强基初中数学&学Python——第139课 全等三角形的判定

  下图△A1BC和△A2BC在两条平行线之间,底边相同,高相等,所以这两个三角形的面积相等,我们把面积相等的图形称作两个图形相等。由于“相等”已被占用,只能用“全等”了。

 

  三角形有三条边和三个角,但用直尺和圆规作三角形时,并不需要都知道三条边和三个角。

  三条边都知道长度(假如是4cm、5cm和7cm),能否作出三角形呢?

  先画一边,例如5cm,那另外一个顶点一定在以这条线段的2个端点为圆心,半径分别为4cm和7cm的圆的交点,连接其中一侧的交点与线段的两个端点就把三角形画出来了。下面使用《五行星Python几何画板》作图的视频。

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  由上面的视频可知,只考虑BC底边的上侧,上面的方法只画出了一个三角形。那么还能在BC同侧画出第二个三边一样三角形吗?

  如下图,A'和A"都在圆B上,所以到B的距离都是4;但A'在圆C的外面,所以到C的距离就大于7了;A"在圆C的里面,所以到C的距离就小于7了;也就是说,A'和A"都是不可能的。充分说明了三边唯一确定一个三角形

 

 

  既然三边唯一确定一个三角形,那么:三边分别相等的两个三角形全等。这就是全等三角形的第一个判定标准,简写成“边边边”或“SSS”S是英文单词side的首字母)。

  如果只知道两边,情况会怎样呢?请看下图。

 

  可见,只已知两边,有无数个三角形,苟其原因,就是这两边的夹角∠ABC不一样引起的,所以只要固定这个角的值,三角形就唯一确定了。因此得到三角形全等的第二个判定标准:两边和它们的夹角分别相等的两个三角形全等,简写成“边角边”或“SAS”A是angle的首字符)。

  如果知道的不是这两边的夹角,而是另外两个角中的一个,还能唯一确定一个三角形吗?假设这两边是不相等的。

  如下图,短边的另外一个角确定的话,貌似只能画出一个三角形。

 

  但如果是长边的另外一个顶角,如下图,至少可以画2个三角形。

 

  所以,如果不是两边的夹角,而是另外一个顶角相等,是不能保证全等的。

  还有没有画一个确定三角形的方法呢?自然会想到一条边和它两端点的角。下面以边长10,两端点的内角是67°和45°作图。先画这条边,然后以这条边的两端点分别以两个夹角为旋转角的射线,这两条射线必有一个交点,这个交点就是三角形的另外一个顶点。使用《五行星Python几何画板》作图的视频如下。

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  由于两条直线相交,只有一个交点,所以两角与它们的夹边也唯一确定一个三角形。这样得到了三角形全等的第三个判定标准:两角和它们的夹边分别相等的两个三角形全等,简写成“角边角”或“ASA”

  如果不是夹边,是另外一边情况会怎样呢?同样的方法,符合这条件能否画出多于1个的三角形,如果至少有一个例外,这命题就不成了。

  下图△ODC和△ODE有公共边OD,角平分线把角分为相等的两个角,直角也相等,这两个三角形形状一样,但大小不一样,当然就不全等了。

 

 

  为什么两个三角形的大小不一样呢?从上图中可以看到相等边的对角不相等(一个是直角,一个是锐角)。那么如果相等边的对角相等会怎样呢?

  如下图,在△ABC和△DEF中,∠A=∠D,∠B=∠E,BC=EF,求证△ABC≌△DEF。

 

  分析:相等边的对角相等,由于三角行内角和是180°,这条边的另外一个端点的顶角也必然与对应的顶角相等,就转化为角边角类型,当然就是全等了。

  证明:△ABC中,∠A+∠B+∠C=180°,

  ∵ ∠C=180°-∠A-∠B。

  同理 ∠F=180°-∠D一∠E。

  又 ∠A=∠D,∠B=∠E,

  ∴ ∠C=∠F。

  在△ABC和△DEF中,

    ∠B=∠E,

    BC=EF,

    ∠C=∠F,

  ∴ △ABC≌△DEF。 (ASA)

 

  因此,我们可以得到下面的推论:

  两角分别相等且其中一组等角的对边相等的两个三角形全等,可以简写成“角角边”或“AAS”。注意:这里的边是一对相等角的对边

  也就是说,三角形的两个角的大小和其中一个角的对边的长度确定了,这个三角形的形状、大小就确定了。

  三角形的唯一确定性与三角形的全等标准是完全相同的东西,只是应用的方向不一样而已。

  总体来说,三角形有3条边和3个内角,由于三个角之和是一个平角,所以三个角只能算二个自由度(可以在一定范围内任意变化);三条边在满足两边之和大于第三边的范围内任意变化,所以三条边是三个自由度。

  这样三角形貌似有五个自由度,很明显这是不对的,因为三边能确定一个三角形。因此,我们完全有理由认为三角形的内角是因变量,三角形只有三个自由度——三条边,直接或间接确定三角形的三条边,一个三角形就确定了

  “边边边”或“SSS”就是直接确定三角形的三边,所以一个三角形就确定了,也就是全等的第一个标准。

  三角形除了内角和是一个平角、两边和大于第三边的性质外,还有一个重要的性质:大角对大边,大边对大角;小角对小边,小边对小角;等角对等边。因此,可以用一对等边的对角来代替这一对边作为一个自由度,就是“边角边”或“SAS”全等三角形判定标准了。

  继续用另外一对等边的对角代替另一对边作为一个自由度,就是“角边角”或“ASA”全等三角形判定标准了。

  另外,如果一对边和它们对应的角分别相等,还有另外一对角相等相等,能否确定一个三角形内?因为三角形内角和是一平角的原因,第三对角也相等,问题就转化为“角边角”了。这就是“角角边"或“AAS”全等三角形判定标准了。

  总之,唯一确定三角形或全等三角形的判定标准,最终可以回归三角形的三对边分别相等这个根本的要求。

 

  例题1:工人师傅常用角尺平分一个任意角。做法如下图,∠AOB是一个任意角,在边OA,OB上分划取OM=ON,移动角尺,使角尺两边相同的刻度分别与点M,N重合。过角尺顶点C的射线OC便是∠AOB的平分线,为什么?

 

  分析:如果∠AOC=∠NOC,那么射线OC是∠AOB的平分线,问题就转化为要证明∠AOC=∠NOC。显然这两个角分别处于两个不同的三角形中,如果能证明这两个三角形全等,由于这两个角是一对等边的对角,那么这两个角必然相等。问题转化为求证全等三角形,我们知道求证全等三角形有三个标准和一条推论,上面的情况OC是公共边相等,其它两对边也规定相等,因此这两个三角形符合“边边边”(SSS)全等条件,得证。实际证明过程与分析过程方向相反就行。

  证明:在△MOC和△NOC中,

  ∵ MO = NO,

     MC = NC,

  OC是公共边,也相等,

  ∴ △MOC≌△NOC。(SSS)

  ∵ MC = NC,

   ∠MOC是MC的对角,

   ∠NOC是NC的对角,

  ∴ ∠MOC=∠NOC,

  射线OC是∠AOB的平分线。

  例题2:如下图,点E,F在BC上,BE=CF,AB=DC,∠B=∠C,求证∠A=∠D。

 

  分析:BE=CF,得BF=EC,那么∠A和∠D是△ABF和△DEC一对相等边的对角,如果这两个三角形全等,那么这两个角必要相等,问题转化为求证△ABF≌△DEC;另外,AB=DC,AB和BF的夹角∠B=DC和CE的夹角∠C,符合边角边(SAS)全等标准,问题得证。

  证明:∵ BE=CF,

  ∴ BF = CE。

  在△ABF和△DEC中,

  ∵ BF = CE,

    AB=DC,

    ∠B=∠C,

  ∴ △ABF≌△DEC。(SAS)

  ∵ BF = CE,

    ∠A是BF的对角,∠D是CE的对角,

  ∴ ∠A=∠D。

  例题3:如下图,要测量池塘两岸相对的两点A,B的距离,可以在池塘外取AB的垂线BF上的两点C,D,使BC=CD,再画出BF的垂线DE,使E与A,C在一条直线上,这时测得DE的长就是AB的长。为什么?

 

  分析:由于∠ACB和∠ECD是对顶角,相等,AB和ED是△ABC和△EDC上这对对顶角的对边,如果能证明△ABC与△EDC全等,就可以断定AB=ED。由于∠B和∠D都是直角,相等,BC=CD,就符合角边角(ASA)标准,得证。

  证明:△ABC和△EDC中,

  ∵ ∠ABC = ∠EDC,  (直角相等)

   BC=CD,

   ∠ACB=∠ECD,

  ∴ △ABC≌△EDC。(ASA)

  ∵ ∠ACB=∠ECD,

    AB是∠ACB对边,

    ED是∠ECD对边,

  ∴ AB=ED。

  例题4:如下图,AB⊥BC,AD⊥DC,垂足分别为B,D,∠1=∠2。求证AB=AD。

 

  分析:由于∠B和∠D是直角,相等,∠1=∠2,所以∠BCA=∠DCA,那么AB和AD是一对等角的对边,只要证明△ABC≌△ADC就行。由于公共边AC都是直角的对边,因此符合角角边(AAS)标准,问题得证。

  证明:△ABC和△ADC中,

  ∵ ∠B = ∠D,(直角相等)

    ∠B 和 ∠D 的对边是公共边AC,相等,

    ∠1=∠2,

  ∴ △ABC≌△ADC。(AAS)

  ∵ ∠1=∠2,

    ∠B = ∠D,

    ∠1+∠B+∠ACB = ∠2+∠D+∠ACD=180°

  ∴ ∠ACB = ∠ACD,

    AB是∠ACB对边,

    AD是∠ACD对边,

    AB=AD。(全等三角形中等角对边相等)

  我们知道,两条边和一个不是这两边夹角的角分别相等,不能保证三角形全等,那么如果这个角是直角情况会怎样呢?

  假如已知斜边AB和直角边BC,那么先画线段BC,在C点画上BC的垂线,然后以B点为圆心,AB为半径画圆,在BC的一侧只有一个交点,这个交点便是A顶点,如下图所示。

 

  也就是说,已知直角三角形的斜边与一条直角边,这个直角三角形就唯一确定了。这个可以用于直角三角形的全等判定标准。

  斜边和一条直角边分别相等的两个直角三角形全等,简写成“斜边、直角边”或“HL”。H是斜边(Hypotenuse)的首字母,L是直角边(leg)的首字母。

  与普通三角形的“边角边”合并,得到:两条边分别相等(如果是斜边,两斜边相等)的两个直角三角形全等。

  例题5:如下图,AB=CD,AE⊥BC,DF⊥BC,垂足分别为E,F,CE=BF。求证AE=DF。

 

  分析:由于AE和DF是直角三角形的一条直角边,如果这两个直角三角形的斜边和另外一个直角边相等,则这两个直角三角形全等,已知CD=AB,又由CE=BF,得CF=BE,得证。

  证明∵ CE=BF,

    CE-FE = BF-FE,(等式两边减等量,等式不变)

  ∴ CF=BE。

  在Rt△CDF和Rt△ BAE中,

  ∵ 斜边CD=BA,

    CF=BE,

  ∴ Rt△CDF≌Rt△ BAE。(HL)

  ∴ AE=DF。