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平行尺規作圖

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Academic year: 2022

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(1)

L  E 

1 B  D 

C  A 

1 L  B 

L  E 

1 B  D 

L  E 

1 B  D 

F  M 

在前面的作圖,都是有關垂直的作圖部分,但在幾何學中我們亦常用到平行的觀念及性質,

所以我們接著來介紹如何畫平行線的尺規作圖。

平行尺規作圖:給定任一直線及線外一點,作出過此點且與此直線平行的直線。

已知】直線 L 與線外ㄧ點 A。

求作】過 A 點作ㄧ平行線 M 與 L 平行。

作法一】步驟一: 過線外一點 A 隨意畫與 L 交錯之直線,

交直線 L 於 A 點,所設成的角為 Ð 1。

步驟二: 分別以 A、B 為圓心,相同長度為半徑畫弧,交點分別為 C、D、E。

步驟三: 以 E 為圓心, CD 為半徑畫弧,交點為 F 點。

步驟四: 連接 AF 線段即為所求。

(2)

作法二】 步驟一: 過 A 點作 AH suur

^

L。

步驟二: 過 A 點作直線 M 垂直 AH suur

,則 M//L。 

M

(3)

同側內角和 小於兩直角

延長後相交

L

L

L

L

2  1  3  4 

6  5  7  8 

古希臘的幾何,也就是歐幾里德的幾何是由公設所建立,其中公設五是很重要的,此公設 又稱之為平行公設,是有關平行的幾何。

【公設五】若一直線和兩直線相交,且其中一側的同側內角和小於兩直角,則將此兩直線 延長後,會交於同側內角和小於二直角的一側。

平行線的定義與性質 平行線的定義:

由【公設五】我們給定兩直線將平行的定義。在平面的兩條直線,若有一直線能同時 垂直於這兩條直線,就說這兩條直線互相平行。且平行的兩條直線永不相交。如下圖,

直線 L 與 L 平行,記作 L /

/

,讀作「L 平行於 L 」。

平行觀念:

(1) 兩平行線之間保持相同的距離,且無限延伸後沒有交點。

(2) 一線段若垂直於平行線中的一條直線,必垂直於平行線中的另一條直線。

截線:在一平面上,直線 L 分別與直線 L 與 L 相交於不同兩點時,則 L 叫做 L 與  L 的截線。如下圖,L 叫做 L 與 L 的截線。

截角:直線 L 為 L 與 L 的截線,形成 8 個截角,如下圖。 

L

L

L

L

2

(4)

L

L

2  1  3  4 

6  5  7  8 

L

L

2  1  3  4 

6  5  7  8 

L

L

2  1  3  4 

6  5  7  8 

(1)同位角相等:

Ð 1 在 L 的右上方, Ð 5 在 L 的右上方,位置相同都 在右上方,故稱∠1 與∠5 為同位角,同理,∠4 與∠8、

∠2 與∠6、∠3 與∠7 都是同位角。在此我們可知:

∠1=∠5;∠4=∠8;∠2=∠6;∠3=∠7。

證明】如右圖,做 AC 線段,同時垂直於 L 與 L 。 在

D

ADB 與

D

AEC 中,∠B=∠C 皆為直角,

且∠BAD=∠CAE。

D

ADB 中,∠A+∠B+ Ð 1=180 (三角形內角和 180 )。

D

AEC 中,∠A+∠C+ Ð 5=180 (三角形內角和 180 )。

Þ Ð 1= Ð 5,故同位角相等。

(2)內錯角相等:

∠5 與∠3、∠4 與∠6,都在 L 與 L 的內側,但交錯在  L 的兩邊,故稱為內錯角,在此我們可知∠3=∠5;

∠4=∠6。

證明】如右圖,∵∠1=∠3(對頂角相等) 又Q ∠1=∠5(同位角相等)

∴∠3=∠5,故內錯角相等。

(3)同側內角互補:

∠5 與∠4 都在 L 與 L 的內側,且在 L 的同一側,

故稱為同側內角;同理,∠3 與∠6 也為同側內角。

在此我們可知∠4+∠5 = 180 ;∠3+∠6 = 180 

證明一】∠1+∠4=180 

∵∠1=∠5(同位角相等)

∴∠4+∠5=180 

證明二】如右圖,做 AB 線段,同時垂直於 L 與 L 

∵四邊形 ABCD 內角和為 360 

∴∠A+∠B+∠5+∠4=360 0

Þ ∠4+∠5=360 -90 -90 =180 , 故同側內角互補。 

1 4 

5 8 

E  A 

L

L

L

L

3  4 

6  5 

B  C 

D

(5)

L

L

1  2  3 

A  B 

A  B 

65 

1  65 

情形一 情形二 

L L

L

L 100 

100  80 

範例】如圖,L  // L ,L 是 L 與 L 的一條截線,∠1=55 ,求∠2、∠3?

解說】∵L  // L 

∴∠1=∠2=55 (內錯角相等)

∠1+∠3=180  (同側內角互補)

∠3=180 -55 =125 

範例】(1) 如附圖,直線 L1、L2、L3、L4 中,互相平行的有______。

(2) 其中∠1 =______。

解說】(1) L// L(∵同側內角互補)

(2) ∠1 =180 -100 =80 

範例】設∠A 與∠B 的兩邊互相平行,若∠A=65 ,求∠B=?

解說

可能有兩種情形(如右圖):

(1) ∠1=∠A=65 (同位角相等),

∠B=∠1=65 (同位角相等)

(2) ∠2=∠A=65 (內錯角相等)

∠B=180 -∠2=180 -65 =115 (同側內角互補)

平行線的判別:

在前面我們知道,L // L ,L 為 L 與 L 的截線,則有同位角相等、內錯角相等 及同側內角互補的性質,那反過來假設 L 與的 L 被一直線所截,則此三性質是否也可 推得 L // L 

(1)兩條直線被一直線所截,若截出的同位角相等,則此兩直線平行。

如下圖,若 L 為 L 與的 L 截線,且∠1=∠2

證明】過 A 點作直線 P,使 P

^

於 A。

Þ ∠2+∠y=90 …○ 1

∠1+∠y=180 -x…○ 2

2 -○ 1 ∠1-∠2=90 -x

∵∠1=∠2 (同位角相等)。

∴x=90 ,故 L // L 。 

L

L

L  1 

2  P 

y  x  1 

A

(6)

L

L

X  O  O  X 

X  O  O  X 

L

L

x  y 1  z 4 

L

L

3  x 

(2)兩條直線被一直線所截,若截出的內錯角相等,則此兩直線平行。

如下圖,若 L 為 L 與的 L 截線,且∠1=∠3

證明】∠x+∠1=180 

∠3+∠y=180 0 Þ ∠x=∠y 

By(1)故 L // L 

(3)兩條直線被一直線所截,若截出的同側內角互補,則此兩直線平行。

如下圖,若 L 為 L 與的 L 截線,且∠1+∠4=180 

證明】∠y+∠1=180 …○ 1

∠z+∠4=90 …○ 2

∠x=∠y+∠z (外角定理)…○ 

1 +○ 2 +○ 3

Þ (∠y+∠1)+(∠z+∠4)+∠x=180 +90 +(∠y+∠z) Þ ∠1+∠4+∠x=270 

∵∠1+∠4=180

∴x=90 ,故 L // L 

結論】若兩平行線被一直線所截,則(1)同位角相等;(2)內錯角相等;(3)同側內角 互補。

若兩條直線被一直線所截若(1)同位角相等;(2)內錯角相等;(3)同側內角互 補,三者其中一個成立,則此兩直線平行。

若兩條平行線被截線所截時,形成的八個角,角度只有兩種,如圖所示。

(7)

L1

L

L  A 

L1

L

L

1

L

L  A 

L1

L

1  L 

M  2 

3  4 

A  L 

M  B  N 

D  3  C  4 

5  6 

平行線性質的應用:對於平行線,除了常用平行線性質:(1)同位角相等;(2)內錯角相等;

(3)同側內角互補,我們將介紹幾個相關延伸性質。

1. 若 L  // L ,則∠ABC=∠1+∠2

證明】過 B 點作 L 平行 L 

∵L  // L  ∴ L // L 2

Þ ∠1 =∠3,∠2=∠4 (內錯角相等) 故∠ABC=∠3+∠4=∠1+∠2。

2. 若 L  // L ,則∠1+∠ABC+∠2=360 

證明】過 B 點作 L 平行 L 

∵L  // L  ∴ L // L 2 Þ ∠1 +∠3=180 

∠2 +∠4=180 (同側內角互補)

故∠1+∠ABC+∠2=∠1+∠2+∠3+∠4=360 

3. 如右圖,若 L // M,則∠1+∠3=∠2+∠4。

證明】過 B 點作 N 平行 L,

∵L // M ∴ N // M Þ ∠1 =∠5,

∠3=∠4 +∠6

故∠1+∠3=∠4+∠5+∠6=∠2+∠4

(8)

B  H  C 

B  C 

B  C 

D  2  E 

4.平行線上的三角形面積(同底等高的概念)

當 A 點在 L 上移動時…

D

ABC 的形狀會隨之改變,但是

D

ABC 的面積是不變的。

說明: 

D ABC

的底永遠是 BC (同底) 

ABC

D

的高 AH 是定值(等高)( AH 即為平行線

L

的距離)

那假設 L 與 V 不平行的話,如下圖:

當 A 點在 L 上移動時…

D

ABC 的形狀會隨之改變,則

D

ABC 的面積會隨著高度不同 而改變。

說明: 

D ABC

的底永遠是 BC (同底) 

ABC

D

的高會隨著 L、V 之間的距離不同而改變,所以面積也會跟著改變。 

ABC

D

面積 ñ 

A

BC

面積

5.利用平行線性質證明三角形內角和=180  如圖,試證明∠ACB+∠ABC+∠BAC=180 

證明】過 A 點作直線 L 平行 BC 

∵∠ABC=∠1;∠ACB=∠2 (內錯角相等)

∴△ABC 內角和=∠ACB+∠ABC+∠BAC 

=∠2+∠1+∠BAC=180  6.利用平行線性質證明外角定理

如圖,試證明∠1=∠ABC+∠BAC 

證明】 過 A 點作直線 DE // BC 

∵∠ABC=∠2(內錯角相等)

∴∠1=∠DAC 

=∠2+∠BAC 

=∠ABC+∠BAC 

A  L 

B  C 

1  2

(9)

130  125 

C  B  D 

D' 

1  L 

M  76 

43 

D  45 

1  2  45 

35 

A  B 

C  D 

F  H 

範例】如圖,若 L // M,求∠1=?∠2=?

解說】∠1=35 (內錯角相等)

∠2=35 +45 =80 

範例】如圖,若 L // M,求 x=?

解說】130 +x+125 =360 

∴x=105 

範例】如圖,若 L // M,求∠1=?

解說】∠1+76 =45 +43 

∴∠1=12 

範例】如附圖,長方形 ABCD 中,沿 AC 摺疊,D 點 落在 D'點上,若∠DAC=25 ,則:

(1) ∠ACD=? (2) ∠AEB=?  (3) ∠ECD=?

解說】(1) △ADC 中,∠DAC=25 ,∠D=90 

∴∠ACD=180 -25 -90 =65 =∠ACD'

(2) ∵∠DAC=∠D’AC=25 

∴∠DAE=∠DAC+∠D’AC=50 

∴∠DAE=∠AEB=50 (內錯角相等)

(3) ∵∠ACE=∠DAC=25 (內錯角相等)

∴∠ECD’=∠ACD’-∠ACE=65 -25 =40 

範例】如附圖,AB  //CD  ,且正五邊形 EFGHI 的 頂點 H、F 分別在 AB  、CD  上,又∠GFD 的 度數是∠EFC 的 3 倍,求:(1) ∠GFD =?

(2) ∠AHI  =?

解說】(1) 正五邊形一內角= 

5  180  )  2  5 

(  - ´ 0

=108  設∠EFC  =x  ∴∠GFD  =3x 0

Þ +108 +3x =180 ,x =18  故∠GFD  = 18 ×3 =54 

(2) ∵AB  //CD  ∴∠HGF =∠BHG +∠GFD 

∴ 108  =∠BHG  +  54 ,∠BHG  = 54 

∴∠AHI  = 180 -54 -108 =18 0

(10)

L

L

A  B 

C  3 

2 4

範例】如附圖,有一條光線 L1經過兩個互相垂直 的平面鏡反射後,反射光線為 L2,那麼 L1 和 L2 是否平行?為什麼?

解說】∠ABC  = 90 0 Þ ∠1 + ∠2=90 , 又∠1 =∠3,∠2 =∠4,

所以∠1 +∠2 +∠3 +∠4=180 (同側內角互補)

,故 L// L2

範例】若 L // M  ,選出面積相同的圖形

解說】甲面積:甲= 

1

´ 4 ´ H=2H  乙面積:乙=3H 

丙面積:丙=2H  丁面積:丁= 

1

´ 4 ´ H=2H 

戊面積:戊= 

1

´ (3+1) ´ H=2H 

範例】如圖,已知 L // M,若∠1=40 、∠2=70 

∠A=25 ,則∠P=______度。

解說】∠P=∠1 +∠2 -∠A

=110  - 25 

= 85 

範例】如圖,已知 L//M,請問:

∠1+∠2+∠3+∠4+∠5 等於_________度。

解說】作 

L  、 

L  、 

L  平行

L

// 

∴∠1=∠a (同位角相等)

∵ 

L  // 

∴∠a+∠2=∠b (同位角相等)

∵ 

L  // 

∴∠b+∠3=∠c (同位角相等) 則∠1+∠2+∠3+∠4+∠5

=∠a+∠2+∠3+∠4+∠5

=∠b+∠3+∠4+∠5

=∠c+∠4+∠5=180 

甲 乙 丙 丁 戊 H 

M  1 

2  3 

4  5 

2 3 4

5

L

M a

b

c

1

L

1

L

2

L

3

(11)

範例】如附圖,已知

AB

//

DE 

,若∠1 = 80 

∠2 = 40 , 則∠3 =______。

解說】作

¾  ¾®

AB 

¬  ¾¾

ED 

AB

//

DE 

∴∠1 =∠4 = 80 (內錯角相等)

∴∠5=180 -∠4=180 -80 =100 

∠3 =∠2+∠5=40 +100 =140 

【範例一】 【練習一】

如圖,L 是 L 與 L 的截線,求:

(1) ∠1=_____度,∠1 的內錯角是___,其 度數是_____度。

(2) ∠2=_____度,∠3 的同位角是___,其 度數是_____度。

解答:

∠1=180 -150 =30 

∠1 的內錯角是∠5=95 

∠2=150 ,∠3 的同位角是∠5=95 

如圖,L 是 L 與 L 的截線,設∠1=50 求:

(1)∠3 的內錯角是___,其度數是_____度。

∠3 的同側內角是___,其度數是____度。

(2)∠5 的同位角是___,其度數是_____度。

(3) ∠4 的鄰角是______,其度數是____度。

(4) ∠6 的對頂角是___,其度數是_____度。

解答:

∠3 的內錯角是∠6=180 -50 =130 

∠3 的同側內角是=∠5=50 

∠5 的同位角是∠1=50 

∠4 的鄰角是∠2 或∠3=130 

∠6 的對頂角是∠7=180 -50 =130 

【範例二】 【練習二】

如圖,L  // L ,求∠ABC=?

解答:

∠ABC=180 -150 +40 =70 

如圖,已知 L // M,則∠1+∠2=?

解答:

∠1=112 -57 =55 

L

L

L  1  2  4  3 

6  5  8  7 

A  B 

E  1 

2  3 

A  B 

D  E 

2  3 

4  5 

2  1  3 

5 4  6  150 

95  L

L

L

L

C  150 

40 

112 

57 

43 

150 

M

(12)

45 

3  4 

60 

【範例三】 【練習三】

如圖,L // M,∠1:∠2 = 4:5,且

∠3 = 99 ,則∠1 =?

解答:

(1)∠ABC=180 -150 +40 =70 

(2)設∠1=4x ,∠2=5x 

∠3=∠1+∠2=4x +5x =99 0 Þ x=11

Þ ∠1=4x =44 

如圖,已知 L // M,若∠1=( 7x+1) 

,∠2 = ( 3x+8 ) ,則∠1+∠4=?

解答:

(1)∠1=112 -57 =55 

∠2=180 -150 +43 =73 

∠1+∠2=55 +73 =128 

(2)∠1 =∠2 + 45 0

Þ 7x + 1 = 3x + 8 + 45

∴x = 13

∴∠1 = 92 ,∠2 = 47 =∠3

∴∠4 = 73 

∴∠1+∠4=165 

【範例四】 【練習四】

如圖,L1 // L2,若∠1 = 100 ,∠2 = 150 

,則∠3 =?

解答:

∵∠1 +∠2 +∠3 =360 0 Þ ∠3=360 -∠1 -∠2

=360 -100 -150  =110 

如圖,AE //DF ,∠A +∠B +∠C +∠D =?

解答:

∠A +∠B +∠C +∠D =3×180 =540 

【範例五】 【練習五】

如圖,L // M,若∠1 = 12 、∠2 = 33 

∠3 = 95 ,則∠4 =?

解答:

∠1+∠3=∠2+∠4 Þ 12 +95 =33 +∠4 Þ ∠4=107 -33 =74 

如圖,L1 // L2,求∠1 的度數。

解答:作 L3 // L1 // L4 // L2, 所以∠2 = 20 

∠3 = 110  - 20  = 90 

∠4 = 180  - 90  = 90 

∠5 = 40 

∴∠1=∠4 +∠5= 90 +40 =130 

L

L

C  1 

2  3 

L

L

2  3 

A  B 

1  2 

L

L

20  110 

1  40 0

(13)

B  C 

D  1  2  E 

【範例六】 【練習六】

(1)如圖,已知 AB // DE ,若∠1 = 80 

∠2 = 40 ,則∠3 =______。

(2) 如圖,∠1 =∠A,且 10∠1 = 5∠B = 2∠C=則∠B=______度。

解答:

(1)∵∠3 =∠2 + ( 180 –∠1)

= 40  + 100 

= 140 

(2)10∠1 = 5∠B = 2∠C Þ 10∠A = 5∠B = 2∠C Þ ∠A :∠B :∠C=1:2:5

∵∠A +∠B +∠C=180 

∠B = 

×180 =45 

(1) 如圖,已知 L // M,四邊形 ABCD 為正 方形,若∠1=150 ,則∠2=?

(2) 如圖,∠1 =15 ,∠2 =50 ,則當

∠3=?時 

AD //  EF 

解答:

(1)∠1=∠4+∠A=∠4+90 0 Þ ∠4=∠1-90 

=150 -90 

=60 =∠3

∠2=∠ABC-∠3

=90 -60 =30 

(2)若 

AD // EF 

Þ ∠3+∠4=180 

∵∠4=∠1+∠2=15 +50 =65 

∠3=180 -∠4=180 -65 =115 

【範例七】 【練習七】

如圖,L // M,

ABCD

為正方形,求 

Ð 1

解答:

∠ABC=x +2x =90 0 Þ x=30

∠ADB=45 =∠1+(180 -90 -2×30 ) Þ ∠1=45 -30 =15 

如圖,L // M,

ABCD

為正方形,求 

Ð 1

解答:

∠ABC=3x +2x =90 0 Þ x=18

∠ADB=45 =∠1+(180 -90 -3×18 

∠1=45 -36 =9 

A  B 

D  E 

3  2 

D  1 

B  C 

F  1 

2  4  3 

C  D 

1  2x 

C  D 

1  3x 

2x

(14)

【範例八】 【練習八】

如圖,U//V,

ABCDE

為正五邊形,求 y 

解答:

∠ABC= 

5  )  2  5  ( -

×180 =108 =4x +5x 0 Þ x=12

4x+y+108 =180 

y=180 -108 -48 =24 

如圖,U//V,

ABCDE

為正五邊形,求 y 

解答:

∠ABC= 

5  )  2  5  ( -

×180 =108 =7x +5x 0 Þ x=9

5x+y+108 =180 

y=180 -108 -45 =27 

【範例九】 【練習九】

如圖,若 L//M,求∠1。

解答:

∠2=78 -31 =47 

∠2+∠1+62=180 

∴∠1=180 -∠2-62 =71 

如圖,若 L//M,求∠1。

解答:

∠1=∠2=25 +41 =66 

【範例十】 【練習十】

如圖,已知 AB // CD ,L 為截線, EP 平分

∠BEF, FP 平分∠EFD,試說明 EP 與 FP 之間 的關係。

如圖,已知 AB // CD ,L 為截線, EP 平分

∠BEF, FP 平分∠EFD,且∠BEF=120 ,試 問:(1) ∠1、∠2、∠3、∠4 各多少度?

(2)∠1+∠3=?

解答:

∠1=∠2=120 ÷2=60 

∠EFD=180 -60 =120 

∴∠3=∠4=60 

∠1+∠3=120 

D  E  4x 

5x 

y  U 

D  E  5x 

7x 

y  U 

1  M  78 

62  31 

1  M  78 

62  31 

M  A 

B  C 

D  41  25 

M  A 

B  C 

D  41  25 

1  2 

D  A

D  A

L  1  2 

3  4

(15)

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