數學真奇妙系列:漫談三角形

2021-01-09 遇見數學

本文作者劉瑞祥,[遇見數學] 感謝劉老師投稿支持!

人類研究三角形至少有兩千年以上的歷史,這種情況下我要講出新的內容大概不可能,我儘量避免落入俗套,希望對讀者有所裨益。

一、三角形的特殊性

相比於其它多邊形,三角形確實有一些特殊之處,比如這是唯一一種沒有對角線的多邊形,是唯一一種內角和小於外角和的多邊形,是唯一的只有平面沒有立體的多邊形,等等。但三角形最特殊的地方在於,只要確定了其中部分元素就能定下來其餘元素,比如我們證明三角形全等的時候就有邊角邊、邊邊邊、角邊角、角角邊定理。說到這裡我有個疑問:那就是無論歐幾裡得的《幾何原本》還是希爾伯特的《幾何基礎》,都是以邊角邊為基礎推出另外幾個全等命題(希著有專門的合同公理,歐著則不嚴格),那麼是否可以把邊角邊作為其它全等命題的推論呢?或者說,這需要怎樣的公理體系?這是一個問題。

除此以外,三角形還在希爾伯特的公理體系中有重要應用,比如除了前面提到的關於三角形的合同公理,至少還有一條直接和三角形相關的公理——平面順序公理,即一條直線從三角形的一條邊穿進去,一定會從三角形的另兩邊之一穿出來。

三角形還有幾個頗為值得一提的地方,比如眾多的三角形面積公式就很有意思。從小學時我們就知道的底乘以高的一半,一直到用行列式計算。我國數學家張景中研究的計算機生成可讀性幾何證明課題,其中一個重要思想就是通過面積來證明的。我想讀者們知道這些面積公式的不少,我只提一個問題:如果不允許用三角形面積公式,你能證明等底等高的三角形面積全等嗎?

三角形中還有好多個「心」,常見的就有重心、內心、外心、旁心、垂心。你都知道這些「心」的哪些性質?

二、「虛」的三角形

有時我們在證明題中需要構造一個或者多個三角形。典型的是用面積法證明平行線分線段成比例:

還有證明圓冪定理:

在反演問題中,要證明一條已知直線關於已知圓的反演形是過該圓圓心的圓,也要引入三角形。 這方面最妙的例子,我覺得是用三角形全等證明同角的鄰補角相等。

立體幾何中我僅舉一例,即證明直線垂直平面的判定定理,需要多次證明三角形全等。

三角形在立體幾何中的應用遠不止如此,比如要證明兩個三面角全等或者對稱,就和證明三角形全等差不多,而且五種正多面體中就有三種是由正三角形構成的。

三、尺規作圖

三角形在尺規作圖中很重要,比如《幾何原本》中的第一個命題就是作正三角形,而且這個命題的第一個用途居然移動已知線段。《幾何原本》所以這麼作,是因為這其中的圓規是所謂的「松規」,即看作是只要兩腳離開頁面就會合在一起的圓規,因此無法直接用來移動線段(見左圖)。但《幾何原本》裡的這個作圖到底還是需要尺子的配合,如果沒有尺子呢?方法很簡單(見右圖):

設已知點 A 和線段 BC,要求以 A 為頂點作一條長度等於 BC 的線段。

分別以 A、B 為圓心,AB 長為半徑做圓,二圓分別交於 D、E 點;分別以 D、E 為圓心,DC、EC 為半徑做圓,二圓交於 F 點。AF 即為所求。勾股定理意義重大,當然會出現在尺規作圖裡,比如不用直尺四等分圓。

也不但在限制尺規的作圖方面,就是通常的作圖,三角形也有重要作用,比如邊邊邊定理還是尺規作圖的重要依據,比如可以實現做角平分線、做垂線等等操作。

讀者對我上面的內容還滿意嗎?

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