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比、比例,以及「相似」究竟是什麼意思

在任何三角形被稱作「相似」之前,我們得先牢牢掌握比與比例。本篇先把這套語言建立起來,再用它精確說出「同形而不同大」到底是什麼意思。

比是一種比較,不是一種度量

你已經會用尺規公設量單一線段:把它放下,讀出長度,例如 |AB| = 6。做的事更安靜、卻更有力——它把兩個這樣的長度並排,只問它們如何相比。若 |AB| = 6 而 |CD| = 9,則 AB 對 CD 的是 6 比 9,寫成 6/9,化到最簡是 2/3。實際的公分數蒸發了,留下來的是那層關係,而這層關係正是本段的全部主題。

三條安靜的規則讓比保持誠實。第一,兩個量必須以相同單位度量——6 公分對 9 公分得 2/3,但 6 公分對 9 公尺則不然。第二,順序有意義:AB 對 CD 的比是 6/9,而 CD 對 AB 是 9/6,兩者並不相同。第三,比只是一個數,本身不帶單位;上方的公分與下方的公分相消,留下純粹的 2/3。正是這種無單位的特質,使得一個比可以拿桌面去比屋頂。

比例是兩個彼此相符的比

把兩個比令為相等,你就有了一個比例:a/b = c/d。讀作「a 比 b 等於 c 比 d」。相似圖形的整套引擎,到頭來不過是一堆比例,所以把一項工具練到爛熟很值得——那就是交叉相乘。由 a/b = c/d 兩邊同乘 b 與 d,清掉分母,得到 a*d = b*c。沒有任何玄妙之處;你只是把兩次除法一次解開而已。

這四個數有值得記住的古老名稱,因為外項與內項的說法在每本教科書中都會出現。寫成 a/b = c/d,最外側的兩個 a 與 d 是外項;內側的兩個 b 與 c 是內項。於是交叉相乘可化作一句好記的話:外項之積等於內項之積,a*d = b*c。這一行,就是判斷一個比例是否成立的檢驗。

  1. 已知 4/6 = 6/x,要找未知長度 x。先辨認外項與內項:外項是 4 與 x,內項是 6 與 6。
  2. 令外項之積等於內項之積:4 * x = 6 * 6,即 4x = 36。
  3. 兩邊同除以 4 以解出 x:x = 9。比例 4/6 = 6/9 的確成立,因為兩個比都化簡為 2/3。

彎折一個比例而不弄壞它

比例比看起來更耐折:你能用好幾種方式重排它而它依然成立,當題目把比給得上下顛倒、或與你要的方向相反時,這極為好用。這些重排就是比例的性質,而每一條都不過是交叉相乘換了件外衣。知道它們存在,可省去你把同一條方程重新推導四遍。

Start:        a/b = c/d        (means b,c ; extremes a,d)

Invert:       b/a = d/c        flip both sides
Swap means:   a/c = b/d        d/c -> trade the inner terms
Add one:      (a+b)/b = (c+d)/d    add 1 to each side

All four say the same thing as  a*d = b*c.
同一個比例的四副面孔——每一副都源自 a*d = b*c。

最後一行的「加一」手法值得多看一眼,因為它正是兩篇之後你會遇到的一個定理的祕密。由 a/b = c/d 走到 (a+b)/b = (c+d)/d 看似耍花招,其實光明正大:兩邊各加 1,把每個 1 寫成 b/b 與 d/d,再合併即可。當它被接到一條橫切三角形的直線上時,就化身為平行截線比例定理——所以這點小代數是默默承重的,並非裝飾。

「相似」實際上是什麼意思

現在我們能精確地說了。兩個圖形相似,當其中一個是另一個忠實的縮放副本——同形,但大小可不同。「同形」不是一種感覺;它拆成兩項確切的要求。第一,對應角相等。第二,對應邊成比例,全都共用同一個比值。一張照片與它的放大版是相似的;一張照片與哈哈鏡裡被拉長的影像則不是,因為拉伸保住了角,卻毀掉了邊的比。

那個共用的比有個名字:縮放比,通常記作 k。若三角形 ABC 相似於三角形 DEF,縮放比為 k,則 |DE| = k*|AB|、|EF| = k*|BC|、|DF| = k*|CA|——副本的每一邊都是原圖對應邊的 k 倍。當 k = 2 時,副本逐邊長一倍;當 k = 1/3 時,它是原來的三分之一;而當 k = 1 時,兩圖形不只是相似,更是全等,既同形又同大。全等——來自上一段——不過就是縮放比 k = 1 的相似而已。

為何這值得費這番功夫

相似是度量「不可度量之物」的工具。一根 2 公尺高的桿子投下 3 公尺的影子;同一刻,一棵樹投下 30 公尺的影子。陽光以相同角度射在兩者上,所以「桿與影」的三角形相似於「樹與影」的三角形,而高度與影子成相同的比:樹/2 = 30/3,得出樹高 20 公尺——人沒離開地面就量到了。這就是間接測量,正是測量員與古希臘人估算峭壁、河寬,乃至到月球距離的方法。

在你急著上手之前,給一個誠實的提醒。把長度縮放 k 倍,並不會把每樣東西都縮放 k 倍。面積按 k^2 縮放,體積按 k^3 縮放——把一個圖形的邊長加倍,面積變為四倍,而體積增為八倍。這就是平方立方律,也是為何螞蟻能扛起自身數倍重量,而大象卻不能單純地由小象放大而來。我們會把長度縮放與面積縮放牢牢分開;把兩者混為一談,正是相似題裡最常見的單一錯誤。

如今手握比、比例、縮放比,以及相似三角形的精確定義,你已具備本段其餘篇章所需的詞彙。緊接的下一篇會問一個犀利的問題:我們真的每次都得檢查三個角與三條邊嗎,還是有捷徑?答案——只需出奇地少的資訊就能逼出完整的相似——正是這套語言開始真正帶來紅利之處。