Медиана, биссектриса и высота треугольника
В уроке «Треугольник. Равные треугольники. Первый признак равенства» вы узнали, из чего состоит треугольник и как сравнивать треугольники наложением. Теперь проведем в треугольнике три важных отрезка — медиану, биссектрису и высоту — и разберем, где каждый из них лежит и чем они отличаются.
Вопрос для начала. Можно ли у бумажного треугольника провести медиану, биссектрису и высоту без линейки, циркуля и транспортира — одними сгибами? И всегда ли такой сгиб поместится на самом треугольнике? Ответим в последнем разделе.
Медиана: сгиб, который кладет одну вершину на другую
Вырежьте из бумаги треугольник $ABC$. Перегните его так, чтобы вершина $B$ легла точно на вершину $C$. В уроке «Длина отрезка. Равные отрезки. Середина отрезка» такой сгиб давал середину отрезка: линия сгиба пересекает сторону $BC$ в точке $M$, и отрезки $BM$ и $MC$ совпадают, значит, $BM = MC$. Разверните лист и перегните его по линии, проходящей через $A$ и $M$, — получится отрезок $AM$.
Определение
Медиана треугольника — отрезок, соединяющий вершину треугольника с серединой противолежащей стороны.
Медиану из вершины $A$ обозначают $AM$, а равенство $BM = MC$ отмечают на чертеже одинаковыми штрихами. Из вершины $B$ можно провести медиану к середине стороны $AC$, из вершины $C$ — к середине стороны $AB$. У каждого треугольника три медианы.
Пример 1
$AM$ — медиана треугольника $ABC$, $BM = 3{,}5$ см. Найдите сторону $BC$.
Решение. Точка $M$ — середина стороны $BC$, поэтому $MC = BM = 3{,}5$ см и $BC = BM + MC = 2 \cdot 3{,}5 = 7$ см.
Ответ: 7 см.
Биссектриса треугольника — отрезок, а не луч
Второй сгиб — через вершину $A$, так, чтобы луч $AB$ лег на луч $AC$. В уроке «Угол. Развернутый угол. Сравнение углов. Биссектриса» линия такого сгиба была биссектрисой угла: углы $BAL$ и $LAC$ совпали, значит, они равны. Биссектриса угла — луч, он уходит дальше стороны $BC$ без конца. В треугольнике нужен не весь луч, а его часть от вершины $A$ до точки $L$, где луч пересек сторону $BC$.
Определение
Биссектриса треугольника — отрезок биссектрисы угла треугольника, соединяющий вершину с точкой противолежащей стороны.
У треугольника три биссектрисы — по одной из каждой вершины. Равные углы при биссектрисе отмечают одинаковыми дугами.
Пример 2
$AL$ — биссектриса треугольника $ABC$, $\angle BAL = 27^\circ$. Найдите угол $BAC$.
Решение. Биссектриса делит угол $BAC$ на два равных угла: $\angle LAC = \angle BAL = 27^\circ$. Поэтому $\angle BAC = 2 \cdot 27^\circ = 54^\circ$.
Ответ: $54^\circ$.
Ошибка
На клетчатой бумаге вершины $B$ и $C$ лежат на одной линии сетки, $BC = 12$ клеток, вершина $A$ — на 6 клеток выше прямой $BC$ и на 2 клетки правее $B$. Проведена медиана $AM$, $BM = MC = 6$ клеток. Решавр пишет: «$AM$ — медиана, значит, она делит угол $A$ пополам: $\angle BAM = \angle MAC$».
Проверка. Перегнем чертеж по $AM$: луч $AB$ не ляжет на луч $AC$. Транспортир показывает $\angle BAM \approx 52^\circ$, а $\angle MAC \approx 25^\circ$. Биссектриса угла $A$ пересекает сторону $BC$ в другой точке — в точке $L$ между $B$ и $M$.
Где сломалось рассуждение. Медиана — сгиб «$B$ на $C$», она делит пополам сторону $BC$. Угол пополам делит другой сгиб — «луч $AB$ на луч $AC$», это биссектриса. Определение медианы ничего не говорит об углах.
Высота проводится к прямой, а не к стороне
Третий сгиб — тоже через вершину $A$, но теперь так, чтобы прямая $BC$ легла сама на себя. В уроке «Перпендикулярные прямые. Перпендикуляр к прямой» доказано, что линия такого сгиба перпендикулярна прямой $BC$ и что из точки к прямой можно провести только один перпендикуляр. Пусть линия сгиба пересекает прямую $BC$ в точке $H$. Отрезок $AH$ — перпендикуляр из вершины $A$ к прямой $BC$.
Определение
Высота треугольника — перпендикуляр, проведенный из вершины треугольника к прямой, содержащей противолежащую сторону.
Обратите внимание на слова «к прямой, содержащей противолежащую сторону». Точка $H$ — основание высоты — лежит на прямой $BC$, но не обязательно на самой стороне. Где именно, зависит от углов треугольника. Прямой угол при основании высоты отмечают квадратиком. Высот у треугольника три — из каждой вершины.
По углам треугольники делят на остроугольные (все углы острые), прямоугольные (есть прямой угол) и тупоугольные (есть тупой угол).
| Вид треугольника | Признак | Высота из вершины $A$ |
|---|---|---|
| Остроугольный | все углы острые | внутри треугольника, $H$ — на стороне $BC$ |
| Прямоугольный | есть прямой угол | при $\angle B = 90^\circ$ совпадает со стороной $AB$, $H$ — это $B$ |
| Тупоугольный | есть тупой угол | при тупом $\angle B$ — вне треугольника (следующий раздел) |
Почему у прямоугольного треугольника с прямым углом $B$ высота из $A$ — сторона $AB$? Угол $ABC$ прямой, значит, $AB$ уже перпендикулярна прямой $BC$. А другого перпендикуляра из $A$ к этой прямой нет. По той же причине высота из вершины $C$ — сторона $CB$.
У тупоугольного треугольника высота выходит наружу
Возьмем бумажный треугольник $ABC$ с тупым углом $B$ и попробуем перегнуть его через вершину $A$ так, чтобы прямая $BC$ легла сама на себя. Не получится: такая линия сгиба касается треугольника только в точке $A$ и проходит мимо него. Положим треугольник на большой лист и продолжим сторону $CB$ за точку $B$. Теперь сгиб можно сделать на большом листе: линия сгиба через $A$ встретит продолжение стороны в точке $H$.
Ошибка
На клетчатой бумаге сторона $BC$ треугольника $ABC$ идет по линии сетки, $BC = 6$ клеток; вершина $A$ на 4 клетки выше прямой $BC$ и на 3 клетки левее $B$. Угол $B$ тупой. Решавр рассуждает: «Высота из $A$ должна упасть на сторону $BC$» — и проводит отрезок $AK$ в точку $K$ стороны $BC$, на 1 клетку правее $B$.
Проверка. Отрезок $AK$ идет по диагоналям клеток, и угольник показывает: $\angle AKB = 45^\circ$, а не $90^\circ$. Перпендикуляр к горизонтальной прямой $BC$ — вертикальная линия сетки через $A$. Она пересекает прямую $BC$ в точке $H$ на 3 клетки левее $B$, вне стороны $BC$. Другого перпендикуляра из $A$ к прямой $BC$ нет.
Где сломалось рассуждение. Высоту проводят к прямой $BC$, а не к стороне. Если угол $B$ тупой, основание высоты из $A$ лежит на продолжении стороны $CB$.
Как построить высоту тупоугольного треугольника
Продолжите противолежащую сторону за вершину тупого угла. Приложите угольник одной стороной прямого угла к этой прямой так, чтобы другая сторона прошла через вершину, и проведите перпендикуляр. На клетчатой бумаге, если сторона идет по линии сетки, высота — линия сетки, перпендикулярная ей.
Пример 3
В треугольнике $ABC$ угол $ABC$ равен $120^\circ$, $AH$ — высота. Найдите угол $ABH$.
Решение. Угол $B$ тупой, поэтому основание высоты $H$ лежит на продолжении стороны $CB$ за точку $B$. Лучи $BH$ и $BC$ дополняют друг друга до прямой, значит, углы $ABH$ и $ABC$ смежные (урок «Смежные и вертикальные углы»). Их сумма $180^\circ$, поэтому $\angle ABH = 180^\circ-120^\circ = 60^\circ$.
Ответ: $60^\circ$.
Три сгиба из одной вершины — три разных отрезка
Соберем все вместе. Из вершины $A$ мы сделали три разных сгиба, и каждый дал свое равенство. Медиана, биссектриса и высота из одной вершины обычно не совпадают: у каждой своя точка на прямой $BC$.
| Сгиб | Что совпало | Отрезок |
|---|---|---|
| $B$ на $C$ | $BM$ и $MC$: $BM = MC$ | медиана $AM$ |
| луч $AB$ на луч $AC$ | углы $BAL$ и $LAC$: $\angle BAL = \angle LAC$ | биссектриса $AL$ |
| прямая $BC$ сама на себя, через $A$ | смежные углы при $H$: $\angle AHB = 90^\circ$ | высота $AH$ |
Бывают ли треугольники, у которых три отрезка из одной вершины сливаются в один? Найдите такое положение вершины $A$ в интерактиве (задание 3).
Почему три отрезка сливаются при $AB = AC$, разберем в уроке «Равнобедренный и равносторонний треугольники».
Пример 4 (повышенный)
$AL$ — биссектриса треугольника $ABC$, $AB < AC$. На стороне $AC$ отмечена точка $E$ так, что $AE = AB$. Докажите, что $BL = EL$.
Подсказка — сгиб: перегнем чертеж по $AL$. Луч $AB$ ляжет на луч $AC$, а так как $AE = AB$, точка $B$ попадет в $E$. Но сгиб — только способ увидеть ответ. Доказательство — признак равенства треугольников.
Показать доказательство
Скрыть
Дано: $\triangle ABC$, $AL$ — биссектриса, $E$ на стороне $AC$, $AE = AB$. Доказать: $BL = EL$.
Доказательство. Рассмотрим треугольники $ABL$ и $AEL$.
1) $AB = AE$ (по условию).
2) $AL$ — общая сторона.
3) $\angle BAL = \angle EAL$ ($AL$ — биссектриса угла $BAC$) — это углы между равными сторонами.
По первому признаку $\triangle ABL = \triangle AEL$. Значит, $BL = EL$ как соответственные стороны. Что и требовалось доказать.
Теперь ответим на вопрос из начала урока. Да, все три отрезка можно получить одними сгибами: медиану — сгибом «$B$ на $C$» и затем сгибом через $A$ и $M$, биссектрису — сгибом «луч $AB$ на луч $AC$», высоту — сгибом через $A$, кладущим прямую $BC$ саму на себя. Но не всегда сгиб помещается на самом треугольнике: у тупоугольного треугольника линия сгиба для высоты из вершины острого угла проходит мимо него, и треугольник приходится класть на лист больше.
Интересный факт: сгибы как инструмент геометрии
Скрыть
Три сгиба этого урока входят в список основных операций геометрии на бумаге. В 1986 году такой список составил французский математик Жак Жюстен, а в 1989 году независимо от него — Хумиаки Хузита на первой международной конференции по науке и технике оригами в Ферраре (Италия). Среди операций есть сгиб, кладущий точку на точку, сгиб, кладущий прямую на прямую, и сгиб через точку, перпендикулярный прямой, — так строятся середина стороны (для медианы), биссектриса и высота.
Интересный факт: треугольник на острие
Скрыть
Вырежьте треугольник из плотного картона и проведите все три медианы. Они пересекутся в одной точке. Если поставить треугольник этой точкой на острие карандаша, он будет держаться в равновесии. Еще Архимед в сочинении «О равновесии плоских фигур» доказал, что центр тяжести треугольника лежит на пересечении его медиан. Доказательство того, что медианы пересекаются в одной точке, вас ждет в старших классах.
Вывод
Медиана, биссектриса и высота — три главных отрезка треугольника, они понадобятся почти в каждой задаче о треугольниках, в том числе на ОГЭ. Чтобы не путать их, вспоминайте три сгиба: каждый отвечает за свое равенство.
Часто задаваемые вопросы
Биссектриса угла — луч: линия сгиба уходит без конца. Биссектриса треугольника — отрезок этого луча от вершины до точки на противолежащей стороне. Поэтому у биссектрисы треугольника есть длина, а у биссектрисы угла ее нет.
Если один из углов при стороне тупой, перпендикуляр из противолежащей вершины не попадает на саму сторону. Он встречает только ее продолжение. Чтобы высота была у каждого треугольника, в определении говорят о прямой, содержащей сторону.
Может, но не в любом треугольнике. В треугольнике с равными сторонами $AB$ и $AC$ медиана, биссектриса и высота из вершины $A$ совпадают — это докажем в уроке о равнобедренном треугольнике. Поэтому из того, что отрезок — медиана, нельзя заключать, что он делит угол пополам.
Если сторона идет по линии сетки, высота к ней — линия сетки, перпендикулярная этой стороне, через противолежащую вершину. Если основание высоты не попало на сторону, продолжите сторону. Длину такой высоты считают по клеткам.
Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.
- Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
- Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
- Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий