「全等」究竟主張什麼
兩個三角形全等,意思是你能把其中一個拿起來、滑動、旋轉,必要時翻面,使它恰好疊在另一個上面——每個頂點對著頂點,每條邊對著邊。一個三角形有六個元素:三邊與三角。說三角形 ABC 與三角形 DEF 是全等三角形,就是一口氣主張六項對應:AB = DE、BC = EF、CA = FD,以及 m(角 A) = m(角 D)、m(角 B) = m(角 E)、m(角 C) = m(角 F)。我們記作三角形 ABC = 三角形 DEF,而字母的順序是一個承諾,說明哪個元素對應哪個元素。
核對全部六個元素誠實卻累人,而且超出實際所需。三角形是極為剛硬的形狀:固定恰當的三個量度,剩下的三個就毫無自由可言。本篇的全部要務,就是學會哪三個就足夠——同樣重要的是,哪三個並不足夠。
SSS、SAS、ASA:三匹主力
第一個判定法最具實體感。若一個三角形的三邊分別等於另一個三角形的三邊,則兩三角形全等——這就是 SSS(邊邊邊)。想像用三根長度固定的硬棍搭三角形:一旦首尾相接,形狀就無法晃動。三角形會自我支撐;這正是為何橋樑與屋頂桁架佈滿三角形而非正方形——正方形會塌陷成菱形。三個邊長一旦定下,就無從選擇。
第二個是 SAS(邊角邊):兩邊與它們之間的夾角。若一個三角形的兩邊及其夾角,與另一個三角形的相符,則兩三角形全等。想像兩根棍子在一角用鉸鏈相連。鉸鏈定下夾角;兩棍長度固定;於是它們遠端之間的距離——也就是第三邊——被迫確定,整個三角形也隨之確定。「夾」字是關鍵:這個角必須位於兩條指名邊之間,緊嵌在它們共有的那個角上。
第三個是 ASA(角邊角):兩角與它們之間的夾邊。若兩角及其夾邊相符,則兩三角形全等。這裡的圖像是一條長度固定的底線,兩端各以固定角度射出一條射線。這兩條射線必恰好相交於一點,把頂點與整個三角形釘住。它還有個近親 AAS,已知的邊不在兩角之間;它同樣成立,因為三角形內角和(三角合為 180 度)讓你能算出第三個角,悄悄地把 AAS 化回 ASA。
SSS : three sides match -> congruent SAS : two sides + the angle BETWEEN them -> congruent ASA : two angles + the side BETWEEN them -> congruent AAS : two angles + a side not between them -> congruent (via angle-sum) -------------------------------------------------------------- SSA : two sides + a non-included angle -> NOT enough AAA : all three angles, no side -> NOT enough (only similar)
兩個看似法則卻不是的
人們很容易以為任何三個相符的元素都能鎖住三角形,但有兩種排列會失敗,而明白原因能讓你避開一整類錯誤證明。這就是 SSA 與 AAA 非判定法。AAA——三角全相等——只固定形狀,不固定大小:一個小三角形與一個大三角形可以三角全同,就像一張照片與它的放大版。三角相等給你相似形,這本身是個有力的概念,但不是全等。
SSA 更微妙,也讓更多人栽跟頭。你已知兩邊與一個不在它們之間的角。想像一條固定邊、由其近端射出的一個角,以及一條長度固定的第二邊從遠端的射線擺下來與底線相接。若這條擺動邊夠短,它能在底線上的兩個不同位置相接——同一組 SSA 資料便造出兩個確實不同的三角形。這就是著名的模糊情形:同樣三個量度描述了兩個不全等的三角形,所以 SSA 不能當作全等法則。
一個完整證明,與報酬 CPCTC
讓我們實際做一個。設 M 是線段 AC 與 BD 兩者的中點——兩線段相交於 M,各把對方平分。主張:三角形 AMB = 三角形 CMD。因為 M 平分每條線段,故 AM = CM 且 BM = DM。M 處的兩角,即角 AMB 與角 CMD,是對頂角,所以相等——這是你在本段第一篇證過的事實。這就是兩邊與其夾角:正是 SAS。
- AM = CM,因為 M 是 AC 的中點(已知)。
- 角 AMB = 角 CMD,因為它們是交點 M 處的對頂角。
- BM = DM,因為 M 是 BD 的中點(已知)。
- 由 SAS,三角形 AMB = 三角形 CMD。
- 因此 AB = CD,由 CPCTC。
最後那一行,正是證明全等之所以值得費心的全部理由。一旦兩三角形已知全等,每一對剩下的對應元素也自動相等——就是你沒拿來證明的那三對。這個原理叫 CPCTC:全等三角形的對應元素相等。我們用了三個相符的元素(兩邊一角)掙得全等;CPCTC 接著把另外三個免費奉上,這就是為何我們無須直接量 AB 或 CD,便能斷定 AB = CD。
如何選定你的判定法
實際操作中,證明全等多半是記帳工夫:蒐集題目給你的相等元素,看清它們的排列方式,再為相符的判定法命名。共用邊算數(一邊等於自己),中點給出相等的兩半,對頂角給出相等的角,而本段第二篇講的平行線會隔著截線送你相等的同位角。關鍵技巧是讀懂排列:已知的角是夾在兩條已知邊之間,還是偏在一旁?
依序檢視一遍。有三邊?SSS。兩邊夾著一角?SAS。兩角夾著一邊,或兩角配任一邊?ASA 或 AAS。直角三角形有斜邊與一股?HL。若你手上只有兩邊與一個偏在角落的散角,停下來——那是 SSA 陷阱,不是證明。老實說,把圖配上正確的四字母標籤,就佔了這個層級三角形證明的九成。
這四個判定法,是你日後一再取用的工具組。下一篇會把它們轉向單一三角形:當一個三角形的兩邊相等時,一個優雅的全等論證會證明底角也必相等——這是等腰三角形與其分角線的核心。你在這裡築起的一切,將原封不動地用上。