添辅助线:把还不存在的东西画出来

辅助线不改变原图,它只是让一个已经成立的关系变得看得见。选哪一条有章可循:把条件搬到一起,或者补出一个你已经会的图形。

7 分钟思维方法: 构造

需要什么就造什么,哪怕它看起来是凭空出现的

这一片为什么存在

手上握着 SSS 和 SAS,题目是:等腰三角形 AB=AC,证明 ∠B=∠C。你会立刻卡住——全等判定要两个三角形来比,而图里从头到尾只有一个。缺的不是知识,是一个可以拿来比的对象。辅助线的第一份工作,就是把这个还不存在的第二个三角形变出来。

内容

先把最容易的一层误会拆掉:画一条线,不等于往图里塞了新条件。

原图里的点已经全部就位了。连接 A 和 D,这条线段在你落笔之前就存在,你只是把它画出来、给它起了个名字。过 A 作 BC 的垂线也一样:这条垂线由 A 和 BC 唯一确定,它不需要谁允许才存在。所以“添线可能改变原图性质”这件担心,在这些写法下不会发生。

真正会出事的是另一种写法:作 AD,使 AD⊥BC 并且 BD=DC。这一句里塞了两个要求。一般的三角形根本没有这样的线,你等于偷偷假设了原图是等腰的。危险从来不在“画了线”,而在“一句话里提了不止一个要求”。

拆掉误会之后,剩下的问题才是:画哪一条。这里确实有章可循,常用的入口只有两个。

第一个是把条件搬到一起。题目给的条件往往散落在图的不同角落,而定理要求它们出现在同一个三角形里、同一对角上。辅助线就是那条搬运的路:连一条线,把两条已知相等的线段变成同一个三角形的两条边;或者作一条平行线,把一个角搬到它的同位角位置上。

第二个是补出一个你已经会的图形。眼前的图形陌生,但它差一点就是平行四边形、就是直角三角形、就是等腰三角形。那就把差的那一点补上:延长一倍、补一条平行边、把一半翻折过去,然后用你早就熟的那套结论。

至于“画得越多越好”,恰好相反。每加一条线,图里的交点、角和小三角形都会成倍增加,第三条下去就没人看得清主线了。一条线值不值得画,有个很短的检验:你能不能用一句话说出“它把哪个条件搬到了哪里”。说不出来,就先别画。

把原图给出的全部条件记作 H,把一句作图指令记作 L。例如 L 可以是“过 A 作 BC 的垂线,垂足记为 D”。

记号 H ⊢ P 读作“由 H 出发可以证明 P”;∃L 表示“满足 L 所描述的那个对象存在”。

称 L 是一条合法的辅助线,当且仅当 H ⊢ ∃L。

合法时,画完线之后的条件集是 H 与 L 合在一起。但由 H 已经能推出这个对象存在,所以凡是从“H 加 L”证出的结论,从 H 也证得出。这就是“辅助线不改变原图”的准确含义:它扩充的是图,不是假设。

反例是这句:作 AD,使 AD⊥BC 且 BD=DC。这个 L 同时提了两个要求,一般三角形中不存在这样的 AD,H ⊢ ∃L 不成立。

于是得到一条很好用的操作规则:一句作图指令只提一个要求。连接两个已有的点、作垂线、作平行线、作角平分线、作中线,每一种都只提一个要求,因此天然合法。

跟着做一遍

△ABC 中 AB=AC。只用 SSS 和 SAS,证明 ∠B=∠C。动笔之前先回答一个问题:图里只有一个三角形,第二个从哪来?

  1. 定位障碍:全等判定需要两个三角形,而 ∠B 和 ∠C 长在同一个三角形里。所以要造一条线,把这一个三角形切成两个,并让 ∠B、∠C 分别落进其中一个。
  2. 确定这条线的两端:它必须从 A 出发、落在 BC 上。否则切出来的两块不会分别含有 ∠B 和 ∠C。
  3. 从 A 到 BC 的“只提一个要求”的画法就那几种:角平分线、中线、垂线。先取角平分线——作 ∠BAC 的平分线,交 BC 于 D。
  4. 清点被搬到一起的条件:AB=AC 是已知,∠BAD=∠CAD 来自 D 的定义,AD=AD 是公共边。
  5. 三个条件的排列顺序是边—夹角—边,对 △ABD 与 △ACD 用 SAS,得两三角形全等。
  6. 全等三角形的对应角相等,于是 ∠B=∠C。
  7. 换一条重做:改作 BC 边上的中线 AD。此时 AB=AC、BD=CD、AD=AD,用 SSS 同样得证。两次都只画了一条线。

结果

∠B=∠C。两条不同的辅助线给出两个完整证明,这说明辅助线既不唯一,也不是猜出来的:它是被“我要凑齐 SAS 或 SSS 的哪三个条件”这个目标反推出来的。顺带一提,这道题里的角平分线、中线、高最后会被证明是同一条线,但那是结论,不是可以提前拿来用的前提——这也正是“一句作图指令只提一个要求”要防住的地方。

它在树上的位置

概念不是一篇一篇平铺的。下面两组是这一片真实的上下游:它靠着什么,又撑起了什么。

它靠着

它撑起

图上还没有概念把它列为先修。

读完之后

这一页是产品里的一天。产品是那棵树:你学到哪、哪块在衰减、明天该学什么。一篇读物回答不了这三个问题,树才回答。

看看那是什么意思