой каждого из них. Докажите равенство треугольников АОС и BOD (рис. 59).

Решение:

В треугольниках АОС и BOD АО = ВО и СО = DO по условию, по теореме о вертикальных углах. Таким образом, по первому признаку равенства треугольников.

Практическое значение доказанной теоремы очевидно из такого примера.

Пусть на местности необходимо определить расстояние между точками А и С, прямой проход между которыми невозможен (рис. 60). Один из способов измерения следующий: на местности выбирают некоторую точку О, к которой можно пройти из точек А , С, В, D, и на лучах АО и СО откладывают отрезки ВО=АО и DO = СО.

Тогда, согласно предыдущей задаче, по первому признаку равенства треугольников. Отсюда следует, что искомое расстояние АС равно расстоянию BD, которое можно измерить.

Опровержение утверждений. Контрпример

Проанализируем первый признак равенства треугольников. Согласно ему для доказательства равенства двух треугольников достаточно доказать равенство трех пар соответствующих элементов — двух сторон и угла между ними. Требование того, чтобы равные углы обязательно лежали между равными сторонами, является очень важным.

Действительно, рассмотрим треугольники ABC и А₁В₁С₁ (рис. 61). Они имеют две пары соответственно равных сторон (АВ = А₁В₁, ВС = В₁С₁), но равные углы и лежат не между равными сторонами, поэтому данные треугольники не равны.

С помощью приведенного примера мы показали, что утверждение «Если две стороны и некоторый угол одного треугольника соответственно равны двум сторонам и некоторому углу другого треугольника, то такие треугольники равны» является ошибочным. Иначе говоря, мы опровергли это утверждение конкретным примером. Такой пример, с помощью которого можно показать, что некоторое общее утверждение является неправильным, называется контрпримером. Принцип построения контрпримера для опровержения неправильного утверждения довольно прост: нужно смоделировать ситуацию, когда условие утверждения выполняется, а заключение — нет.

Контрпример — от латинского «контра» — против

Изобразим схематически опровержение утверждения с помощью контрпримера.

УТВЕРЖДЕНИЕ Если А, то В

КОНТРПРИМЕР А, но не В

Контрпримеры используются только для опровержения неправильных утверждений, но не для доказательства правильных. Заметим также, что не всякое ошибочное утверждение можно опровергнуть контрпримером. Если для опровержения некоторого утверждения не удалось подобрать контрпример, это не означает, что данное утверждение верно.

Опровержение утверждений с помощью контрпримеров применяется не только в математике. Пусть, например, некто утверждает, что все птицы, которые водятся в Украине, осенью улетают на юг. Это утверждение можно опровергнуть, приведя в качестве контрпримера воробьев. А опровергнуть утверждение «В русском языке нет существительного, в котором содержались бы пять согласных подряд» можно с помощью самого слова «контрпример » .

Перпендикуляр к прямой

9.1. Существование и единственность прямой, проходящей через данную точку перпендикулярно данной прямой

Признаки равенства треугольников применяются не только для решения задач, но и для доказательства новых геометрических утверждений, в частности и тех, в формулировках которых не упоминается треугольник. Докажем с помощью первого признака равенства треугольников теорему о прямой, проходящей через данную точку плоскости перпендикулярно данной прямой.

Теорема (о существовании и единственности перпендикулярной прямой) Через любую точку плоскости можно провести прямую, перпендикулярную данной, и только одну.

Перед началом доказательства теоремы проанализируем ее формулировку. Теорема содержит два утверждения:

1. существует прямая, проходящая через данную точку плоскости и перпендикулярная данной прямой;
2. такая прямая единственна.

Первое утверждение теоремы говорит о существовании прямой с описанными свойствами, второе — о ее единственности. Каждое из этих утверждений необходимо доказать отдельно.

Рассмотрим сначала случай, когда данная точка не лежит на данной прямой.

1) Существование. Пусть даны прямая и точка А , не лежащая на данной прямой. Выберем на прямой точки В и М так, чтобы угол АВМ был острым (рис. 67).

С помощью транспортира отложим от луча ВМ угол СВМ, равный углу АВМ так, чтобы точки А и С лежали по разные стороны от прямой . На луче ВС отложим отрезок ВА₁ , равный отрезку ВА , и соединим точки А и D. Пусть D — точка пересечения отрезка , с прямой .

Рассмотрим треугольники и . Они имеют общую сторону BD, a и по построению. Таким образом, по первому признаку равенства треугольников. Отсюда следует, что Но эти углы смежные, поэтому по теореме о смежных углах . Итак, прямая перпендикулярна прямой .

2) Единственность. Применим метод доказательства от противного.

Пусть через точку А проходят две прямые и перпендикулярные прямой (рис. 68). Тогда по теореме о двух прямых, перпендикулярных третьей, . Но это невозможно, поскольку прямые и имеют общую точку А. Итак, наше предположение неверно, то есть прямая, проходящая через точку А перпендикулярно прямой , единственна.

Теперь рассмотрим случай, когда точка А лежит на прямой . От любой полупрямой прямой с начальной точкой А можно отложить прямой угол (рис. 69). Отсюда вытекает существование перпендикулярной прямой, содержащей сторону этого угла.

Доказательство единственности такой прямой повторяет доказательство, представленное выше. Теорема доказана.

Утверждения о существовании и единственности уже встречались нам в аксиомах, но необходимость доказывать их возникла впервые. В математике существует целый ряд теорем, аналогичных доказанной (их называют теоремами существования и единственности). Общий подход к таким теоремам состоит в отдельном доказательстве каждого из двух утверждений.

Необходимость двух отдельных этапов доказательства в шутку можно пояснить так: утверждение «У дракона есть голова» не означает, что эта голова единственная. Доказательство существования определенного объекта чаще всего сводится к описанию способа его получения. Единственность обычно доказывают методом от противного.

Перпендикуляр. Расстояние от точки до прямой

Определение:

Перпендикуляром к данной прямой, проведенным из точки А, называется отрезок прямой, перпендикулярной данной, одним из концов которого является точка А а вторым (основанием перпендикуляра) — точка пересечения этих прямых.

На рисунке 70 отрезок АВ является перпендикуляром к прямой а, проведенным из точки А . Точка В — основание этого перпендикуляра. Поскольку по предыдущей теореме через точку А можно провести единственную прямую, перпендикулярную прямой а, то отрезок АВ — единственный перпендикуляр к прямой а, проведенный из точки А.

Из доказанной теоремы следует, что из точки, не лежащей на данной прямой, можно опустить на эту прямую перпендикуляр, и только один.

Это утверждение называют теоремой о существовании и единственности перпендикуляра к прямой.

Определение:

Расстоянием от точки до прямой, не проходящей через эту точку, называется длина перпендикуляра, опущенного из данной точки на данную прямую.

Иногда расстоянием от точки до прямой называют сам этот перпендикуляр. Таким образом, отрезок АВ (см. рис. 70) является расстоянием от точки А до прямой а.

Пример №15

Точки А и С лежат по одну сторону от прямой а, АВ и CD — расстояние от данных точек до прямой а, причем АВ = CD (рис. 71). Докажите, что AD = СВ.

Решение:

Рассмотрим треугольники ABD и CDB. У них сторона ВD общая, АВ = CD по условию. По определению расстояния от точки до прямой АВ и CD — перпендикуляры к прямой а, то есть Тогда по первому признаку равенства треугольников. Из этого следует, что AD = СВ, что и требовалось доказать.

Второй признак равенства треугольников и его применение

Второй признак равенства треугольников

В первом признаке равенства треугольников равенство двух треугольников было доказано по трем элементам: двум сторонам и углу между ними. Однако это не единственный возможный набор элементов, равенство которых гарантирует равенство треугольников. Еще один такой набор — это сторона и прилежащие к ней углы.

Теорема: (второй признак равенства треугольников — по стороне и прилежащим к ней углам)

Если сторона и прилежащие к ней углы одного треугольника соответственно равны стороне и прилежащим к ней углам другого треугольника, то такие треугольники равны.

Доказательство:

Пусть даны треугольники и , у которых , (рис. 72). Докажем, что

Поскольку , то треугольник можно наложить на треугольник так, чтобы сторона АС совместилась со стороной , а точки и лежали по одну сторону от прямой . По условию и , поэтому сторона наложится на луч , а сторона — на луч . Тогда точка — общая точка сторон и — будет лежать как на луче , так и на луче , то есть совместится с общей точкой этих лучей — точкой В. Таким образом, совместятся стороны и , а также и . Значит, при наложении треугольники и , совместятся полностью, то есть по определению . Теорема доказана.

Решение геометрических задач «от конца к началу»

Рассмотрим пример применения второго признака равенства треугольников для решения задачи.

Пример №16

На рисунке 73 Найдите угол D если

Прежде чем привести решение этой задачи, попытаемся ответить на вопрос: как именно надо рассуждать, чтобы найти путь к нему?

1. Сначала проанализируем вопрос задачи. Нам необходимо найти градусную меру угла D. Очевидно, что для этого должны быть использованы числовые данные. Мы имеем лишь одно такое условие: . Таким образом, можно предположить, что углы B и D должны быть как-то связаны. Как именно?
2. Заметим, что углы В и D являются углами треугольников ABC и ADC соответственно, причем оба эти угла противолежат стороне АС . Отсюда возникает идея о том, что углы B и D могут быть равными, и их равенство может следовать из равенства треугольников ABC и ADC .
3. Следующий шаг рассуждений: действительно ли треугольники ABC и ADC равны? Если да, то на основании какого признака можно доказать их равенство? Здесь на помощь приходят другие данные задачи — равенства углов: . Как вы уже знаете, две пары соответственно равных углов рассматриваются в формулировке второго признака равенства треугольников, то есть следует попробовать применить именно его.
4. Для окончательного определения хода решения задачи осталось ответить на вопрос: каких еще данных нам не достает для применения второго признака равенства треугольников? Откуда их можно получить? Отметим, что углы 1 и 3 треугольника ABC, а также углы 2 и 4 треугольника ADC являются прилежащими к сторонеАС, которая, кроме того, является общей стороной данных треугольников.

Итак, путь определен, и остается лишь записать решение, повторяя рассуждения в обратном порядке — от 4-го к 1-му пункту.

Решение:

Рассмотрим треугольники ABC и АDС . В них сторона АС общая, по условию, и эти углы прилежат к стороне АС. Таким образом, по второму признаку равенства треугольников.

Углы В и D — соответственно равные углы равных треугольников.

Значит,

Ответ: 110°.

Отметим, что в рассуждениях 1) — 4) мы начинали с вопроса задачи, а затем использовали ее условия, то есть шли «от конца к началу». Во многих геометрических задачах именно такой способ рассуждений позволяет найти правильный путь к решению.

Пример №17

Докажите, что середины сторон равнобедренного треугольника являются вершинами другого равнобедренного треугольника.

Решение:

Пусть ABC — равнобедренный треугольник с основанием АС, точки D , Е, F — середины сторон АВ, ВС и АС соответственно (рис. 84). Докажем, что треугольник D EF равнобедренный. Рассмотрим треугольники DAF и ECF. У них AD = СЕ как половины равных сторон АВ и СВ, AF = CF (поскольку по условию точка F — середина AC), как углы при основании равнобедренного треугольника ABC. Следовательно, по первому признаку равенства треугольников. Тогда отрезки D F = EF как соответствующие стороны равных треугольников, то есть треугольник D EF равнобедренный.

Признак равнобедренного треугольника

Из предыдущей теоремы следует, что в треугольнике против равных сторон лежат равные углы. Но всегда ли стороны, противолежащие равным углам, должны быть равными? Ответим на этот вопрос следующей теоремой.

Теорема: (признак равнобедренного треугольника) Если в треугольнике два угла равны, те он равнобедренный:

Доказательство:

Пусть в треугольнике ABC . Докажем, что этот треугольник равнобедренный.

Через точку D — середину стороны АС — проведем прямую d , перпендикулярную АС. Пусть эта прямая пересекает луч АВ в точке (рис. 85). Соединим точки и и рассмотрим треугольники . У них сторона общая, и AD = CD по построению. Таким образом, по первому признаку. Отсюда , . Поскольку по построению точка лежит на луче АВ, угол совпадает с углом А треугольника ABC. Тогда по условию теоремы и по доказанному имеем: . Таким образом, по аксиоме откладывания углов углы и совпадают, то есть точка лежит и на луче СВ. Поскольку лучи АВ и СВ имеют единственную точку пересечения, точки и совпадают, то есть АВ = СВ. Теорема доказана.

Если в треуольнике все углы равны, то он равносторонний.

Отметим, что теперь мы имеем два пути доказательства того, что треугольник равнобедренный:

1. по определению равнобедренного треугольника (то есть путем доказательства равенства двух сторон);
2. по признаку равнобедренного треугольника (то есть путем доказательства равенства двух углов).

Пример №18

На продолжении основания АС равнобедренного треугольника ABC отмечены точки D и E, причем AD=CE (рис. 87). Докажите, что треугольник DBE равнобедренный:

Решение:

Рассмотрим треугольники DAB и ЕСВ. У них AD = СЕ по условию, АВ = СВ как боковые стороны равнобедренного треугольника ABC. По свойству углов при основании равнобедренного треугольника ABC тогда как углы, смежные с равными углами. Значит, по первому признаку равенства треугольников.

Завершить доказательство можно одним из двух способов.

1 -й способ. Поскольку то Таким образом, треугольник DBE равнобедренный по определению.

2-й способ. Поскольку то Таким образом, треугольник D BE равнобедренный по признаку равнобедренного треугольника;

Прямая и обратная теоремы

Проанализируем две предыдущие теоремы о равнобедренном треугольнике, выделив в каждой из них условие и заключение. Свойство углов равнобедренного треугольника можно сформулировать так: «Если треугольник равнобедренный, то в нем два угла (при основании) равны». Теперь становится очевидным, что условие первой теоремы («треугольник равнобедренный») — это заключение второй, а заключение первой теоремы («в треугольнике два угла равны») — это условие второй теоремы. В таком случае вторая теорема является обратной первой (прямой).

Изобразим наглядно связь прямой и обратной теорем.

ПРЯМАЯ ТЕОРЕМА

Если А то B

ОБРАТНАЯ ТЕОРЕМА

Если В, то А

Теорема, обратная данной, не обязательно верна. Рассмотрим, например, теорему о вертикальных углах, сформулировав ее так: «Если два угла вертикальные, то они равны». Понятно, что обратная теорема неверна: ведь если два угла равны, то они не обязательно вертикальные.

Немало подобных примеров можно привести и из повседневной жизни. Например, если ученик является семиклассником, то он изучает геомет рию. Обратное утверждение ошибочно: если ученик изучает геометрию, то он не обязательно семиклассник, ведь геометрию изучают и в старших классах. Попробуйте самостоятельно найти примеры прямых и обратных утверждений в других науках, изучаемых в школе.

Таким образом, пользоваться утверждением, обратным доказанной теореме, можно лишь тогда, когда оно также доказано.

Медиана, биссектриса и высота треугольника

Определение медианы, биссектрисы и высоты треугольника

Помимо сторон и углов, с треугольником связано несколько важных элементов, имеющих специальные названия.

Определение

Медианой треугольника называется отрезок, соединяющий вершину треугольника с серединой противолежащей стороны.

На рисунке 95 отрезок ВМ является медианой треугольника ABC. В любом треугольнике можно провести три медианы — по одной из каждой вершины. Далее будет доказано, что все они пересекаются в одной точке (рис. 96)

Определение:

Биссектрисой треугольника называется отрезок биссектрисы угла треугольника, соединяющий вершину этого угла с точкой на противолежащей стороне.

На рисунке 97 отрезок BL — биссектриса треугольника ABC. Обратим внимание на то, что, в отличие от биссектрисы угла, являющейся лучом, биссектриса треугольника — отрезок. Очевидно, что любой треугольник имеет три биссектрисы (рис. 98). Все они также пересекаются в одной точке (этот факт будет доказан далее).

Определение:

Высотой треугольника называется перпендикуляр. опущенный из вершины треугольника на прямую, которая содержит его противолежащую сторону.

[1] Подчеркнем, что здесь и далее, приводя утверждения, которые будут доказаны позднее, мы не будем ссылаться на них до того момента, когда они будут доказаны.

На рисунке 99 отрезок ВН — высота треугольника ABC.

По теореме о существовании и единственности перпендикуляра к прямой, из каждой вершины треугольника можно провести только одну его высоту. Высоты треугольника не обязательно лежат внутри него. В отличие от медиан и биссектрис, некоторые из высот могут совпадать со сторонами или проходить вне треугольника (рис. 100).

Высоты треугольника (или их продолжения) пересекаются в одной точке (это утверждение докажем позднее).

Свойство медианы, биссектрисы и высоты равнобедренного треугольника

Теорема: (свойство медианы, биссектрисы и высоты равнобедренного треугольника)

В равнобедренном треугольнике медиана, биссектриса и высота, проведенные к основанию, совпадают.

Доказательство:

Доказательство данной теоремы состоит из трех частей.

1) Пусть BD — медиана равнобедренного треугольника ABC , проведенная к основанию АС (рис. 101, а). Докажем, что BD является также биссектрисой и высотой треугольника ABC .

Рис. 101 Отрезок DB — медиана, биссектриса и высота равнобедренного треугольника ABC

Рассмотрим треугольники ABD и CBD . У них АВ = СВ по определению равнобедренного треугольника, как углы при основании равнобедренного треугольника, AD = CD по определению медианы. Следовательно, по первому признаку равенства треугольников. Из этого вытекает, что , то есть BD — биссектриса треугольника ABC .

Кроме того, а поскольку эти углы смежные, то оба они прямые. Значит, BD — высота треугольника ABC . Таким образом, отрезок BD — медиана треугольника ABC , проведенная к основанию,— является также биссектрисой и высотой треугольника.

2. Пусть теперь BD — биссектриса равнобедренного треугольника ABC, проведенная к основанию АС (рис. 101, б). Аналогично предыдущему случаю можно доказать, что BD является также медианой и высотой треугольника ABC. Действительно, в этом случае но второму признаку Отсюда AD=CD, то есть BD — медиана треугольника, и , то есть BD — высота треугольника.

3. Пусть BD — высота треугольника ABC . Докажем от противного, что BD является медианой и биссектрисой данного треугольника. Пусть существуют медиана и биссектриса , не совпадающие с — Тогда по доказанному выше отрезки и также являются высотами треугольника. Таким образом, из точки В к прямой АС проведены три различных перпендикуляра, что противоречит теореме о существовании и единственности перпендикуляра к прямой. Из этого противоречия следует, что отрезки и совпадают,

то есть BD — медиана и биссектриса данного треугольника.

Итак, в равнобедренном треугольнике медиана, биссектриса и высота, проведенные к основанию, совпадают.

Медиана — от латинского «медианус» — средний

В равностороннем треугольнике медиана, биссектриса и высота, проведенные из одной вершины, совпадают.

Теорема, обратная данной, также верна: если в треугольнике медиана, биссектриса и высота, проведанные из одной вершины, совпадают, то такой треугольник равнобедренный (докажите это утверждение самостоятельно).

На практике для решения задач вместо доказанной теоремы часто используют утверждение с условием совпадения лишь двух из трех указанных отрезков:

1. если в треугольнике медиана и высота, проведенные из одной вершины, совпадают, то такой треугольник равнобедренный;
2. если в треугольнике биссектриса и высота, проведенные из одной вершины, совпадают, то такой треугольник равнобедренный;
3. если в треугольнике медиана и биссектриса, проведенные из одной вершины, совпадают, то такой треугольник равнобедренный. Первые два утверждения докажите самостоятельно. Третье утверждение мы рассмотрим в п. 12.3.

Пример №19

Докажите равенство равнобедренных Треугольников по углу, противолежащему основанию, и медиане, проведенной к основанию

Решение:

Пусть и — данные равнобедренные треугольники с основаниями и , и — Медианы этих треугольников, причем (рис. 102). Докажем, что

Рассмотрим треугольники . По условию . Поскольку по свойству медианы биссектрисы и высоты равнобедренного треугольника и являются также биссектрисами равных углов и , то отрезки и — высоты равнобедренных треугольников, поэтому 90°. Таким образом,, по второму признаку равенства треугольников, откуда тогда и Значит, треугольники равны по перво му признаку равенства треугольников. • . ;

Дополнительные построения в геометрических задачах. Метод удвоения медианы .

Для решения некоторых геометрических задач необходимо проводить дополнительные построения, то есть достраивать отрезки и углы, не упомянутые в условии задачи. Это нужно для получения вспомогательных фигур, рассмотрение которых позволяет найти или доказать требуемое. Существуют определенные виды дополнительных построений, применяемые чаще других. Один из них мы рассмотрим в следующей задаче.

Пример №20

Если в треугольнике медиана и биссектриса, проведенные из одной вершины, совладают, то такой треугольник равнобедренный. Докажите.

Решение:

Пусть 80 — медиана и биссектриса данного треугольника ABC (рис; 103). Докажем, что треугольник ABC равнобедренный.

На луче ВD от точки D отложим отрезок равный BD (то есть удвоим медиану ВО). Рассмотрим треугольники У них АD = СD по определению медианы, по построению, как вертикальные. Таким образом, по первому признаку равенства треугольников. Отсюда следует, что . Рассмотрим теперь треугольник С учетом того, что BD — биссектриса угла ABC , имеем тогда По признаку равнобедренного треугольника, треугольник равнобедренный с основанием Отсюда а поскольку по доказанному Таким образом, треугольник ABC равнобедренный, что и требовалось доказать.

[1] Здесь и далее звездочкой обозначен теоретический материал, изучение которого не является обязательным.

Проанализируем решение этой задачи. Отображение всех данных условия на рисунке не выявило набора элементов, позволяющих сразу начать доказательство. Это обусловило необходимость дополнительного построения, благодаря которому образовался вспомогательный треугольник . Доказав его равенство с треугольником , мы получили дополнительные равенства отрезков и углов и решили задачу.

Дополнительное построение состояло в удвоении отрезка BD . Такое построение используется чаще всего именно для медиан треугольников, поэтому основанн ый на нем метод доказательства называют методом удвоения медианы.

Третий признак равенства треугольников и его применение

Третий признак равенства треугольников

Применим свойства равнобедренного треугольника для доказательства третьего признака равенства треугольников.

Теорема: (третий признак равенства треугольников — по трем сторонам)

Если три стороны одного треугольника соответственно равны трем сторонам другого треугольника, то такие треугольники равны.

Доказательство:

Пусть даны треугольники и , у которых . Докажем, что .

Приложим треугольник к треугольнику так, чтобы вершина А₁ совместилась с вершиной , вершина — с вершиной В, а точки и лежали по разные стороны от прямой АВ. Возможны три случая:

1. луч проходит внутри угла АСВ (рис. 107, а);
2. луч проходит вне угла АСВ (рис. 107, б);
3. луч совпадает с одной из сторон угла АСВ (рис. 107, в).

Рис. Прикладывание треугольника к треугольнику

Рассмотрим случаи 1 и 2, Поскольку по условию теоремы и , то треугольники и равнобедренные с основанием . По свойству равнобедренного треугольника . Тогда как суммы (или разности) равных углов. Таким образом, по первому признаку равенства треугольников. В случае 3 равенство углов и следует из свойства равнобедренного треугольника с основанием, а дальнейшее доказательство проводится аналогично. Теорема доказана.

Обобщая признаки равенства треугольников, можно увидеть, что во всех трех признаках равенство треугольников следует из равенства трех пар соответствующих элементов. И это не случайно: как правило, треугольник можно задать (построить) именно по трем элементам, но не произвольным, а определяющим единственный треугольник. Например, треугольник однозначно определяется длинами трех его сторон (это следует из только что доказанного третьего признака). Однако, например, градусные меры трех углов не задают треугольник однозначно. Попробуйте самостоятельно построить соответствующий контрпример — два неравных треугольника с соответственно равными углами.

Пример №21

Докажите равенство треугольников по двум сторонам и медиане, проведенной к одной из них.

Решение:

Пусть и — данные треугольники с медианами и , соответственно, причем (рис. 108). Рассмотрим сначала треугольники и В них и , по условию, как половины равных сторон и то есть по третьему признаку. Отсюда, в частности, следует, что Тогда по первому признаку по условию, по доказанному).

Свойства и признаки

Проанализируем признаки равенства треугольников. Все эти утверждения одинаковы по структуре: если треугольники имеют некоторую особенность, то они равны. Эта особенность (равенство трех пар соответствующих элементов) и составляет признак равенства треугольников. Нетрудно догадаться по аналогии, что, скажем, признак параллельности прямых может выглядеть так: «Если две прямые имеют определенную особенность, то они параллельны» (вспомните, рассматривались ли ранее похожие утверждения).

Во многих геометрических утверждениях мы получаем новые особенности фигур с помощью уже известных: например, если два угла вертикальные, то они равны. В этом случае равенство является свойством вертикальных углов. По аналогии, свойство смежных углов будет иметь следующий вид: «Если два угла смежные, то они имеют определенную особенность». Нетрудно догадаться, какое из изученных утверждений является свойством смежных углов.

Отметим еще один интересный факт. Если нам дан равнобедренный треугольник, то равенство двух его углов — свойство равнобедренного треугольника. Если же из условия равенства двух углов некоторого треугольника мы делаем заключение, что этот треугольник равнобедренный, то равенство этих углов — признак равнобедренного треугольника. Таким образом, одна и та же особенность фигуры в зависимости от условия задачи может рассматриваться либо как свойство, либо как признак.

Приведем примеры свойств и признаков, не связанные с геометрией. Наличие длинной шеи является свойством жирафа (если животное — жираф, то оно имеет длинную шею). Но длинную шею имеют также и страусы, то есть не любое животное с длинной шеей — жираф. Таким образом, наличие длинной шеи не является признаком жирафа. Другой пример: повышение температуры — признак болезни (ведь если у человека высокая температура, то он болен), но повышение температуры не свойство болезни (ведь многие болезни не сопровождаются повышением температуры). И наконец, пример из арифметики: последняя цифра 0 — и свойство, и признак чисел, которые делятся на 10.

Попробуйте привести собственные примеры свойств и признаков, изучаемых в школе.

Признаки параллельности прямых

Углы, образованные при пересечении двух прямых третьей

Пусть прямая с пересекает каждую из двух прямых a и b (рис. 118). В таком случае говорят, что прямая с является секущей прямых а и b. При таком пересечении двух прямых третьей образуются пары неразвернутых углов, имеющих специальные названия:

• внутренние накрест лежащие углы лежат между прямыми а и b по разные стороны от секущей: 3 и 6, 4 и 5;
• внутренние односторонние углы лежат между прямыми а и & по одну сторону от секущей: 3 и 5, 4 и 6;
• соответственные углы лежат по одну сторону от секущей, причем сторона одного из них является частью стороны другого: 1 и 5, 3 и 7, 2 и 6, 4 и 8.

Признаки параллельности прямых

Вы уже изучили две теоремы, которые утверждают, что две прямые параллельны:

1. если две прямые параллельны третьей, то они параллельны;
2. если две прямые перпендикулярны третьей, то они параллельны.

Докажем еще несколько признаков параллельности прямых.

Теорема: (признак параллельности двух прямых, которые пересекаются секущей)

Если при пересечении двух прямых, секущей внутренние накрестлежащие углы равны; то прямые параллельны.

Доказательство:

Пусть прямая с пересекает прямые а и b в точках А и В соответственно, причем (рис. 119). Докажем, что .

Если углы 1 и 2 прямые, то и . Тогда по теореме о двух прямых, перпендикулярных третьей. Рассмотрим случай, когда углы 1 и 2 не прямые. Проведем из точки О — середины отрезка АВ — перпендикуляр , к прямой O. Пусть Н₂ — точка пересечения прямых

Рассмотрим треугольники и . У них по условию, как вертикальные и по построению. Итак, по второму признаку равенства треугольников. Отсюда то есть прямая перпендикулярна прямым а и b. Тогда по теореме о двух прямых, перпендикулярных третьей. Теорема доказана.

Для доказательства параллельности прямых можно использовать не только внутренние накрест лежащие углы, но и другие пары образовавшихся углов.

Если при пересечении двух прямых секущей сумма внутренних односторонних углов равна , то прямые параллельны.

Действительно, если (рис. 120) и по теореме о смежных углах , то Тогда по доказанной теореме .

Если при пересечении двух прямых секущей соответственные углы равны, то прямые параллельны.

Действительно, если (рис. 121), a как вертикальные, то Тогда но доказанной теореме

Следствия 1 и 2 можно объединить с доказанной теоремой в одно утверждение, выражающее признаки параллельности прямых.

Если при пересечении двух прямых секущей выполняется хотя бы одно из условий:

1. внутренние накрест лежащие углы равны;
2. сумма внутренних односторонних углов равна 180°;
3. соответственные углы равны, то данные прямые параллельны.

Если выполняется одно из трех приведенных условий, то выполняются и два других (докажите это самостоятельно).

Пример №22

На рисунке 122 — биссектриса угла Докажите, что

Решение:

По условию задачи треугольник равнобедренный с основанием По свойству углов равнобедренного треугольника Вместе с тем так как АС — биссектриса угла BAD. Отсюда, Углы 2 и 3 внутренние накрест лежащие при прямых и секущей Поскольку эти уг лы равны, то по признаку параллельности прямых что и требовалось доказать.

О существовании прямой, параллельной данной

Доказанные признаки параллельности прямых позволяют подробнее проанализировать формулировку аксиомы параллельных прямых (аксиомы Евклида, п. 4.1). В этой аксиоме утверждалась единственность прямой, проходящей через данную точку и параллельной данной прямой, но не утверждалось ее существование.

На основании признака параллельности прямых существование такой прямой можно доказать.

Пусть даны прямая АВ и точка С, не принадлежащая этой прямой (рис. 123). Проведем прямую АС. От луча СА отложим угол ACD, равный углу CAB, так, как показано на рисунке. Тогда углы ACD и CAB — внутренние накрест лежащие при прямых АВ и CD и секущей АС. По доказанному признаку AB || CD , то есть существует прямая, проходящая через точку С параллельна прямой АВ.

Таким образом, мы можем объединить доказанный факт с аксиомой параллельных прямых в следующей теореме.

Теорема: (о существовании и единственности прямой, параллельной данной)

Через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести прямую, параллельную данной, я притом только одну.

Вообще, аксиома Евклида и связанные с ней утверждения были предметом особого внимания ученых на протяжении многих веков. В начале позапрошлого столетия выдающийся русский математик Николай Иванович Лобачевский создал неевклидову геометрию, в которой аксиома параллельных прямых не выполняется.

Свойства углов, образованных при пересечении параллельных прямых секущей.

Теорема о свойствах углов, образованных при пересечении параллельных прямых секущей

В предыдущем параграфе мы установили соотношения углов между двумя прямыми и секущей, гарантирующие параллельность данных прямых. Но обязательно ли эти соотношения сохраняются для любой пары параллельных прямых, пересеченных секущей? Докажем утверждение, обратное признаку параллельности прямых.

Теорема: (свойства углов, образованных при пересечении параллельных прямых секущей)

Если секущая пересекает две параллельные прямые, то:

1. внутренние накрестлежащие углы равны;
2. сумма внутренних односторонних углов равна 180°;
3. соответственные углы равны.

Доказательство:

Докажем первое из утверждений теоремы.

Пусть секущая с пересекает параллельные прямые а и b в точках A и В соответственно (рис. 132). Докажем методом от противного, что внутренние накрест лежащие углы при этих прямых равны.

Пусть эти углы не равны. Проведем через точку А прямую так, чтобы внутренние накрест лежащие углы при прямых и b и секущей с были равны. Тогда по признаку параллельности прямых имеем Но по условию теоремы, а по аксиоме параллельных прямых через точку А можно провести лишь одну прямую, параллельную b. Таким образом, мы получили противоречие.

Следовательно, наше предположение ошибочно, то есть внутренние накрест лежащие углы равны. Из доказанного утверждения нетрудно получить другие два утверждения теоремы (сделайте это самостоятельно).

Следствие Если прямая перпендикулярна одной из двух параллельных прямых, то она перпендикулярна и другой прямой

Это следствие обоснуйте самостоятельно по рисунку 133.

Пример №23

Сумма двух внутренних углов, образовавшихся при пересечении двух параллельных прямых секущей, равна 210°. Найдите все образовавшиеся углы.

Решение:

Пусть а || b, с — секущая. Внутренние углы, о которых говорится в условии, могут быть односторонними, накрест лежащими или смежными. Поскольку при пересечении параллельных прямых секущей сумма внутренних односторонних углов равна 180° и сумма смежных углов также равна 180°, то данные углы — внутренние накрест лежащие. Пусть (рис. 134). Поскольку то Тогда:

°, так как углы 1 и 5 соответственные; , так как углы 3 и 5 внутренние односторонние; так как углы 2 и 3 вертикальные; так как углы 5 и 6 смежные; так как углы 7 и 3 соответственные; так как углы 8 и 4 соответственные.

Расстояние между параллельными прямыми

Как вы уже знаете, расстояние от точки до прямой — это длина перпендикуляра, опущенного из данной точки на прямую. Можно предположить, что расстояние между параллельными прямыми тоже будет определяться с помощью перпендикуляра. Но прежде чем сформулировать определение, докажем еще одно свойство параллельных прямых.

Теорема: (о расстояниях от точек прямой до параллельной прямой)

Расстояния от любых двух точек прямой до параллельной ей прямой равны

Доказательство:

Пусть а и b — данные параллельные прямые, — расстояния от точек и прямой до прямой (рис. 135). Докажем, что

Поскольку по определению расстояния от точки до прямой и , то по теореме о двух прямых, перпендикулярных третьей,

Рассмотрим треугольники и У них сторона общая, как внутренние накрест лежащие при параллельных прямых и и секущей как внутренние накрест лежащие при параллельных прямых и и секущей . Таким образом, по второму признаку равенства треугольников, откуда Теорема доказана.

Из только что доказанной теоремы следует, что расстояние от точки прямой а до прямой b не зависит от выбора точки, то есть одинаково для всех точек прямой a. Это позволяет сформулировать следующее определение.

Определение:

Расстоянием между параллельными прямыми называется расстояние от любой точки одной из этих прямых до другой прямой.

Таким образом, расстояние между параллельными прямыми — длина перпендикуляра, опущенного из произвольной точки одной прямой на другую прямую.

На рисунке 136 то есть АВ — расстояние между прямыми а и b. Заметим, что по следствию теоремы о свойствах углов, образованных при пересечении параллельных прямых секущей, , то есть — общий перпендикуляр к прямым а и b.

Сумма углов треугольника

Теорема о сумме углов треугольника и ее следствия

Теорема: (о сумме углов треугольника)

Сумма углов треугольника равна 180°.

Доказательство:

Пусть ABC — произвольный треугольник. Докажем, что Проведем через вершину В прямую b , параллельную АС (рис. 141). Тогда углы 1 и 4 равны как внутренние накрест лежащие при параллельных прямых b и АС и секущей АВ. Аналогично как внутренние накрест лежащие при тех же параллельных прямых, но секущей ВС. Имеем: Теорема доказана.

В любом треугольнике по крайней мере два угла острые.

Действительно, если треугольник имел бы два неострых угла (тупых или прямых), то сумма всех углов превышала бы 180°, что противоречит доказанной теореме.

Каждый угол равностороннего треугольника равен 60°.

Поскольку все углы равностороннего треугольника равны, то каждый из них равен .

Рассмотрим еще одно важное утверждение, которое следует из доказанной теоремы.

Пример №24

Если в равнобедренном треугольнике один из углов равен 60°, то этот треугольник равносторонний. Докажите.

Решение:

Пусть ABC — равнобедренный треугольник с основанием АС. Рассмотрим два случая.

1. Пусть угол 60° — один из углов при основании, например (рис. 142, а). Тогда как углы при основании равнобедренного треугольника. Таким образом, Значит, то есть ABC — равносторонний треугольник.
2. Пусть угол 60° — угол, противолежащий основанию, то есть (рис. 142, б). Тогда как углы при основании равнобедренного треугольника. Каждый из этих углов равен (180° — 60°) : 2 = 60°. Снова имеем, что все углы треугольника ABC равны, значит, этот треугольник равносторонний.

Только что решенная задача является опорной, то есть на нее можно ссылаться при решении других задач, кратко пересказывая ее содержание. В дальнейшем условия таких задач в учебнике будут выделены полужирным шрифтом и словом «опорная».

Виды треугольников по величине углов. Классификация

Как уже было доказано, любой треугольник имеет не менее двух острых углов. Это означает, что возможны три случая:

1. все углы треугольника острые — остроугольный треугольник;
2. два угла треугольника острые, а третий угол прямой — прямоугольный треугольник;
3. два угла треугольника острые, а третий угол тупой — тупоугольный треугольник.

Исходя из этого, все треугольники можно разделить по величине углов на три вида: остроугольные, прямоугольные и тупоугольные (рис. 143).

Обратим внимание на то, что величина углов — это признак, по которому любой данный треугольник можно отнести лишь к одному из трех названных видов. Такое деление объектов на отдельные виды по определенному признаку называют классификацией. Признак, по которому осуществляется классификация, является ее основанием. Так, треугольники можно разделить и по другому основанию — длине сторон — на разносторонние (то есть не имеющие равных сторон), равнобедренные, но не равносторонние (у которых только две стороны равны) и равносторонние треугольники.

Классификация считается правильной, если любой из объектов можно отнести лишь к одному из названных классов. Так, неправильно будет разделять прямые на плоскости по взаимному расположению на параллельные, пересекающиеся и перпендикулярные (ведь перпендикулярность — частный случай пересечения). Ошибочно подразделять по величине неразвернутые углы на острые и тупые, поскольку есть еще и прямые углы.

Очень важно проводить классификацию лишь по одному основанию. Например, неверным было бы разделять треугольники на остроугольные, прямоугольные, тупоугольные и равнобедренные, ведь равнобедренным может быть и остроугольный, и прямоугольный, и тупоугольный треугольник. Допустить такую ошибку — то же самое, что разделить всех людей на мужчин, женщин и учителей.

Примеры классификаций нетрудно найти и в других науках. Так, филологи делят члены предложения на главные (подлежащее и сказуемое) и второстепенные (дополнение, определение и обстоятельство). Попробуйте найти примеры классификации в физике, географии, биологии.

Внешний угол треугольника

Определение:

Внешним углом треугольника называется угол, смежный с внутренним углом данного треугольника.

На рисунке 144 угол DAB — внешний угол треугольника ABC при вершине А.

Очевидно, что при любой вершине треугольника можно построить два внешних угла, которые по отношению друг к другу являются вертикальными (рис. 145).

Теорема: (о внешнем угле треугольника)

Внешний угол треугольника равен сумме двух внутренних углов, не смежных с ним.

Доказательство:

Пусть углы 1, 2 и 3 — внутренние углы треугольника ABC, a — внешний угол, смежный с углом 1 (рис. 146). По теореме о сумме углов треугольника С другой стороны, по теореме о смежных углах Отсюда, что и требовалось доказать.

Сумма внешних углов треугольника, взятых по одному при каждой вершине, равна 360°.

Действительно, по доказанной теореме (рис. 146) Тогда для их суммы имеем:

Прямоугольные треугольники

Элементы прямоугольного треугольника

Как известно, прямоугольный треугольник имеет один прямой и два острых угла. Сторона прямоугольного треугольника, противолежащая прямому углу, называется гипотенузой, две другие стороны — катетами. На рисунке 147 в треугольнике , AC — гипотенуза, АВ и ВС — катеты.

Из теоремы о сумме углов треугольника следует: сумма острых углов прямоугольного трек- угольника равна 90°. Имеет место и обратное утверждение — признак прямоугольного треугольника: если в треугольнике сумма двух углов равна 90°, то этот треугольник прямоугольный.

Признаки равенства прямоугольных треугольников

Пользуясь признаками равенства треугольников и теоремой о сумме углов треугольника, можно сформулировать признаки равенства, характерные только для прямоугольных треугольников.

Приведем сначала два из них.

Признак равенства прямоугольных треугольников по двум катетам (рис. 148) Если два катета одного прямоугольного треугольника соответственно равны двум катетам другого прямоугольного треугольника, то такие треугольники равны.

Признак равенства прямоугольных треугольников по катету и прилежащему острому углу (рис. 149)

Если катет и прилежащий к нему острый угол одного прямоугольного треугольника соответственно равны катету и прилежащему к нему острому углу другого прямоугольного треугольника, то такие треугольники равны.

Данные признаки — частные случаи первого и второго признаков равенства треугольников.

Следующие два признака нетрудно получить из второго признака равенства треугольников, используя теорему о сумме углов треугольника.

Признак равенства прямоугольных треугольников по катету и противолежащему углу (рис. 150) Если катет и противолежащий ему угол одного прямоугольного треугольника соответственно равны катету и противолежащему ему углу другого прямоугольного треугольника, то такие треугольники равны.

Признак равенства прямоугольных треугольников по гипотенузе и острому углу (рис. 151)

Если гипотенуза и острый угол одного прямоугольного треугольника соответственно равны гипотенузе и острому углу другого прямоугольного треугольника, то такие треугольники равны.

Действительно, если данный треугольники имеют по равному острому углу , то другие острые углы этих треугольников равны , то есть также соответственно равны.

Еще один признак равенства прямоугольных треугольников докажем отдельно.

Гипотенуза — от греческого «гипотейнуса» — стягивающая. Название связано со способом построения прямоугольных реугольников натягиванием бечевки.

Теорема: (признак равенства прямоугольных треугольников по гипотенузе и катету)

Если гипотенуза и катет одного прямоугольного треугольника соответственно равны гипотенузе и катету другого прямоугольного треугольника, то такие треугольники равны.

Доказательство:

Пусть — данные прямоугольные треугольники, в которых 90° , (рис. 152). Докажем, что

На продолжениях сторон и отложим отрезки и , равные катетам и соответственно. Тогда и , по двум катетам. Таким образом, . Это значит, что по трем сторонам. Отсюда И наконец, , по гипотенузе и острому углу. Теорема доказана.

Обратим внимание на дополнительное построение, состоящее в достраивании прямоугольного треугольника до равнобедренного.

Такой прием позволяет применять свойства равнобедренного треугольника при решении задач, в условиях которых о равнобедренном треугольнике речь не идет.

Рис. 152. Прямоугольные треугольники ABC и равны по гипотенузе и катету.

Прямоугольный треугольник с углом 30°

Прямоугольный треугольников котором один из острых углов равен 30°, имеет полезное свойство.

Опорная задача

В прямоугольном треугольнике катет, противолежащий углу 30°, равен половине гипотенузы. Докажите.

Решение

Пусть в треугольнике . Докажем, что Очевидно, что в треугольнике Отложим на продолжении стороны отрезок , равный (рис. 153). Прямоугольные треугольники равны по двум катетам. Отсюда следует, что и Таким образом, треугольник равносторонний, а отрезок — его медиана, то есть что и требовалось доказать.

Имеет место также обратное утверждение (опорное): если катет прямоугольного треугольника равен половине гипотенузы, то угол, противолежащий данному катету, равен 30°.

Попробуйте доказать это утверждение самостоятельно при помощи дополнительного построения, аналогичного только что описанному.

Катет — от греческого «катетос» — отвес.

Сравнение сторон и углов треугольника

Соотношения между сторонами и углами треугольника

Теорема: (соотношения между сторонами и углами треугольника)

1. против большей стороны лежит больший угол;
2. против большего угла лежит большая сторона.

Доказательство:

Данная теорема содержит два утверждения — прямое и обратное. Докажем каждое из них отдельно.

1. Пусть в треугольнике . Докажем, что . Отложим на стороне АВ отрезок AD, равный стороне АС (рис. 156). Поскольку то точка D лежит между точками А к В, значит, угол 1 является частью угла С, то есть Очевидно, что треугольник ADC равнобедренный с основанием DC, откуда Кроме того, угол 2 — внешний угол треугольника , поэтому . Следовательно, имеем: откуда

2. Пусть в треугольнике Докажем от противного, что . Если это не так, то или . В первом случае треугольник ABC равнобедренный с основанием ВС, то есть . Во втором случае, по только что доказанному утверждению, против большей стороны должен лежать больший угол, то есть . В обоих случаях имеем противоречие условию . Таким образом, наше предположение неверно, то есть . Теорема доказана.

В тупоугольном треугольнике сторона, лежащая против тупого угла, — наибольшая.

В прямоугольном треугольнике гипотенуза больше катета.

Неравенство треугольника

Теорема: (неравенство треугольника)

В треугольнике длина каждой стороны меньше суммы длин двух других сторон.

Доказательство:

Рассмотрим произвольный треугольник ABC и докажем, что . Отложим на продолжении стороны АВ отрезок BD, равный стороне ВС (рис. 157). Треугольник BСD равнобедренный с основанием CD, откуда Но угол 2 является частью угла ACD, то есть Таким образом, в треугольнике . Учитывая соотношение между сторонами и углами тре угольника, имеем: Теорема доказана.

Если для трех точек А, В, С справедливо равенство АС = АВ + ВС, то эти тонки лежат на одной прямой, причем точка В лежит между точками А и С.

Действительно, если точка В не лежит на прямой АС, то по неравенству треугольника АС АВ + ВС . Если точка В лежит на прямой АС вне отрезка АС, это неравенство также очевидно справедливо. Остается единственная возможность: точка В лежит на отрезке АС.

Неравенство треугольника позволяет проанализировать возможность построения треугольника с заданными сторонами. В частности, если хотя бы одно из трех положительных чисел а, b, с больше или равно сумме двух других, то построить треугольник со сторонами а, b, с невозможно.

С неравенством треугольника связана классическая задача о нахождении кратчайшего пути на плоскости. Ее решение было известно еще великому древнегреческому ученому Архимеду (287—212 гг. до н. э.).

Пример №25

Точки А и В лежат по одну сторону от прямой с. Найдите на данной прямой такую точку С, чтобы сумма расстояний АС + СВ была наименьшей (рис. 158).

Решение:

Опустим из точки А перпендикуляр АО к прямой с и отложим на его продолжении отрезок равный Для любой точки С прямой с прямоугольные треугольники равны по двум катетам, откуда Очевидно, что по следствию неравенства треугольника сумма будет наименьшей в случае, когда точки лежат на одной прямой. Таким образом, искомая точка должна быть точкой пересечения отрезка с прямой с.

Отметим, что в условиях данной задачи прямые АС и СB образуют с прямой с равные углы. Именно так распространяется луч света, который исходит из точки A, отражается от прямой с и попадает в точку В. Физики в таком случае говорят, что угол падения светового луча равен углу отражения.

Историческая справка

Аксиомы Евклида. Аксиомы, сформулированные Евклидом, легли в основу современной геометрии. Ученые на протяжении более двух тысяч лет исследовали, возможно ли доказать некоторые из евклидовых постулатов (аксиом), опираясь на другие. Особое внимание вызывала аксиома параллельных прямых (аксиома Евклида). Среди великих геометров прошлого не было, пожалуй, ни одного, кто не попытался бы доказать ее как теорему. И только в начале XIX века выдающийся русский математик Николай Иванович Лобачевский (1792—1856) доказал, что эту аксиому невозможно вывести из других аксиом.

Неевклидова геометрия. Лобачевский создал другую, неевклидову геометрию. По Лобачевскому, прямая, параллельная данной прямой и проходящая через данную точку вне ее, не является единственной. Большинство современников это открытие не приняли. Такая же судьба постигла и работы других ученых, получивших аналогичные результаты: венгра Яноша Больяи и немца Карла Гаусса. И только через столетие неевклидова геометрия была признана и оценена как выдающееся научное открытие.

Становление геометрической аксиоматики. В XX в. исследования вопросов аксиоматического построения геометрии вышли на качественно новый уровень. Немецкий математик Давид Гильберт (1862—1943) обобщил и усовершенствовал систему евклидовых аксиом. Авторский вариант геометрических аксиом, разработанный на основе трудов Евклида и Гильберта, предложил наш соотечественник Алексей Васильевич Погорелов (1919-2002).

Геометрия треугольников. Евклид ввел понятие о равенстве геометрических фигур, совмещаемых наложением. В исследованиях древнегреческих геометров многие задачи и теоремы сводились к доказательству равенства треугольников (доказательство второго признака равенства треугольников приписывают Фалесу). Грекам была известна и теорема о сумме углов треугольника (впервые она встречается в комментариях Прокла к «началам» Евклида).

Геометрия треугольника стала основой для изучения более сложных видов многоугольников, которые можно разбить на треугольники.

Справочный материал по треугольнику

Треугольники

Треугольник и его элементы. Равные треугольники

• ✓ Три точки А, В и С, не лежащие на одной прямой, соединены отрезками (рис. 245). Образовавшаяся фигура ограничивает часть плоскости, которую вместе с отрезками АВ, ВС и СА называют треугольником. Точки А, В, С называют вершинами, а отрезки АВ, ВС, СА — сторонами треугольника.

• ✓ Треугольник называют и обозначают по его вершинам.
• ✓ В треугольнике АВС угол В называют углом, противолежащим стороне АС, а углы А и С — углами, прилежащими к стороне АС.
• ✓ Периметром треугольника называют сумму длин всех его сторон.
• ✓ Треугольник называют остроугольным, если все его углы острые; прямоугольным, если один из его углов прямой; тупоугольным, если один из его углов тупой.
• ✓ Сторону прямоугольного треугольника, противолежащую прямому углу, называют гипотенузой, а стороны, прилежащие к прямому углу, — катетами.
• ✓ Неравенство треугольника. Каждая сторона треугольника меньше суммы двух других его сторон.
• ✓ Два треугольника называют равными, если их можно совместить наложением. Те пары сторон и углов, которые совмещаются при наложении равных треугольников, называют соответственными сторонами и соответственными углами.
• ✓ В треугольнике против равных сторон лежат равные углы.
• ✓ В треугольнике против равных углов лежат равные стороны.
• ✓ В треугольнике против большей стороны лежит больший угол, и наоборот, против большего угла лежит большая сторона.

Высота, медиана, биссектриса треугольника

• ✓ Перпендикуляр, опущенный из вершины треугольника на прямую, содержащую противолежащую сторону, называют высотой треугольника.
• ✓ Отрезок, соединяющий вершину треугольника с серединой противолежащей стороны, называют медианой треугольника.
• ✓ Отрезок биссектрисы угла треугольника, соединяющий вершину треугольника с точкой противолежащей стороны, называют биссектрисой треугольника.

Признаки равенства треугольников

• ✓ Первый признак равенства треугольников: по двум сторонам и углу между ними. Если две стороны и угол между ними одного треугольника равны соответственно двум сторонам и углу между ними другого треугольника, то такие треугольники равны.
• ✓ Второй признак равенства треугольников: по стороне и двум прилежащим к ней углам. Если сторона и два прилежащих к ней угла одного треугольника равны соответственно стороне и двум прилежащим к ней углам другого треугольника, то такие треугольники равны.
• ✓ Третий признак равенства треугольников: по трем сторонам. Если три стороны одного треугольника равны соответственно трем сторонам другого треугольника, то такие треугольники равны.

Равнобедренный треугольник и его свойства. Равносторонний треугольник

• ✓ Треугольник, у которого две стороны равны, называют равнобедренным.
• ✓ Равные стороны треугольника называют боковыми сторонами, а третью сторону — основанием равнобедренного треугольника.
• ✓ Вершиной равнобедренного треугольника называют общую точку его боковых сторон.

✓ В равнобедренном треугольнике:

• 1) углы при основании равны;
• 2) биссектриса треугольника, проведенная к его основанию, является медианой и высотой треугольника.

✓ Треугольник, у которого все стороны равны, называют равносторонним.

✓ В равностороннем треугольнике:

• 1) все углы равны;
• 2) биссектриса, высота и медиана, проведенные из одной вершины, совпадают.

Признаки равнобедренного треугольника

• ✓ Если в треугольнике два угла равны, то этот треугольник равнобедренный.
• ✓ Если медиана треугольника является его высотой, то этот треугольник равнобедренный.
• ✓ Если биссектриса треугольника является его высотой, то этот треугольник равнобедренный.
• ✓ Если медиана треугольника является его биссектрисой, то этот треугольник равнобедренный.

Сумма углов треугольника. Внешний угол треугольника

• ✓ Сумма углов треугольника равна 180°.
• ✓ Среди углов треугольника по крайней мере два угла острые.
• ✓ Внешним углом треугольника называют угол, смежный с углом этого треугольника.
• ✓ Внешний угол треугольника равен сумме двух углов треугольника, не смежных с ним.
• ✓ Внешний угол треугольника больше каждого из углов треугольника, не смежных с ним.

Средняя линия треугольника и ее свойства

Средней линией треугольника называют отрезок, соединяющий середины двух его сторон.

На рисунке 105 — средняя линия треугольника

Теорема 1 (свойство средней линии треугольника). Средняя линия треугольника, соединяющая середины двух его сторон, параллельна третьей стороне и равна ее половине.

Доказательство:

Пусть — средняя линия треугольника (рис. 105). Докажем, что и

1) Проведем через точку прямую, параллельную По теореме Фалеса она пересекает сторону в ее середине, то есть в точке Следовательно, эта прямая содержит среднюю линию Поэтому

2) Проведем через точку прямую, параллельную которая пересекает в точке Тогда (по теореме Фалеса). Четырехугольник — параллелограмм.

(по свойству параллелограмма), но

Поэтому

Пример №26

Докажите, что середины сторон четырехугольника являются вершинами параллелограмма, один из углов которого равен углу между диагоналями четырехугольника.

Доказательство:

Пусть — данный четырехугольник, а точки — середины его сторон (рис. 106). — средняя линия треугольника поэтому и Аналогично

Таким образом, Тогда — параллелограмм (по признаку параллелограмма).

— средняя линия треугольника Поэтому Следовательно, — также параллелограмм, откуда:

Рассмотрим свойство медиан треугольника.

Теорема 2 (свойство медиан треугольника). Медианы треугольника пересекаются в одной точке, которая делит каждую из них в отношении 2 : 1, считая от вершины треугольника.

Доказательство:

Пусть — точка пересечения медиан и треугольника (рис. 107).

1) Построим четырехугольник где — середина — середина

2) — средняя линия треугольника

поэтому и

3) — средняя линия треугольника поэтому и

4) Следовательно, и Значит, — параллелограмм (по признаку параллелограмма).

5) — точка пересечения диагоналей и параллелограмма поэтому Но Тогда и Следовательно, точка делит каждую из медиан и в отношении 2:1, считая от вершин и соответственно.

6) Точка пересечения медиан и должна также делить в отношении 2 : 1 каждую медиану. Поскольку существует единственная точка — точка которая в таком отношении делит медиану то медиана также проходит через эту точку.

7) Следовательно, три медианы треугольника пересекаются в одной точке и этой точкой делятся в отношении 2:1, считая от вершины треугольника.

Точку пересечения медиан еще называют центром масс треугольника, или центроидом треугольника.

Треугольник и его элементы

Треугольником называют фигуру, состоящую из трех точек, которые не лежат на одной прямой, и трех отрезков, соединяющих эти точки (рис. 267).

Точки — вершины треугольника; отрезки — стороны треугольника; — углы треугольника.

Периметром треугольника называют сумму длин всех его сторон.

Медианой треугольника называют отрезок, соединяющий вершину треугольника с серединой противолежащей стороны.

На рисунке 268 — медиана треугольника

Биссектрисой треугольника называют отрезок биссектрисы угла треугольника, соединяющий вершину треугольника с точкой противолежащей стороны.

На рисунке 269 — биссектриса треугольника

Высотой треугольника называют перпендикуляр, проведенный из вершины треугольника на прямую, содержащую его противолежащую сторону.

На рисунке 270 — высота Сумма углов треугольника равна 180°.

Неравенство треугольника. Каждая сторона треугольника меньше суммы двух других сторон.

В треугольнике: 1) против большей стороны лежит больший угол; 2) против большего угла лежит большая сторона.

Признаки равенства треугольников

Первый признак равенства треугольников (по двум сторонам и углу между ними). Если две стороны и угол между ними одного треугольника соответственно равны двум сторонам и углу между ними другого треугольника, то такие треугольники равны (рис. 271).

Второй признак равенства треугольников (по стороне и двум прилежащим к ней углам). Если сторона и два прилежащих к ней угла одного треугольника соответственно равны стороне и двум прилежащим к ней углам другого треугольника, то такие треугольники равны (рис. 272).

Третий признак равенства треугольников (по трем сторонам ). Если три стороны одного треугольника равны трем сторонам другого, то такие треугольники равны (рис. 273).

Виды треугольников

Треугольник называют равнобедренным, если две его стороны равны.

На рисунке 274 — равнобедренный, и — его боковые стороны, — основание.

Свойство углов равнобедренного треугольника. В равнобедренном треугольнике углы при основании равны.

Признак равнобедренного треугольника. Если в треугольнике два угла равны, то он равнобедренный.

Треугольник, все стороны которого равны, называют равносторонним.

На рисунке 275 — равносторонний.

Свойство углов равностороннего треугольника. Каждый угол равностороннего треугольника равен 60°.

Признак равностороннего треугольника. Если в треугольнике все углы равны, то он равносторонний.

Треугольник, все стороны которого имеют разную длину, называют разносторонним.

Свойство биссектрисы равнобедренного треугольника. В равнобедренном треугольнике биссектриса, проведенная к основанию, является медианой и высотой.

На рисунке 276 биссектриса проведенная к основанию равнобедренного треугольника является его медианой и высотой.

В зависимости от углов рассматривают следующие виды треугольников:

• остроугольные (все углы которого — острые — рис. 277);
• прямоугольные (один из углов которых — прямой, а два других — острые — рис. 278);
• тупоугольные (один из углов которых — тупой, а два других — острые — рис. 279).

Внешний угол треугольника

Внешним углом треугольника называют угол, смежный с углом этого треугольника.

На рисунке 280 — внешний угол треугольника

Свойство внешнего угла треугольника. Внешний угол треугольника равен сумме двух внутренних углов, не смежных с ним, то есть

Прямоугольные треугольники

Если то — прямоугольный (рис. 281). и — катеты прямоугольного треугольника; — гипотенуза прямоугольного треугольника.

Свойства прямоугольных треугольников:

1. Сумма острых углов прямоугольного треугольника равна 90°.
2. Гипотенуза больше любого из катетов.
3. Катет, противолежащий углу 30°, равен половине гипотенузы.
4. Если катет равен половине гипотенузы, то противолежащий ему угол равен 30°.
5. В прямоугольном треугольнике медиана, проведенная к гипотенузе, равна ее половине.

Признаки равенства прямоугольных треугольников:

1. По двум катетам. Если катеты одного прямоугольного треугольника соответственно равны катетам другого, то такие треугольники равны.
2. По катету и прилежащему острому углу. Если катет и прилежащий к нему острый угол одного прямоугольного треугольника соответственно равны катету и прилежащему к нему углу другого, то такие треугольники равны.
3. По гипотенузе и острому углу. Если гипотенуза и острый угол одного прямоугольного треугольника соответственно равны гипотенузе и острому углу другого, то такие треугольники равны.
4. По катету и противолежащему углу. Если катет и противолежащий ему угол одного прямоугольного треугольника соответственно равны катету и противолежащему ему углу другого, то такие треугольники равны.
5. По катету и гипотенузе. Если катет и гипотенуза одного прямоугольного треугольника равны соответственно катету и гипотенузе другого, то такие треугольники равны.

Всё о треугольнике

Как, не накладывая треугольники один на другой, узнать, что они равны? Какими особыми свойства ми обладают равнобедренный и равносторонний треугольники? Как «устроена» теорема?

На эти и многие другие вопросы вы найдете ответы в данном параграфе.

Равные треугольники. Высота, медиана, биссектриса треугольника

Рассмотрим три точки , , , не лежащие на одной прямой. Соединим их отрезками , , . Полученная фигура ограничивает часть плоскости, выделенную на рисунке 109 зеленым цветом. Эту часть плоскости вместе с отрезками , и называют треугольником. Точки , , называют вершинами, а отрезки , , — сторонами треугольника.

Треугольник называют и обозначают по его вершинам. Треугольник, изображенный на рисунке 109, обозначают так: , или , или и т. д. (читают: «треугольник , треугольник » и т. д.). Углы , , (рис. 110) называют углами треугольника .

В треугольнике , например, угол называют углом, противолежащим стороне , углы и — углами, прилежащими к стороне , сторону — стороной, противолежащей углу , стороны и — сторонами, прилежащими к углу (рис. 110).

Определение. Периметром треугольника называют сумму длин всех его сторон.

Например, для периметра треугольника используют обозначение .

Определение. Треугольник называют прямоугольным, если один из его углов прямой; тупоугольным, если один из его углов тупой. Если все углы острые, то треугольник называют остроугольным (рис. 111).

Теорема7.1 (неравенство треугольника). Каждая сторона треугольника меньше суммы двух других его сторон.

Доказательство: Рассмотрим (рис. 109). Точка не принадлежит отрезку . Тогда в силу основного свойства длины отрезка . Аналогично доказывают остальные два неравенства: , .

Из доказанной теоремы следует, что если ZK длина одного из трех данных отрезков не меньше суммы длин двух других, то эти отрезки не могут служить сторонами треугольника (рис. 112).

Если любой из трех данных отрезков меньше суммы двух других, то эти отрезки могут служить сторонами треугольника.

Определение. Два треугольника называют равными, если их можно совместить наложением.

На рисунке 113 изображены равные треугольники и . Записывают: . Эти треугольники можно совместить так, что вершины и , и , и совпадут. Тогда можно записать: , .

Те стороны и те углы, которые совмещаются при наложении треугольников, называют соответственными сторонами и соответственными углами. Так, на рисунке 113 углы и , стороны и — соответственные.

Обычно на рисунках равные стороны отмечают одинаковым количеством черточек, а равные углы — одинаковым количеством дуг. На рисунке ИЗ таким способом отмечены соответственные стороны и углы.

Заметим, что в равных треугольниках против соответственных углов лежат соответственные стороны, и наоборот: против соответственных сторон лежат соответственные углы.

То, что для каждого треугольника существует равный ему треугольник, обеспечивает такое основное свойство равенства треугольников. Для данного треугольника и луча существует треугольник равный треугольнику , такой, что и сторона принадлежит лучу , а вершина лежит в заданной полуплоскости относительно прямой (рис. 114).

Теорема 7.2. Через точку, не принадлежащую данной прямой, проходит только одна прямая, перпендикулярная данной.

Доказательство: Рассмотрим прямую и не принадлежащую ей точку (рис. 115). Предположим, что через точку проходят две прямые и , перпендикулярные прямой .

В силу основного свойства равенства треугольников существует треугольник , равный треугольнику (рис. 116). Тогда . Отсюда , а значит, точки , ( лежат на одной прямой.

Аналогично доказывают, что точки также лежат на одной прямой. Но тогда прямые и имеют две точки пересечения: и . А это противоречит теореме 1.1. Следовательно, наше предположение неверно.

Возможно, вы заметили, что определения равных отрезков, равных углов и равных треугольников очень похожи. Поэтому целесообразно принять следующее

Определение. Две фигуры называют равными, если их можно совместить наложением.

На рисунке 117 изображены равные фигуры и . Пишут: . Понятно, что любые две прямые (два луча, две точки).

Определение. Перпендикуляр, опущенный из вершины треугольника на прямую, содержащую противоположную сторону, называют высотой треугольника.

На рисунке 118 отрезки и — высоты треугольника . Определение. Отрезок, соединяющий вершину треугольника с серединой противоположной стороны, называют медианой треугольника.

На рисунке 119 отрезок — медиана треугольника .

Определение. Отрезок биссектрисы угла треугольника, соединяющий вершину треугольника с точкой противоположной стороны, называют биссектрисой треугольника.

На рисунке 120 отрезок — биссектриса треугольника .

Далее, говоря «биссектриса угла треугольника», будем иметь в виду биссектрису треугольника, проведенную из вершины этого угла. Ясно, что каждый треугольник имеет три высоты, три медианы и три биссектрисы.

Часто длины сторон, противолежащих углам , обозначают соответственно . Длины высот обозначают , , , медиан — , , , биссектрис — . Индекс показывает, к какой стороне проведен отрезок (рис. 121).

Первый и второй признаки равенства треугольников

Если для треугольников и выполняются шесть условий , ,, , , то очевидно, что эти треугольники совпадут при наложении, значит, они равны. Попробуем уменьшить количество условий. Например, оставим лишь два равенства: и . Но тогда треугольники не обязательно окажутся равными (рис. 127).

Как же сократить список требований до минимума, но при этом сохранить равенство треугольников? На этот вопрос отвечают теоремы, которые называют признаками равенства треугольников.

Теорема 8.1 (первый признак равенства треугольников: по двум сторонам и углу между ними). Если две стороны и угол между ними одного треугольника равны соответственно двум, сторонам и углу между ними другого треугольника, то такие треугольники равны.

Доказательство: Рассмотрим треугольники и у которых (рис. 128). Докажем, что

Наложим на так, чтобы луч совместился с лучом , а луч совместился с лучом . Это можно сделать, так как по условию Поскольку по условию и , то при таком наложении сторона совместится со стороной , а сторона — со стороной . Следовательно, и полностью совместятся, значит, они равны.

Определение. Прямую, перпендикулярную отрезку и проходящую через его середину, называют серединным перпендикуляром отрезка.

На рисунке 129 прямая а является серединным перпендикуляром отрезка .

Теорема 8.2. Каждая точка серединного перпендикуляра отрезка равноудалена от концов этого отрезка.

Доказательство: Пусть — произвольная точка серединного перпендикуляра отрезка , точка — середина отрезка . Надо доказать, что . Если точка совпадает с точкой (а это возможно, так как — произвольная точка прямой а), то . Если точки и не совпадают, то рассмотрим треугольники и (рис. 130).

В этих треугольниках , так как — середина отрезка . Сторона — общая, . Следовательно, по первому признаку равенства треугольников. Значит, отрезки и равны как соответственные стороны равных треугольников.

Теорема 8.3 (второй признак равенства треугольников: по стороне и двум прилежащим к ней углам). Если сторона и два прилежащих к ней угла одного треугольника равны соответственно стороне и двум прилежащим к ней углам другого треугольника, то такие треугольники равны.

Доказательство: Рассмотрим треугольники и , у которых , , , (рис. 131). Докажем, что .

Наложим на так, чтобы точка совместилась с точкой , отрезок — с отрезком (это возможно, так как ) и точки и лежали в одной полуплоскости относительно прямой . Поскольку и то луч совместится с лучом , а луч — с лучом . Тогда точка — общая точка лучей и — совместится с точкой — общей точкой лучей и . Значит, и , полностью совместятся, следовательно, они равны.

Пример №27

На рисунке 132 точка — середина отрезка . Докажите, что .

Решение:

Рассмотрим и . , так как точка — середина отрезка . по условию. и равны как вертикальные. Следовательно, по / стороне и двум прилежащим углам. Рассмотрим и . , , так как . — общая сторона. Следовательно, по двум сторонам и углу между ними. Тогда .

Равнобедренный треугольник и его свойства

Определение. Треугольник, у которого две стороны равны, называют равнобедренным.

На рисунке 155 изображен равнобедренный треугольник , у которого .

Равные стороны треугольника называют боковыми сторонами, а третью сторону — основанием равнобедренного треугольника.

Вершиной равнобедренного треугольника называют общую точку его боковых сторон (точка на рисунке 155). При этом угол называют углом при вершине, а углы и — углами при основании равнобедренного треугольника.

Определение. Треугольник, у которого все стороны равны, называют равносторонним.

На рисунке 156 изображен равносторонний треугольник . Равносторонний треугольник — частный случай равнобедренного треугольника.

Теорема 9.1. В равнобедренном треугольнике: 1) углы при основании равны; 2) биссектриса угла при вершине является медианой и высотой.

Доказательство: Рассмотрим равнобедренный треугольник , у которого , отрезок — его биссектриса (рис. 157). Требуется доказать, что , , .

В треугольниках и сторона — общая, , так как по условию — биссектриса угла , стороны и равны как боковые стороны равнобедренного треугольника. Следовательно, по первому признаку равенства треугольников.

Отсюда можно сделать такие выводы:

1. и равны как соответственные углы в равных треугольниках;
2. отрезки и равны как соответственные стороны равных треугольников, следовательно, — медиана;
3. . Но . Отсюда следует, что , значит, — высота.

Из этой теоремы следует, что:

1. в треугольнике против равных сторон лежат равные углы;
2. в равнобедренном треугольнике биссектриса, высота и медиана, проведенные из его вершины, совпадают;
3. в равностороннем треугольнике все углы равны;
4. в равностороннем треугольнике биссектриса, высота и медиана, проведенные из одной вершины, совпадают.

Определение. Если в треугольнике все стороны имеют разную длину, то такой треугольник называют разносторонним.

Пример №28

Отрезок — медиана равнобедренного треугольника , проведенная к основанию. На сторонах и отмечены соответственно точки и так, что . Докажите равенство треугольников и .

Решение:

Имеем:, (рис. 158). Так как и , то . , поскольку медиана равнобедренного треугольника, проведенная к основанию, является его биссектрисой. — общая сторона треугольников и . Следовательно, по двум сторонам и углу между ними.

Признаки равнобедренного треугольника

В предыдущем пункте мы рассмотрели свойства равнобедренного треугольника. А как среди треугольников «распознавать» равнобедренные? На этот вопрос дают ответ следующие теоремы.

Теорема 10.1. Если медиана треугольника является его высотой, то этот треугольник равнобедренный.

Доказательство: Рассмотрим треугольник , у которого отрезок — медиана и высота. Надо доказать, что (рис. 168). Из условия теоремы следует, что прямая — серединный перпендикуляр отрезка .

Тогда по свойству серединного перпендикуляра .

Теорема 10.2. Если биссектриса треугольника является его высотой, то этот треугольник равнобедренный.

Доказательство: Рассмотрим треугольник , у которого отрезок — биссектриса и высота. Надо доказать, что (рис. 169). В треугольниках и сторона — общая, , так как по условию — биссектриса угла , , так как по условию — высота. Следовательно, по второму признаку равенства треугольников. Тогда стороны и равны как соответственные стороны равных треугольников.

Теорема 10.3. Если в треугольнике два угла равны, то этот треугольник равнобедренный.

Доказательство: Рассмотрим треугольник , у которого. Надо доказать, что .

Проведем серединный перпендикуляр стороны . Докажем, что прямая проходит через вершину .

Предположим, что это не так. Тогда прямая пересекает или сторону (рис. 170), или сторону (рис. 171).

Рассмотрим первый из этих случаев. Пусть — точка пересечения прямой со стороной . Тогда по свойству серединного перпендикуляра (теорема 8.2) . Следовательно, — равнобедренный, а значит . Но по условию. Тогда имеем: , что противоречит основному свойству величины угла (п. 3).

Аналогично получаем противоречие и для второго случая (рис. 171).

Следовательно, наше предположение неверно. Прямая проходит через точку (рис. 172), и по свойству серединного перпендикуляра .

Из этой теоремы следует, что в треугольнике против равных углов лежат равные стороны.

Теорема 10.4. Если медиана треугольника является его биссектрисой, то этот треугольник равнобедренный.

Доказательство: Рассмотрим треугольник , у которого отрезок — медиана и биссектриса (рис. 173). Надо доказать, что . На луче отложим отрезок , равный отрезку (рис. 173). В треугольниках и , так как по условию — медиана, по построению, и равны как вертикальные. Следовательно, по первому признаку равенства треугольников. Тогда стороны и , и равны как соответственные элементы равных треугольников. Поскольку — биссектриса угла , то . С учетом доказанного получаем, что . Тогда по теореме 10.3 — равнобедренный, откуда . Но уже доказано, что . Следовательно, .

Пример №29

В треугольнике проведена биссектриса (рис. 174), ,. Докажите, что .

Решение:

Так как и — смежные, то . Следовательно, в треугольнике .

Тогда — равнобедренный с основанием , и его биссектриса ( — точка пересечения и ) является также высотой, т. е. .

Третий признак равенства треугольников

Теорема 11.1 (третий признак равенства треугольников: по трем сторонам). Если три стороны одного треугольника равны соответственно трем сторонам другого треугольника, то такие треугольники равны.

Доказательство: Рассмотрим треугольники и (рис. 177), у которых , , (эти равенства указывают, какие стороны треугольников соответствуют друг другу). Докажем, что .

Расположим треугольники и , так, чтобы вершина совместилась с вершиной вершина — с а вершины и лежали в разных полуплоскостях относительно прямой (рис. 178). Проведем отрезок . Поскольку , то треугольник — равнобедренный, значит, . Аналогично можно доказать, что . Следовательно, . Тогда по первому признаку равенства треугольников.

Казалось бы, доказательство завершено. Однако мы рассмотрели лишь случай, когда отрезок пересекает отрезок во внутренней точке. На самом деле отрезок может проходить через один из концов отрезка , например, через точку (рис. 179), или не иметь общих точек с отрезком (рис. 180). В обоих этих случаях доказательства будут аналогичными приведенному. Проведите их самостоятельно.

Из третьего признака равенства треугольников следует, что треугольник — жесткая фигура. Действительно, если четыре рейки скрепить так, как показано на рисунке 181, а, то такая конструкция не будет жесткой (рис. 181, б, в).

Если же добавить еще одну рейку, создав два треугольника (рис. 181, г), то полученная конструкция станет жесткой.

Этот факт широко используют в практике (рис. 182).

Теорема 11.2. Если точка равноудалена от концов отрезка, то она принадлежит серединному перпендикуляру этого отрезка.

Доказательство: Пусть точка равноудалена от концов отрезка , т. е. (рис. 183). Рассмотрим треугольники и , где — середина отрезка . Тогда по третьему признаку равенства треугольников. Отсюда . Но сумма этих углов равна 180°, следовательно, каждый из них равен 90°. Значит, прямая — серединный перпендикуляр отрезка .

Заметим, что мы рассмотрели случай, когда точка не принадлежит прямой . Если точка принадлежит прямой , то она совпадает с серединой отрезка , а значит, принадлежит его серединному перпендикуляру.

Теоремы

Вы видите, что в учебнике появляется все больше и больше теорем. И это не удивительно: ведь геометрия в основном состоит из теорем и их доказательств. Формулировки всех теорем, которые мы доказали, состоят из двух частей. Первую часть теоремы (то, что дано) называют условием теоремы, вторую часть теоремы (то, что требуется доказать) — заключением.

Например, в теореме 8.1 (первый признак равенства треугольников) условием является то, что две стороны и угол между ними одного треугольника равны двум сторонам и углу между ними другого треугольника, а заключением — равенство треугольников.

Все знакомые вам теоремы можно условно разделить на теоремы-свойства и теоремы-признаки. Например, теорема 1.1 устанавливает свойство пересекающихся прямых, теорема 9.1 — свойство равнобедренного треугольника.

Теоремы-признаки перечисляют свойства, по которым можно распознать фигуру, т. е. отнести ее к тому или иному виду (классу). Так, теоремы-признаки равенства треугольников указывают требования, по которым два треугольника можно причислить к классу равных. Например, в теоремах 10.1-10.4 сформулированы свойства, по которым «распознают» равнобедренный треугольник. Теоремы, которые следуют непосредственно из аксиом или теорем, называют теоремами-следствиями или просто следствиями.

Например, теорема 7.1 (неравенство треугольника) является следствием из основного свойства длины отрезка. Свойство углов, противолежащих равным сторонам треугольника, является следствием из теоремы 9.1.

Если в теореме 8.2 о свойстве серединного перпендикуляра поменять местами условие и заключение, то получим теорему 11.2. В таких случаях теоремы называют взаимно обратными. Если какую-то из этих теорем назвать прямой, то вторую теорему будем называть обратной.

При формулировке обратной теоремы надо быть очень внимательными: не всегда можно получить истинное утверждение. Например, утверждение, обратное теореме 4.1 о сумме смежных углов, неверно. Действительно, если сумма каких-то двух углов равна 180°, то совершенно не обязательно, чтобы эти углы были смежными. В таких случаях говорят, что обратная теорема неверна. Вы знаете, что справедливость теоремы устанавливают путем логических рассуждений, т. е. доказательства.

Первая теорема этого учебника была доказана методом от противного. Название этого метода фактически отражает его суть. Мы предположили, что заключение теоремы 1.1 неверно. На основании этого предположения с помощью логических рассуждений был получен факт, который противоречил основному свойству прямой.

Методом от противного также были доказаны и другие теоремы, например теоремы 2.1, 5.1, 10.3.

Очень важно, чтобы доказательство теоремы было полным. Так, полное доказательство теоремы 11.1 (третий признак равенства треугольников) потребовало рассмотрения всех трех возможных случаев. Умение видеть все тонкости доказательства — важнейшее качество, формирующее математическую культуру. Если бы, например, при доказательстве теоремы 8.2 о свойстве серединного перпендикуляра мы не рассмотрели отдельно случай, когда точка является серединой отрезка , то обращение к треугольникам и было бы не совсем «законным». При доказательстве теоремы 10.4 (признак равнобедренного треугольника) мы использовали прием дополнительного построения: чертеж дополнили элементами, о которых не шла речь в условии теоремы. Этот метод является ключом к решению многих задач и доказательству ряда теорем. Поэтому очень важно научиться видеть «выгодное» (результативное) дополнительное построение.

А как приобрести такое «геометрическое зрение»? Вопрос непростой, и на него сложно ответить конкретными рекомендациями. Но все же мы советуем, во-первых, не быть равнодушными к геометрии, а полюбить этот красивый предмет, во-вторых, решать больше задач, чтобы развить интуицию и приобрести нужный опыт. Дерзайте!

Параллельные прямые. Сумма углов треугольника

Как установить параллельность двух прямых? Какими свойствами обладают параллельные прямые? Чему равна сумма углов любого треугольника? Какими свойствами обладает прямоугольный треугольник? Изучив материал этого параграфа, вы получите ответы на поставленные вопросы.

Параллельные прямые

Определение. Две прямые называют параллельными, если они не пересекаются.

На рисунке 192 изображены параллельные прямые и . Пишут: (читают: «прямые и параллельны» или «прямая а параллельна прямой »). Если два отрезка лежат на параллельных прямых, то их также называют параллельными.

На рисунке 193 отрезки и параллельны. Пишут: .

Также можно говорить о параллельности двух лучей, луча и отрезка, прямой и луча, отрезка и прямой. Например, на рисунке 194 изображены параллельные лучи.

Теорема 13.1 (признак параллельности прямых). Две прямые, перпендикулярные третьей прямой, параллельны.

Доказательство: На рисунке 195 и . Надо доказать, что.

Предположим, что прямые и пересекаются в некоторой точке (рис. 196). Тогда через точку , не принадлежащую прямой , проходят две прямые и , перпендикулярные прямой . Это противоречит теореме 7.2. Следовательно, .

Доказанная теорема позволяет с помощью линейки и угольника строить параллельные прямые (рис. 197).

Следствие. Через данную точку , не принадлежащую прямой , можно провести прямую , параллельную прямой .

Доказательство: Пусть точка не принадлежит прямой (рис. 198).

Проведем (например, с помощью угольника) через точку прямую , перпендикулярную прямой . Теперь через точку проведем прямую , перпендикулярную прямой . В силу теоремы 13.1 .

Можно ли через точку (рис. 198) провести еще одну прямую, параллельную прямой ? Ответ дает следующее

Основное свойство параллельных прямых (аксиома параллельности прямых). Через точку, не лежащую на данной прямой, проходит только одна прямая, параллельная данной.

Теорема 13.2. Если две прямые параллельны третьей прямой, то они параллельны.

Доказательство: Пусть и. Докажем, что .

Предположим, что прямые и не параллельны, а пересекаются в некоторой точке (рис. 199). Получается, что через точку проходят две прямые, параллельные прямой , что противоречит аксиоме параллельности прямых. Следовательно, .

Пример №30

Докажите, что если прямая пересекает одну из двух параллельных прямых, то она пересекает и другую.

Решение:

Пусть прямые и параллельны, прямая пересекает прямую в точке (рис. 200). Предположим, что прямая не пересекает прямую , тогда . Но в этом случае через точку проходят две прямые и , параллельные прямой , что противоречит аксиоме параллельности прямых. Следовательно, прямая пересекает прямую .

Признаки параллельности двух прямых

Если две прямые и пересечь третьей прямой , то образуется восемь углов (рис. 204). Прямую с называют секущей прямых а и .

• Углы 3 и 6, 4 и 5 называют односторонними.
• Углы 3 и 5, 4 и 6 называют накрест лежащими.
• Углы 6и 2, 5 и 1, 3 и 7, 4 и 8 называют соответственными.

Теорема 14.1. Если накрест лежащие углы, образующиеся при пересечении двух прямых секущей, равны, то прямые параллельны.

Доказательство: На рисунке 205 прямая является секущей прямых и , . Докажем, что .

Если (рис. 206), то параллельность прямых и следует из теоремы 13.1.

Пусть теперь прямая не перпендикулярна ни прямой , ни прямой . Отметим точку — середину отрезка (рис. 207). Через точку проведем перпендикуляр к прямой . Пусть прямая пересекает прямую в точке . Имеем: по условию; и равны как вертикальные.

Следовательно, по второму признаку равенства треугольников. Отсюда . Мы показали, что прямые и перпендикулярны прямой , значит, они параллельны.

Теорема 14.2. Если сумма односторонних углов, образующихся при пересечении двух прямых секущей, равна 180°, то прямые параллельны.

Доказательство: На рисунке 208 прямая является секущей прямых и , . Докажем, что .

Углы 1 и 3 смежные, следовательно, . Тогда . Но они накрест лежащие. Поэтому в силу теоремы 14.1 .

Теорема 14.3. Если соответственные углы, образующиеся при пересечении двух прямых секущей, равны, то прямые параллельны.

Доказательство: На рисунке 209 прямая является секущей прямых и , . Докажем, что .

Углы 1 и 3 равны как вертикальные. Следовательно, . Но они накрест лежащие. Поэтому в силу теоремы 14.1 . ▲

Пример №31

На рисунке 210 , . Докажите, что .

Решение:

Рассмотрим и . , — по условию. — общая сторона. Значит, по двум сторонам и углу между ними. Тогда . Кроме того, и — накрест лежащие при прямых и и секущей . Следовательно, .

Пятый постулат Евклида

В качестве аксиом выбирают очевидные утверждения. Тогда почему бы, например, теоремы 1.1-5.1 не включить в список аксиом: ведь они тоже очевидны? Ответ на этот вопрос совершенно ясен: если какое-то утверждение можно доказать с помощью аксиом, то это утверждение — теорема, а не аксиома.

С этих позиций очень поучительна история, связанная с пятым постулатом Евклида (напомним, что в рассказе «Из истории геометрии» мы сформулировали первых четыре постулата).

V постулат. И чтобы всякий раз, когда прямая при пересечении с двумя другими прямыми образует с ними односторонние углы, сумма которых меньше двух прямых, эти прямые пересекались с той стороны от секущей, с которой эта сумма меньше двух прямых углов (рис. 225).

Можно показать, что пятый постулат и сформулированная нами в п. 13 аксиома параллельности прямых равносильны, т. е. из постулата следует аксиома и наоборот — из аксиомы следует постулат.

Более 20 веков многие ученые пытались доказать пятый постулат (аксиому параллельности прямых), т. е. вывести его из других аксиом Евклида. Лишь в начале XIX века несколько матема- / тиков независимо друг от друга пришли ДР к выводу: утверждение, что через данную точку, не лежащую на данной, прямой, можно провести только одну прямую, парал- а + р 0 .

Доказательство: Рассмотрим произвольный треугольник . Требуется доказать, что .

Через вершину проведем прямую , параллельную прямой (рис. 245). Имеем: и равны как накрест лежащие при параллельных прямых и и секущей . Аналогично доказываем, что . Но углы 1, 2, 3 составляют развернутый угол с вершиной . Следовательно, .

Следствие. Среди углов треугольника хотя бы два угла острые.

Докажите эту теорему самостоятельно.

Определение. Внешним углом треугольника называют угол, смежный с углом этого треугольника.

На рисунке 246 углы 1, 2, 3 являются внешними углами треугольника .

Теорема 16.2. Внешний угол треугольника равен сумме двух углов треугольника, не смежных с ним.

Доказательство: На рисунке 246 — внешний. Надо доказать, что .

Очевидно, что . Та как , то , отсюда .

Следствие. Внешний угол треугольника больше каждого из углов треугольника, не смежных с ним.

Докажите эту теорему самостоятельно.

Вы уже знаете, что в треугольнике против равных сторон лежат равные углы, и наоборот, против равных углов лежат равные стороны (п. 9, 10). Это свойство дополняет следующая

Теорема 16.3. В треугольнике против большей стороны лежит больший угол, и наоборот, против большего угла лежит большая сторона.

Доказательство: Рассмотрим треугольник , у которого . Надо доказать, что (рис. 247).

Поскольку , то на стороне найдется такая точка , что . Получили равнобедренный треугольник , в котором .

Так как — внешний угол треугольника , то . Следующая «цепочка» доказывает первую часть теоремы:

Рассмотрим треугольник , у которого . Надо доказать, что .

Поскольку , то угол можно разделить на два угла и так, что (рис. 248). Тогда — равнобедренный с равными сторонами и .

Используя неравенство треугольника, получим: .

Пример №34

Медиана треугольника равна половине стороны . Докажите, что — прямоугольный.

Решение:

По условию (рис. 249). Тогда в треугольнике . Аналогично , и в треугольнике . В : . Учитывая, что , имеем:

.

Следовательно, — прямоугольный.

Прямоугольный треугольник

На рисунке 255 изображен прямоугольный треугольник , у которого .

Сторону прямоугольного треугольника, противолежащую прямому углу, называют гипотенузой, а стороны, прилежащие к прямому углу, — катетами (рис. 255).

Для доказательства равенства двух треугольников находят их равные элементы. У любых двух прямоугольных треугольников такие элементы есть всегда — это прямые углы. Поэтому для прямоугольных треугольников можно сформулировать «персональные» признаки равенства.

Теорема17.1 (признак равенства прямоугольных треугольников по гипотенузе и катету). Если гипотенуза и катет одного прямоугольного треугольника соответственно равны гипотенузе и катету другого, то такие треугольники равны.

Доказательство: Рассмотрим треугольники и , у которых , , (рис. 256). Надо доказать, что .

Расположим треугольники и так, чтобы вершина совместилась вершиной вершина — с вершиной , а точки и лежали в разных полуплоскостях относительно прямой (рис. 257).

Имеем: . Значит, угол — развернутый, и тогда точки лежат на одной прямой. Получили равнобедренный треугольник с боковыми сторонами и , и высотой (рис. 257). Тогда — медиана этого треугольника, и Следовательно, по третьему признаку равенства треугольников.

При решении задач удобно пользоваться и другими признаками равенства прямоугольных треугольников, непосредственно вытекающими из признаков равенства треугольников.

Признак равенства прямоугольных треугольников по двум к а т е т а м. Если катеты одного прямоугольного треугольника соответственно равны катетам другого, то такие треугольники равны.

Признак равенства прямоугольных треугольников по катету и прилежащему острому углу. Если катет и прилежащий к нему острый угол одного прямоугольного треугольника соответственно равны катету и прилежащему к нему острому углу другого, то такие треугольники равны.

Очевидно, что если острый угол одного прямоугольного треугольника равен острому углу другого прямоугольного треугольника, то равны и два других острых угла. Воспользовавшись этим утверждением, список признаков равенства прямоугольных треугольников можно дополнить еще двумя признаками.

Признак равенства прямоугольных треугольников по катету и противолежащему острому углу. Если катет и противолежащий ему острый угол одного прямоугольного треугольника соответственно равны катету и противолежащему ему острому углу другого, то такие треугольники равны. Признак равенства прямоугольных треугольников по гипотенузе и острому углу. Если гипотенуза и острый угол одного прямоугольного треугольника соответственно равны гипотенузе и острому углу другого, то такие треугольники равны.

Пример №35

Докажите равенство прямоугольных треугольников по острому углу и биссектрисе, проведенной из вершины этого угла.

Решение:

В треугольниках и (рис. 258) , отрезки и — биссектрисы, .

Так как

то прямоугольные треугольники и равны по гипотенузе и острому углу. Тогда и прямоугольные треугольники и равны по катету и прилежащему острому углу.

Свойства прямоугольного треугольника

Теорема 18.1. В прямоугольном треугольнике гипотенуза больше катета.

Доказательство: Каждый из катетов лежит против острого угла, а гипотенуза лежит против прямого угла. Прямой угол больше острого угла, следовательно, в силу теоремы 16.3 гипотенуза больше любого из катетов.

Следствие. Если из одной точки, не лежащей на прямой, к этой прямой проведены перпендикуляр и наклонная, то перпендикуляр меньше наклонной.

На рисунке 267 отрезок — перпендикуляр, отрезок — наклонная, . Часто при решении задач используют результаты следующих двух задач.

Пример №36

Катет, лежащий против угла, величина которого равна 30°, равен половине гипотенузы.

Решение:

Рассмотрим треугольник , в котором , . Надо доказать, что .

На прямой отложим отрезок , равный отрезку (рис. 268). Тогда по двум катетам. Действительно, стороны и равны по построению, — общая сторона этих треугольников и . Тогда . Отсюда . Следовательно, и треугольник — равносторонний. Значит,

Пример №37

Если катет равен половине гипотенузы, то угол, лежащий против этого катета, равен 30°.

Решение:

Рассмотрим треугольник , в котором , . Надо доказать, что . На прямой отложим отрезок , равный отрезку (рис. 268). Тогда . Кроме того, отрезок является медианой и высотой треугольника , следовательно, по признаку равнобедренного треугольника . Теперь ясно, что и треугольник — равносторонний. Так как отрезок — биссектриса треугольника , то .

Рекомендую подробно изучить предметы:

Геометрия Аналитическая геометрия Начертательная геометрия

Ещё лекции с примерами решения и объяснением:

• Решение треугольников
• Треугольники и окружность
• Площадь треугольника
• Соотношения между сторонами и углами произвольного треугольника
• Геометрические фигуры и их свойства
• Основные фигуры геометрии и их расположение в пространстве
• Пространственные фигуры — виды, изображения, свойства
• Взаимное расположения прямых на плоскости

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.