*本文中的初中均指 7−87-87−8 年级
简要概述
初中好像只涉及欧式几何,所以本文不包含非欧几何的内容。初中几何多为证明题,故本文基本只涉及一些简单证明。
证明有许多方法,多用反证法等,常用已知的结论推导未知,常用逆向思维等。
一些公理
主要有用的是以下几种:
{直线公理:即两点确定一条直线线段公理:即两点之间线段最短平行公理:对于同个面上的一条直线 ab 和一个点 A,有且仅有一条直线过点 A 且平行于直线 ab \left\{\begin{matrix} \\ \text{直线公理:即两点确定一条直线} \\ \text{线段公理:即两点之间线段最短} \\ \text{平行公理:对于同个面上的一条直线 $ab$ 和一个点 $A$,} \\ \text{有且仅有一条直线过点 $A$ 且平行于直线 $ab$} \end{matrix}\right. ⎩⎨⎧直线公理:即两点确定一条直线线段公理:即两点之间线段最短平行公理:对于同个面上的一条直线 ab 和一个点 A,有且仅有一条直线过点 A 且平行于直线 ab
其中也可以引出几个简单证明题:
例 1.1
证明,在三角形中,两边之和大于第三边,即 AC+CB>ABAC+CB>ABAC+CB>AB。
考虑第二条公理,即线段公理,点 AAA 与点 BBB 之间最短距离即为 ABABAB,那么第二条路径即 AC+CBAC+CBAC+CB 必然大于 ABABAB。
例 1.2
证明,两直线只有一个交点。
考虑使用反证法:
假设两直线之间有 222 个交点。那么根据直线公理,两点确定一条直线,那么这两条直线必然重合,与“两条直线”这个条件相矛盾,假设不成立。故得证。
平行线的性质与判定
要了解平行线的性质,首先要了解四种角:
- 同位角:即为 ∠1∠1∠1 与 ∠5∠5∠5
- 内错角:即为 ∠3∠3∠3 与 ∠5∠5∠5
- 同旁内角:即为 ∠4∠4∠4 与 ∠5∠5∠5
- 对顶角:即为 ∠1∠1∠1 与 ∠3∠3∠3(对顶角相等)
同位角的定义:
两条直线a,b被第三条直线c所截,在截线c的同旁,且在被截两直线a,b的同一侧的角,我们把这样的两个角称为同位角。
----摘自百度百科
内错角的定义:
两条直线被第三条直线所截,两个角分别在截线的两侧,且夹在两条被截直线之间,具有这样位置关系的一对角叫做内错角
----摘自百度百科
同旁内角定义:
两条直线被第三条直线所截,在截线同旁,且在被截线之内的两角,叫做同旁内角。
----摘自百度百科
在两条直线平行的情况下,这几种角有这几种重要性质:
- 同位角相等
- 内错角相等
- 同旁内角互补
互补,即为两角和为 180°180°180°;互余,即两角和为 90°90°90°。
至于证明第二以及第三条,证明过程是极其平凡的:
证明第二条:
由于 ∠1=∠5∠1=∠5∠1=∠5,∠1∠1∠1 与 ∠3∠3∠3 是对顶角,那么 ∠1=∠3=∠5∠1=∠3=∠5∠1=∠3=∠5。
证明第三条:
由于 ∠1=∠5∠1=∠5∠1=∠5,∠4=180°−∠1∠4=180°-∠1∠4=180°−∠1,那么 ∠5=180−∠1∠5=180-∠1∠5=180−∠1,把 ∠1∠1∠1 移过去即可。
全等三角形
全等三角形的性质
已知 △abc≅△a′b′c′△abc≅△a'b'c'△abc≅△a′b′c′(≅≅≅ 是全等于的意思)
那么:
- 两个三角形对应角相等
- 三边相等
- 面积相等
对于证明第三个性质,由于三边相等(设三边长为 A,B,CA,B,CA,B,C),根据海伦公式,面积都为 S=p(p−a)(p−b)(p−c)S=\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}S=p(p−a)(p−b)(p−c),其中 p=(a+b+c)/2p=(a+b+c)/2p=(a+b+c)/2。
全等三角形的判定
SSS
(边边边),即三边相等SAS
(边角边),两三角形对应的两边及两边夹角相等ASA
(角边角),两角及其夹边相等AAS
(角角边),两角相等,以及其中一角的对边相等
还有一种较为特殊,即为SSA
(边边角) 即为有一角相等,其对边与相邻一边相等,这种情况下,只有在角是直角的情况下才为全等三角形。
关于判定的证明/推导过程
AAA
(即三角相等)
AAA
是不能证明的,那么是为什么呢。
如图,在线段 CBCBCB 上任取一点 B′B'B′,过 B′B'B′ 做 B′A′//BAB'A'//BAB′A′//BA,与 ACACAC 交于点 A′A'A′,根据平行线的性质易知 △ABC△ABC△ABC 与 △A′B′C′△A'B'C'△A′B′C′ 满足 AAA
,但并不全等。
SS
(即两条对应边相等)
SS
显然不行。
如图,以 CCC 为圆心,ACACAC 为半径画圆,在圆弧上任取一点 A′A'A′,连接 A′CA'CA′C 与 A′BA'BA′B,即为一个新的三角形,得到 △ABC△ABC△ABC 与 △A′BC△A'BC△A′BC 满足条件,但不全等。
SSS
(即三条对应边相等)
SSS
是可以的。尝试在 SS
上增加条件。
若要在满足条件的情况下画出所有可能三角形,考虑画两段弧线(圆),找到两弧(圆)的交点,即交轨法。易得,两弧(圆)只有一(两)个交点,如果是两个交点,则两交点较 BCBCBC 对称。
SAS
(即两边和它们的夹角相等)
SAS
是公理,但也可以证明。其实可以用余弦定理证明,在此不做介绍。
确定 ∠B\angle B∠B 之后,在两条射线上以 BABABA 和 BCBCBC 为半径画弧,其交点是唯一的。
SSA
(即边边角)
SSA
是不行的。建议先想想为什么。
易得 A,BA,BA,B 点是确定的,那么以 ACACAC 为半径画弧。在弧上任取一点 C′C'C′,易得 △ABC′△ABC'△ABC′ 也符合条件,三角形不唯一。
ASA
/AAS
(即两角与其夹边相等/两角和其中一角对边对应相等)
三角形内角和即可证明。
关于全等三角形的一些简单证明题
例2.1
已知 b=cb=cb=c,求证 ∠B=∠C∠B=∠C∠B=∠C。
连接 AAA 与 BCBCBC 的中点 OOO,那么可知:
- AB=AC
- AO=AO
- OB=OC
即为三边相等,那么 △AOB≅△AOC△AOB≅△AOC△AOB≅△AOC,根据全等三角形性质,三个角均相等,故 ∠B=∠C∠B=∠C∠B=∠C。
例 2.2
对于三角形的每个角做角平分线,证明其三线共点。
我们先画出 ∠A∠A∠A 与 ∠B∠B∠B 的角平分线,设其相交于 OOO 点,然后连接 COCOCO,现在我们只需证明 COCOCO 为 ∠C∠C∠C 的角平分线即可。
自O点作三边的垂线交三边于 D,M,ND,M,ND,M,N,则 OD=OM=ONOD=OM=ONOD=OM=ON,则 OCOCOC 平分 ∠C∠C∠C,所以三角形三条角平分线交于一点。
例 2.3
本题证明比较长,故当成思考题。
沿用刚才的图,求证 △AOC≅△AOB△AOC≅△AOB△AOC≅△AOB。
例2.4
两次证明全等题。
如图,已知 AC=BCAC=BCAC=BC,BDBDBD 是 ∠ABC\angle ABC∠ABC 的角平分线。求证 ∠DAE=∠DCE\angle DAE=\angle DCE∠DAE=∠DCE。
证:
∵BD∵ BD∵BD 平分 ∠ABC\angle ABC∠ABC
∴∠ABD=∠DBC∴ \angle ABD=\angle DBC∴∠ABD=∠DBC
在 △ADB△ADB△ADB 与 △BCD△BCD△BCD 中:
∵{AB=CB∠ABD=∠DBC=CBBE=BE∵\left\{\begin{matrix}
\\ \text{$AB=CB$}
\\ \text{$\angle ABD=\angle DBC$=CB}
\\ \text{$BE=BE$}
\end{matrix}\right.∵⎩⎨⎧AB=CB∠ABD=∠DBC=CBBE=BE
∴△ABD≅△CBE∴△ABD \cong △CBE∴△ABD≅△CBE
同理,△ABD≅CBE\bigtriangleup ABD \cong CBE△ABD≅CBE
∴∠BAE=∠BCE∴ \angle BAE=\angle BCE∴∠BAE=∠BCE
∠BAD=∠BCD\angle BAD=\angle BCD∠BAD=∠BCD
作差 ∠DAE=∠DCE\angle DAE=\angle DCE∠DAE=∠DCE
接下来是一些一些稍微难一点难的证明题(其实还是挺简单的)
例 2.5
如图,在四边形 ABCDABCDABCD 中,AD//BCAD//BCAD//BC,∠ABC=∠DCB\angle ABC =\angle DCB∠ABC=∠DCB,AB=CDAB=CDAB=CD,E,FE,FE,F,分别是 AB,CDAB,CDAB,CD 的中点, CE,BFCE,BFCE,BF 相交于 OOO,连接 OAOAOA,ODODOD,求证:OA=ODOA=ODOA=OD。
简要的来说,先通过 ∠ABC=∠DCB\angle ABC=\angle DCB∠ABC=∠DCB,BC=BCBC=BCBC=BC,EB=FCEB=FCEB=FC(AB/2=DC/2)(AB/2=DC/2)(AB/2=DC/2),得出 △EBC≅△FBC△EBC \cong △FBC△EBC≅△FBC。通过这个条件,得出 CO=BOCO=BOCO=BO,然后便可以通过 CO=BOCO=BOCO=BO,AB=DCAB=DCAB=DC,
∠DCO=∠ABO(∠DCB=∠ABO,∠ECB=∠FBC,∠DCB−ECB=∠ABO−FBC,∠DCO=∠ABO)\angle DCO=\angle ABO(\angle DCB=\angle ABO,\angle ECB=\angle FBC,\angle DCB-ECB=\angle ABO-FBC,\angle DCO=\angle ABO)∠DCO=∠ABO(∠DCB=∠ABO,∠ECB=∠FBC,∠DCB−ECB=∠ABO−FBC,∠DCO=∠ABO),得出 △DOC≅△AOB△DOC \cong △AOB△DOC≅△AOB,AO=DOAO=DOAO=DO。
例 2.6
证明三角形中,等边对等角。
已知 AB=ACAB=ACAB=AC,求证 ∠B=∠C\angle B=\angle C∠B=∠C。
证:做 AD⊥BCAD⊥BCAD⊥BC
在 △ABD△ABD△ABD 和 △ADC△ADC△ADC 中,
AB=AC,AD=AD,∠D=90°AB=AC,AD=AD,\angle D=90°AB=AC,AD=AD,∠D=90°
△ABD≅△ADC△ABD \cong △ADC△ABD≅△ADC(HL)
∠B=∠C\angle B=\angle C∠B=∠C
例 2.7
如图,点 DDD 在线段 ABABAB 上,点 EEE 在线段 ACACAC 上线段 CDCDCD 交线段 BEBEBE 与点 OOO,已知 BD=CE,∠B=∠CBD=CE,\angle B=\angle CBD=CE,∠B=∠C,求证 AD=AEAD=AEAD=AE。
证:
在 △BOD△BOD△BOD 与 △COE△COE△COE 中:
∠1=∠2\angle 1=\angle 2∠1=∠2∠B=∠C\angle B=\angle C∠B=∠CBD=CEBD=CEBD=CE ∠BOD≅∠COE\angle BOD \cong \angle COE∠BOD≅∠COEDO=CO,OD=OE,BO+OE=CO+OD.BE=CODO=CO,OD=OE,BO+OE=CO+OD.BE=CODO=CO,OD=OE,BO+OE=CO+OD.BE=CO
在 △ACD△ACD△ACD 和 △ABE△ABE△ABE 中:
∠C=∠B\angle C=\angle B∠C=∠B∠CAD=∠BAE\angle CAD=\angle BAE∠CAD=∠BAECD=BECD=BECD=BE△ACD≅△ABE△ACD \cong △ABE△ACD≅△ABEAD=AEAD=AEAD=AE
相似三角形
相似三角形的性质
1.ABA′B′=BCB′C′=ACA′C′=n:1\frac{AB}{A'B'}=\frac{BC}{B'C'}=\frac{AC}{A'C'}={n}:{1}A′B′AB=B′C′BC=A′C′AC=n:1
2.S△ABC:S△A′B′C′=n2:1S_{△ABC}:S_{△A'B'C'}=n^2:1S△ABC:S△A′B′C′=n2:1
相似三角形的判定
SSS
(边边边),即三边对应成比例SAS
(边角边),两三角形对应的两边及两边夹角成比例AA
,两角相等
一些简单证明
例 3.1
AB//CDAB//CDAB//CD,求证 △ABE∽△CDE△ABE∽△CDE△ABE∽△CDE。
根据平行线性质,.∠A=∠C∠A=∠C∠A=∠C,∠B=∠D∠B=∠D∠B=∠D(内错角相等),而 ∠AEB=∠DEC∠AEB=∠DEC∠AEB=∠DEC(对顶角相等),所以 △ABE∽△CDE△ABE∽△CDE△ABE∽△CDE
例3.2
相似三角形性质证明勾股定理。
如下图所示,在直角三角形 ABCABCABC 中,过 AAA 点作 ABABAB 垂直于 DCDCDC,交 ABABAB 于 BBB 点。
∵∠BDC=∠BCA=90°∵∠BDC=∠BCA=90°∵∠BDC=∠BCA=90°
∴△BDC∽△BCA∴△BDC∽△BCA∴△BDC∽△BCA
∴BD∶BC=BC∶BA∴BD∶BC=BC∶BA∴BD∶BC=BC∶BA
∴BC2=BD•BA∴BC²=BD•BA∴BC2=BD•BA
同理可得 AC2=AD•ABAC²=AD•ABAC2=AD•AB
∴BC2+AC2=BD•BA+AD•AB=(BD+AD)•AB=AB2∴BC²+AC²=BD•BA+AD•AB=(BD+AD)•AB=AB²∴BC2+AC2=BD•BA+AD•AB=(BD+AD)•AB=AB2,即 a2+b2=c2a²+b²=c²a2+b2=c2