强基初中数学&学Python——第182课 相似三角形判定定理推论与性质


  我们知道三角形三对应边成比例是相似三角形的判定定理之一。如下图,

 

△ABC和△A'B'C'中,

AB/A'B'=BC/B'C'=CA/C'A', ①

①式分为下面2个等式,

AB/A'B'=BC/B'C',②

BC/B'C'=CA/C'A',③

上面2个式子变换一下成了下面2个等式,

AB/BC=A'B'/B'C',④

BC/CA=B'C'/C'A'。⑤

 

  因此,我们得到相似三角形三对应边成比例判定定理的推论:

  在两个三角形中,两对应邻边之比分别相等,那么这两个三角形相似。

  同理,可以得到相似三角形两对应边成比例夹角相等判定定理的推论:

  在两个三角形中,一对应邻边之比相等,这对邻边的夹角也相等,那么这两个三角形相似。

  也同理,可以得到相似直角三角形对应直角边和斜边成比例判定定理的推论:

  在两个直角三角形中,一对应直角边与斜边之比相等,那么这两个直角三角形相似。

  注意:上面的三个推论不可以作为证明题中判定相似三角形的直接依据,需要转化为判定定理。

  1 判断对错:一个三角形的三条边分别是13,17,28,另一个三角形的三条边分别是85,140,65,这两个三角相似。

  解:由于13/17=65/85,13/28=65/140,得两个三角形是相似三角形。命题对。

  判定定理的推论在运算上只是变换了量的位置,但在几何上产生了很大的变化,因为不再需要比较两个三角形的对应边了。难道邻边之比只是一个数字魔术吗?

  为此,我们讨论直角边与斜边之比。如下图,

 

相似Rt△ABC和Rt△A'B'C'中,∠C=∠C'=90°,

AC/AB=A'C'/A'B'。①

由三角函数的定义得

sin∠B=AC/AB,②

sin∠B'=A'C'/A'B'。③

②、③代入①得

sin∠B=sin∠B',④

所以

∠B=∠B'。

即直角边与斜边之比确定直角三角形的锐角,这个比相等与一个锐角相等等价。

  其实在所有三角形中对应邻边之比相等与一个内角相等等价。另外由于三角形内角和是180°,所以相似三角形判定归结到一个定理——两角分别相等的三角形相似。

  这样,三角形相似的实质是三角形的对应内角相等,对应内角不相等,就说明不相似。相似比(对应边之比)的大小不影响三角形是否相似,它与三角形的内角大小无关,是反映图形大小的量。

  如下图,△ABC∽△A'B'C',相似比为k,它们对应高、对应中线、对应角平分线的比各是多少?

 

  如下图,分别作△ABC和△A'B'C'的对应高AD和A'D'。

   △ABC∽△A'B'C,

   ∠B=∠B'。

  又 △ABD和△A'B'D都是直角三角形,

  ∴ △ABDC∽△A'B'D'。

   AD/A'D'=AB/A'B'=k。

 

  类似地,可以证明相似三角形对应中线的比、对应角平分线的比也等于k。

  这样,我们得到:

  相似三角形对应高的比,对应中线的比与对应角平分线的比都等于相似比。

   AB/A'B'=BC/B'C'=CA/C'A'=k,

   AB=A'B'·k,BC=B'C'·k,CA=C'A'·k,

   AB+BC+CA=(A'B'+B'C'+C'A')k,

   (AB+BC+CA)/(A'B'+B'C'+C'A')=k。

  即是:

  相似三角形周长之比等于相似比。

  一般地,我们有:

  相似三角形对应线段的比、对应线段的和或差(不等于0)之比都等于相似比。

  如果把三角形的边、高、中线、角平分线、内切圆半径、外接圆半径周长等这些与线长短有关的几何量称为线量”,上面的定理称作“相似三角形线量定理”:

  相似三角形对应非0线量的比都等于相似比。

  我们继续考察正方形、相似矩形、相似菱形、相似平行四边形、相似梯形和圆形,它们的“线量”都符合“相似线量定理”(这里不提供证明,同学们可以自行证明)。事实上所有的相似图形都符合“相似形线量定理”(一般图形的证明超出初中数学范围):

  相似形对应非0线量的比都等于相似比。

  2 如下图,Rt△ABC,∠C=90°,AB=c,BC=a,CD=b,求证:a²+b²=c²(勾股定理)。

 

  分析:如下图,作斜边上的高,把直角三角形分为两个与原直角三角形相似的直角三角形,由相似直角三角形容易得到a²,b²的整式表达式,把它们相加得证。

 

  证明:如上图,作斜边上的高,垂足是D,

   ∠B=∠B,

   Rt△CDB∽Rt△ACB,

   BD/BC=BC/BA,

   BC²=BD·BA。

  同理得

  AC²=AD·AB。

   BC²+AC²=BD·BA+AD·AB=(BD+DA)·AB=AB²。

   a²+b²=c²。(一般认为这是欧几里得证法)

 

  相似三角形面积的比与相似比有什么关系?

  如上图,由前面的结论,我们有

 

  这样,我们得到:

  相似三角形面积的比等于相似比的平方。

  同样,我们得到相似形面积定理”(一般图形的证明超出初中数学范围):

  相似形面积的比等于相似比的平方。

  进一步,我们得到“相似体体积定理”(一般图形的证明超出初中数学范围):

  相似体体积的比等于相似比的立方。

 

  4 如下图,已知△ABC∽△A'B'C',相似比是2/3,△ABC内切圆周长是12π,计算△A'B'C'内切圆的周长和面积(结果中含π)。

  解: △A'B'C'内切圆的周长/△ABC内切圆周长=3/2,

  又 △ABC内切圆周长=12π

   △A'B'C'内切圆的周长=12π×3/2=18π。

   △A'B'C'内切圆的半径=18π/2π=9。

   △A'B'C'内切圆的面积=π×9²=81π。

 

  5 如下图,一个圆锥的体积是80m³,在高一半的位置切去一个小圆锥,剩下的圆台体积是多少?

 

  :切去的圆锥与原圆锥是相似体,相似比是1/2,那么体积是原来的(1/2)³,所以

剩下的圆台体积=(1-(1/2)³)*80=70m³。

 

  练习题1:

 

4. 要把一个高10m的圆锥分为体积相等的一个圆锥和一个圆台,请问在离底多少米处切开(实数表示)?