为什么要构造全等
证明两条线段相等,常见思路是让它们分别落在两个全等三角形里。但题目往往不会把全等条件直接摆好: 要么缺一条边,要么两个三角形根本不挨着。这时就需要主动添加辅助线去「制造」全等。
本单元用七个例题串起五种常用手法:连公共边、延长构造、截长补短(内角 / 外角)、 倍长中线、翻折。每个例题都可以拖动图形观察——拖动时题设条件始终保持成立。
交叉线段中的公共边
已知:线段 AC 与 BD 相交,AC = BD,∠ACB = ∠BDA。求证:AD = BC。
- 拖动 A、B,改变公共边的位置和长度。
- 拖动 C,点 D 会同步移动,保持 AC = BD、∠C = ∠D。
- 拖动 D,点 C 会反向同步,条件同样保持不变。
- 虚线 AB 是辅助线,也是两个三角形的公共边。
- 观察目标 AD = BC,它们分别属于 △BAD 与 △ABC。
- 为把两个三角形联系起来,连接辅助线 AB。
- 在 △ABC 和 △BAD 中,已有 AC = BD、∠ACB = ∠BDA,又有公共边 AB = BA。
- 于是两个三角形对应全等,得到对应边 BC = AD。
「连公共边」主要解决两个待证三角形缺少什么的问题?
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题设通常已给出一个角和一条边,差的是第三条对应边;连接两个公共端点即可得到两个三角形共用的边。
延长一边,连续构造两组全等
已知:锐角三角形 ABC 中,AB 为水平底边,A 在左、B 在右,CE ⟂ AB。点 D 在 A 的左上方, 连接 AD,且 ∠DAC = ∠CAB,∠CDA + ∠B = 180°。求证:AE = AD + BE。
- 拖动 A、B、C,改变锐角三角形 ABC 的形状。
- E 是 C 到 AB 的垂足,始终满足 CE ⟂ AB。
- D、F 由条件自动确定,不可拖动。
- 辅助线 CF、DF 用虚线表示,且 CF ⟂ AF。
- 延长 AD 到 F,连接 CF,并让 CF ⟂ AF。
- 因为 ∠DAC = ∠CAB,且 ∠F = ∠AEC = 90°,AC 又是公共边,所以 △AFC ≌ △AEC,得到 AF = AE、CF = CE。
- 因为 ∠ADC + ∠B = 180°,又 ∠ADC + ∠CDF = 180°,所以 ∠B = ∠CDF。
- 再由 ∠F = ∠CEB = 90°,以及 CF = CE,得到 △CDF ≌ △CEB。
- 于是 DF = BE。接下来要看 D、F 在射线 AD 上的先后位置。
- 当 ∠CAB < ∠B 时,D 在线段 AF 上,AF = AD + DF,所以 AE = AD + BE。
- 当 ∠CAB > ∠B 时,F 在线段 AD 上,AD = AF + DF,所以 AE = AD - BE,也就是 AE + BE = AD。
截长补短内角
已知:三角形 ABC 中,BC 为水平底边,AD 平分 ∠A,且 ∠C = 2∠B。 在 AB 上截取 AE = AC,连接 DE。求证:AB = AC + CD。
- 拖动 A、B、C,改变三角形 ABC 的形状。
- B、C 始终在水平底边上,拖动时会保持 ∠C = 2∠B。
- D 是角平分线 AD 与 BC 的交点,不可拖动。
- E 在 AB 上,始终满足 AE = AC,不可拖动。
- 由角平分线 AD 可知 ∠BAD = ∠CAD。
- 又因为 AE = AC,且 AD 是公共边,所以 △AED ≌ △ACD。
- 于是 CD = ED,并且 ∠AED = ∠C。
- 因为 ∠AED 是 △BED 的外角,所以 ∠AED = ∠B + ∠EDB。
- 又因为 ∠C = 2∠B,且 ∠AED = ∠C,所以 ∠B = ∠EDB。
- 因此 △BED 是等腰三角形,BE = ED。
- 结合 ED = CD、AE = AC,可得 AB = AE + BE = AC + CD。
由 △AED ≌ △ACD 可以直接得到哪一条结论?
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两个三角形全等后,CD 与 ED 是对应边,所以 CD = ED。
截长补短外角
已知:钝角三角形 ABC 中,BC 为水平底边,B 在左、C 在右,且 ∠ACB = 2∠B。 AD 是 ∠A 的外角平分线,与 BC 的延长线交于 D。求证:CD = AB + AC。
- 拖动 A、B、C,改变钝角三角形 ABC。
- B、C 始终在水平底边上,且保持 B 在左、C 在右。
- 拖动时会保持 ∠ACB = 2∠B,并保持 ∠A 为钝角。
- D、G 自动构造,不可拖动;虚线 AG、DG 是辅助线。
- 在 BA 的延长线上取点 G,使 AG = AC,连接 DG。
- 因为 AD 平分外角 ∠CAG,所以 ∠CAD = ∠DAG。
- 又有 AG = AC,且 AD 是公共边,所以 △ACD ≌ △AGD。
- 因此 GD = CD,且 ∠ADG = ∠ADC。
- 由外角关系 ∠CAG = ∠B + ∠ACB,且 ∠ACB = 2∠B,得 ∠CAG = 3∠B。
- 因为 AD 平分 ∠CAG,所以 ∠DAG = 3/2∠B;又由 ∠DAG = ∠B + ∠ADC,得 ∠ADC = 1/2∠B。
- 结合 ∠ADG = ∠ADC,可得 ∠GDC = ∠B,所以 △BGD 是等腰三角形,GD = GB。
- 由于 GB = AB + AG,且 AG = AC,所以 CD = GD = GB = AB + AC。
倍长中线基础
已知:三角形 ABC 中,AC 为水平底边,A 在左、C 在右。BD 是中线,D 是 AC 的中点。 延长 BD 到 E,使 BD = DE,连接 CE。求证:BD > |AB − BC| / 2,且 BD < (AB + BC) / 2。
- 拖动 A、B、C,改变三角形 ABC。
- A、C 始终在水平底边上,且保持 A 在左、C 在右。
- D 始终是 AC 的中点,不可拖动。
- E 在 BD 的延长线上,且 BD = DE,不可拖动。
- 因为 D 是 AC 中点,所以 AD = DC。
- 延长 BD 到 E,且 BD = DE。
- 此时 D 也是 BE 的中点,所以 AC 与 BE 互相平分。
- 因此四边形 ABCE 是平行四边形,得到 CE = AB。
- 在三角形 BCE 中,由三角形三边关系得:|BC − CE| < BE < BC + CE。
- 代入 CE = AB、BE = 2BD,得到 |BC − AB| < 2BD < BC + AB。
- 两边同除以 2,即 BD > |AB − BC| / 2,且 BD < (AB + BC) / 2。
倍长中线四边形
已知:三角形 ABC 中,AC 为水平底边,A 在左、C 在右。将线段 AB 绕 B 顺时针旋转 90° 得到 BM, 连接 AM;将线段 CB 绕 B 逆时针旋转 90° 得到 BN,连接 CN、MN。D 为 MN 中点,连接 BD。 求证:AC = 2BD。
- 拖动 A、B、C,改变三角形 ABC。
- A、C 始终在水平底边上,且保持 A 在左、C 在右。
- M 由 AB 绕 B 顺时针旋转 90° 得到,N 由 CB 绕 B 逆时针旋转 90° 得到。
- D 是 MN 中点;H 在 BD 延长线上,且 DH = BD。其余点不可拖动。
- 延长 BD 到 H,使 BD = DH,连接 NH。
- 因为 D 是 MN 中点,所以 DM = DN;又 BD = DH,且 ∠BDM = ∠NDH 是对顶角。
- 所以 △BDM ≌ △NDH,得到 HN = BM,且 ∠H = ∠DBM。
- 由旋转可知 BM = AB,BN = BC,且 ∠ABM = ∠CBN = 90°。
- 因为 ∠ABM + ∠CBN = 180°,所以 ∠ABC + ∠MBN = 180°,即 ∠ABC + ∠MBD + ∠HBN = 180°。
- 又 ∠H + ∠HBN + ∠HNB = 180°,并且 ∠H = ∠DBM,所以 ∠ABC = ∠HNB。
- 此时 HN = BM = AB,BN = BC,所以 △BHN ≌ △ABC。
- 于是 AC = BH。又 BH = BD + DH = 2BD,所以 AC = 2BD。
由「AB 绕 B 顺时针旋转 90° 得到 BM」可以直接得到哪一条结论?
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旋转不改变线段长度,因此 BM 与 AB 长度相等,即 BM = AB。
倍长中线四边形翻折
已知:四边形 ABCD 中,BC 为水平底边。连接 AC、BD 交于 E,三角形 ABD 沿 AB 翻折, 点 D 对应点 H。已知 ∠BAC + ∠BAD = 180°,F 是 BC 中点,且 ∠CEF = ∠ADB。求证:BD = 2EF。
- 拖动 H、B、C,先形成锐角三角形 HBC。
- B、C 始终在水平底边上,整体构图靠近底部。
- E 在 HC 上,约满足 HE : EC = 3 : 4;A 是 ∠HBE 的角平分线与 HC 的交点。
- D 在 BE 延长线上且 BD = BH;F 是 BC 中点;M 在 EF 延长线上且 EF = FM。其余点不可拖动。
- 延长 EF 到 M,使 EF = FM,连接 BM。
- 因为 F 是 BC 中点,所以 BF = FC;又有 EF = FM,且 ∠MFB = ∠EFC,所以 △MFB ≌ △EFC。
- 因此 BM = CE,∠M = ∠FEC。
- 由 ∠CEF = ∠ADB,可得 ∠M = ∠ADB。
- 由翻折可知 BH = BD,∠H = ∠ADB,∠BAH = ∠BAD。
- 所以 ∠M = ∠H。又因为 ∠BAC + ∠BAD = 180°,所以 H、A、C 共线。
- 于是 ∠HEB = ∠MBE。再结合 ∠M = ∠H、BE = EB,得到 △BME ≌ △BEH。
- 因此 EM = BH。又 BH = BD,且 EM = EF + FM = 2EF,所以 BD = 2EF。
倍长 EF 到 M 后,EM 是 EF 的多少倍?
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因为 EF = FM,所以 EM = EF + FM = 2EF。
方法小结
- 连公共边:两个三角形只差一条对应边时,连接公共端点。
- 延长构造:把目标线段延长,连续构造两组全等,注意最终的位置关系要分情况讨论。
- 截长补短:在长边上截出与短边相等的线段(内角型),或在延长线上补出(外角型),把线段和差转化为对应边。
- 倍长中线:利用中心对称得到平行四边形或全等三角形,把中线问题转化为三边关系。
- 翻折:轴对称不改变长度与角度,可用来搬运角和边,常与「三点共线」配合使用。