平行线之间的研究

文化   科学   2024-07-01 23:03   广东  

     


如果你是欧几里得,在研究透了各种情况下的平行线作法、并且开始倒腾平行四边形后,下一步会要想往哪个方面继续研究?




 


聚焦于平行线之间


在2条平行线之间的,可以是平行四边形、也可以是三角形,把这些不同图形连接在一块的,就是它们的面积。

命题I.35

同底且在相同的二平行线之间的平行四边形面积相等。

命题I.35 ▼

命题I.35并不难理解,说的是上图中绿色平行四边形ABCD红色平行四边形EBCF(它们有共同的底边BC)面积是相等的,作为受过九年义务教育的我们,很容易会想到平行四边形的面积公式:底×高,既然一样,在平行四边形之间高必然相同,因此面积相等是一定的,只是咱们不能用这个面积公式来完成证明。

回到《几何原本》的世界里:
  • 这俩都是平行四边形,因此根据命题I.34(平行四边形中,对边相等)AD=BC=EF、AB=DC
  • 得到AD=EF → AD+DE = EF+DE → AE = DF

下面把图片颜色改一改:
命题I.35辅助色 ▼

  • 因为AB平行于DC,∠α与∠β互为同位角,根据命题I.29(一条直线与两条平行线相交,所形成的同位角相等),因此α=∠β
  • 这样我们就集齐了AB=DC、∠α=∠β、AE = DF这个命题I.4(如果三角形的两条对应边及夹角相等,那么其第三边亦相等,两个三角形亦全等,其余的两对应角亦相等)的题设条件,于是就有蓝色三角形ABE黄色三角形DCF全等
  • 三角形全等了,自然它们的面积也相等,同时减去公共部分三角形DEG的面积依然相等
  • 再同时加上三角形BCG面积还是相等,而分别加上了BCG后就是咱们题设中两个平行四边形的面积,证毕

学过四边形面积公式的我们当然知道,对于面积相等的条件要求并没有那么苛刻,两个面积相等的四边形底边并不需要是同一条,欧几里得当然也发现了,于是继续有了命题I.36。

命题I.36

等底且在相同的二平行线之间的平行四边形面积相等。

命题I.36 ▼

在这里依然是证明绿色平行四边形ABCD红色平行四边形EFGH面积相等,只是条件放宽了,并不需要它们具备共同的底边。

为了证明依然成立,咱们先来连接一下辅助线:
命题I.36辅助线 ▼

看见中那片紫色区域后聪慧如你一定想到了,这不就是命题I.35的变体嘛,当然首先咱们得先证明紫色的EBCH是平行四边形:
  • 根据题设,BC=FG、FG=EH,因此BC=EH
  • 通过命题I.33(一组对边平行且相等的四边形的另一组对边也平行且相等)得到BE与CH平行,因此EBCH平行四边形
  • 于是根据命题I.35就有面积关系:ABCD EBCHEFGH证毕

接下来欧几里得再一琢磨,既然平行四边形有这样的面积关系,如果去掉一条边、三角形是不是也能行?

命题I.37

同底等高的三角形面积相等。

命题I.37 ▼

你看,有了命题I.36的经验后,我们知道需要把问题拉入熟悉领域中,于是有了下面的辅助线:
命题I.37辅助线 ▼

  • 根据命题I.31(通过直线外一点可以作一条直线的平行线)我们可以做出来AC的平行线EB、BD的平行线CF
  • 接下来利用命题I.35的结论,就有面积关系:ACBE = BCFD
  • 再根据命题I.34(平行四边形中,对角线平分该四边形),在上面的等式中2边除2就得到:ABC = DBC证毕

最后,既然命题I.35扩展了三角形版本,自然命题I.36也是要跟进的:

命题I.38

等底等高的三角形面积相等。

命题I.38 ▼

依葫芦画瓢,绘制上辅助线:
命题I.38辅助线 ▼

  • 根据命题I.36有面积关系:ACBG= HFED
  • 在根据命题I.34得到面积:ABC = DEF证毕



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陈勇
上下千年时空历史地图、生动有趣的博物馆导览、新奇好玩的历史书籍推荐,最后,无聊的时候还能刷刷历史剧、说一说历史游戏。
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