Подготовка к школе
1 класс
2 класс
3 класс
4 класс
5 класс
6 класс
7 класс
8 класс
9 класс
10 класс
11 класс
ОГЭ
ЕГЭ
Для всех
Назад

Средняя линия треугольника

Содержание

В уроке о теореме Фалеса параллельные прямые переносили равенство отрезков с одной стороны угла на другую, а в методе удвоения медианы треугольник вместе со своей копией складывался в параллелограмм. Сегодня эти приемы докажут свойство средней линии треугольника. С ним вы найдете недоступное расстояние, увидите параллелограмм внутри любого четырехугольника и докажете, что медианы делятся в отношении $2 : 1$.

Что получается, если соединить середины двух сторон

Расстояние $BC$ через озеро — между точками $B$ и $C$ на противоположных берегах — рулеткой напрямую не измерить. Зато из точки $A$ на суше можно пройти по прямой и до $B$, и до $C$. Как по этим путям узнать $BC$, выясним в последнем разделе.

Начнем с клетчатой бумаги. В каждом треугольнике на рисунке отмечены середины $M$ и $N$ сторон $AB$ и $AC$. Посчитаем клетки: при $BC = 6$ отрезок $MN = 3$, при $BC = 8$ — $MN = 4$, при $BC = 10$ — $MN = 5$. Каждый раз $MN$ идет вдоль линии сетки, как и $BC$, и вдвое короче ее.

Три разных треугольника на клетках: в каждом средняя линия MN параллельна BC и вдвое короче: 3 и 6, 4 и 8, 5 и 10 клеток
В трех разных треугольниках отрезок $MN$ параллелен $BC$ и вдвое короче: $3$ и $6$, $4$ и $8$, $5$ и $10$ клеток

Определение

Средней линией треугольника называется отрезок, соединяющий середины двух его сторон.

У треугольника три средние линии — по одной на каждую пару сторон. Для линии $MN$ сторона $BC$, на которой нет ее концов, — третья сторона. Тяните вершины $A$ и $C$: форма и длины меняются, а $MN$ остается параллельной $BC$ и вдвое короче. Задание: добейтесь, чтобы средняя линия была равна $7$.

Ошибка

В треугольнике с $BC = 12$ Решавр видит отрезок $PQ \parallel BC$ ($P$ на $AB$, $Q$ на $AC$) и пишет: «$PQ$ параллелен стороне, значит, это средняя линия и $PQ = 6$».

Проверим по клеткам (рисунок): $PQ = 4$, а настоящая средняя линия $MN = 6$. Точка $P$ отстоит от $A$ на треть стороны $AB$, а не на половину.

Где сломалось рассуждение: среднюю линию определяют концы, а не направление. Отрезков, параллельных $BC$, в треугольнике бесконечно много, и длины у них разные; средняя линия — только тот, у которого оба конца — середины сторон.

Отрезок PQ параллелен BC, но не средняя линия: PQ = 4, а средняя линия MN = 6, BC = 12
$PQ$ тоже параллелен $BC$, но $P$ — не середина $AB$, и $PQ = 4$, а не $6$. Половина $BC$ — только у средней линии $MN$

Почему средняя линия вдвое короче стороны

Теорема о средней линии

Средняя линия треугольника параллельна третьей стороне и равна ее половине.

$$MN \parallel BC,\qquad MN = \frac{BC}{2}$$

Докажем это булавкой. Разрежем треугольник по средней линии $MN$, воткнем булавку в середину $N$ стороны $AC$ и повернем кусок $AMN$ на пол-оборота. Точка $A$ перейдет в $C$, а $M$ — в точку $K$ на продолжении $MN$, причем $NK = MN$. Треугольник стал четырехугольником $MBCK$ (рисунок). Докажем, что это параллелограмм.

Пол-оборота куска AMN вокруг N даёт параллелограмм MBCK: MK = BC, а MN — половина MK
Пол-оборота вокруг $N$ переносит кусок $AMN$ на место $CKN$: получается параллелограмм $MBCK$, в нем $MK = BC$, а $MN$ — половина $MK$

Доказательство

Дано: $M$ и $N$ — середины сторон $AB$ и $AC$ треугольника $ABC$. Доказать: $MN \parallel BC$, $MN = \frac{BC}{2}$.

Шаг 1. Продлим $MN$ за точку $N$ и отложим $NK = MN$.

Шаг 2. В четырехугольнике $AMCK$ диагонали $AC$ и $MK$ пересекаются в точке $N$ и делятся ею пополам. По признаку это параллелограмм — как в методе удвоения медианы. Значит, $CK \parallel AM$ и $CK = AM$.

Шаг 3. $AM = MB$, поэтому $CK = MB$; и $CK \parallel MB$, ведь $MB$ лежит на прямой $AM$. Стороны $MB$ и $CK$ четырехугольника $MBCK$ параллельны и равны, значит, $MBCK$ — параллелограмм.

Шаг 4. Тогда $MK \parallel BC$ и $MK = BC$. Так как $MN = NK$, получаем $MN = \frac{MK}{2} = \frac{BC}{2}$. Что и требовалось доказать.

Из теоремы Фалеса следует полезный факт: прямая, проходящая через середину стороны $AB$ параллельно $BC$, пересекает $AC$ в ее середине. Действительно, параллельные прямые через $A$, $M$ и $B$ отсекают на $AB$ равные отрезки $AM$ и $MB$, значит, и на $AC$ — равные. Поэтому отрезок такой прямой внутри треугольника — средняя линия.

Второе доказательство — по теореме Фалеса

Скрыть

По факту выше прямая через $M$, параллельная $BC$, проходит через $N$, то есть $MN \parallel BC$. Проведем через $N$ прямую, параллельную $AB$; она пересечет $BC$ в точке $P$, и по тому же факту $P$ — середина $BC$. В четырехугольнике $MNPB$ противоположные стороны параллельны — это параллелограмм, поэтому $MN = BP = \frac{BC}{2}$.

Ошибка

$BC = 8$, $MN$ — средняя линия. Решавр пишет: «$MN \parallel BC$, а параллельные отрезки равны, поэтому $MN = 8$».

Проверим (рисунок): отложим от $M$ вдоль $MN$ отрезок длиной $8$. Он закончится в точке $K$ за стороной $AC$, вдвое дальше $N$. Внутри треугольника помещается только половина: $MN = 4$.

Где сломалось рассуждение: из параллельности не следует равенство длин. Равны противоположные стороны параллелограмма $MBCK$: $MK = BC$. А $MN$ — половина $MK$.

Отрезок длины BC от точки M выходит за сторону AC; средняя линия MN = 4 вдвое короче BC = 8
Отрезок длиной $BC = 8$ от точки $M$ выходит за сторону $AC$ и кончается в $K$; средняя линия $MN$ — его половина, $4$

Три средние линии режут треугольник на четыре равных

Проведем все три средние линии: $M$, $N$, $P$ — середины сторон $AB$, $AC$, $BC$. Получились четыре треугольника (рисунок). Стороны каждого — половины сторон $ABC$: у углового $AMN$ это $AM = \frac{AB}{2}$, $AN = \frac{AC}{2}$ и $MN = \frac{BC}{2}$, у среднего $MNP$ — три средние линии. По трем сторонам все четыре треугольника равны.

Булавка показывает то же: пол-оборота вокруг середины отрезка $MN$ меняет местами $M$ и $N$, а вершину $A$ переводит в $P$: $AMPN$ — параллелограмм ($NP \parallel AB$ и $NP = AM$), и его диагонали $MN$ и $AP$ делятся пополам. Угловой треугольник ложится точно на средний.

Три средние линии делят треугольник ABC на четыре равных треугольника со сторонами, равными половинам сторон ABC
Три средние линии делят треугольник на четыре равных: у каждого стороны — половины сторон $ABC$

Пример

Стороны треугольника: $AB = 6$, $BC = 8$, $AC = 12$. Найдите периметр каждого из четырех треугольников, на которые его делят средние линии.

Решение. Стороны каждого треугольника — половины сторон $ABC$: $3$, $4$ и $6$. Периметр $3 + 4 + 6 = 13$. Проверка: это половина периметра $ABC$, $(6 + 8 + 12) : 2 = 13$.

Ответ: $13$ у каждого.

Ошибка

Стороны треугольника $ABC$: $AB = 10$, $BC = 14$, $AC = 12$. Решавр: «Вершины треугольника $MNP$ из средних линий лежат на всех трех сторонах, значит, его периметр равен периметру $ABC$, то есть $36$».

Проверим: $MN = 7$, $NP = 5$, $MP = 6$, периметр $18$. На рисунке три средние линии, выложенные в ряд, покрывают только половину обхода $ABC$.

Где сломалось рассуждение: каждая сторона $MNP$ равна половине параллельной ей стороны $ABC$, поэтому и сумма вдвое меньше. Периметр треугольника из средних линий — половина периметра исходного.

Стороны ABC равны 10, 14, 12, средние линии MNP — 5, 7, 6: периметр MNP равен 18, вдвое меньше 36
Средние линии $7$, $5$ и $6$ — половины сторон $14$, $10$ и $12$: периметр $MNP$ равен $18$, вдвое меньше $36$

Середины сторон любого четырехугольника — вершины параллелограмма

Отметим середины сторон четырехугольника $ABCD$: $M$ на $AB$, $N$ на $BC$, $P$ на $CD$, $Q$ на $DA$. Диагональ $AC$ делит его на треугольники $ABC$ и $ACD$. В первом $MN$ — средняя линия, во втором $QP$; обе параллельны $AC$ и равны $\frac{AC}{2}$. Две противоположные стороны $MNPQ$ параллельны и равны, значит, это параллелограмм. Его стороны — половины диагоналей $ABCD$, а периметр равен сумме диагоналей.

Середины сторон четырёхугольника ABCD: MN и QP параллельны диагонали AC и равны её половине, MNPQ — параллелограмм
$MN$ и $QP$ — средние линии треугольников $ABC$ и $ACD$: обе параллельны $AC$ и равны ее половине, поэтому $MNPQ$ — параллелограмм

Пример

Диагонали четырехугольника равны $9$ и $14$. Найдите периметр четырехугольника с вершинами в серединах его сторон.

Решение. Две стороны равны $9 : 2 = 4{,}5$, две другие — $14 : 2 = 7$. Периметр $2 \cdot (4{,}5 + 7) = 23$ — сумма диагоналей.

Ответ: $23$.

Медианы делят друг друга в отношении 2 к 1

Теорема о медианах

Медианы треугольника пересекаются в одной точке и делятся ею в отношении $2 : 1$, считая от вершины: если $AA_1$ — медиана, $O$ — точка пересечения медиан, то

$$AO : OA_1 = 2 : 1$$

Доказательство

Пусть медианы $AA_1$ и $BB_1$ пересекаются в точке $O$, а $P$ и $Q$ — середины отрезков $AO$ и $BO$.

Шаг 1. $A_1B_1$ — средняя линия треугольника $ABC$: $A_1B_1 \parallel AB$, $A_1B_1 = \frac{AB}{2}$. $PQ$ — средняя линия треугольника $AOB$: $PQ \parallel AB$, $PQ = \frac{AB}{2}$.

Шаг 2. Стороны $PQ$ и $A_1B_1$ четырехугольника $PQA_1B_1$ параллельны и равны — это параллелограмм. Его диагонали $PA_1$ и $QB_1$ делятся точкой $O$ пополам: $PO = OA_1$.

Шаг 3. Итак, $AP = PO = OA_1$, и $AO : OA_1 = 2 : 1$; так же $BO : OB_1 = 2 : 1$. Третья медиана пересекает $AA_1$ в точке, которая тоже делит $AA_1$ в отношении $2 : 1$, — это та же точка $O$. Значит, все три медианы проходят через $O$.

Медианы AA_1 и BB_1 пересекаются в O; PQ и A_1B_1 параллельны AB и равны её половине, поэтому AP = PO = OA_1 и AO : OA_1 = 2 : 1
Средние линии $A_1B_1$ и $PQ$ параллельны $AB$ и равны ее половине: $PQA_1B_1$ — параллелограмм, и $AP = PO = OA_1$

Пример

Медиана $AA_1 = 21$ см. Найдите $AO$ и $OA_1$, где $O$ — точка пересечения медиан.

Решение. $AA_1$ состоит из трех равных частей по $21 : 3 = 7$ см; на $AO$ приходятся две: $AO = 14$ см, $OA_1 = 7$ см.

Ответ: $14$ см и $7$ см.

Как измерить озеро, не переплывая его

Задача

Точки $B$ и $C$ — на противоположных берегах озера. Из точки $A$ прошли по прямым: $AB = 240$ м, $AC = 310$ м. На серединах путей поставили вехи: $M$ — в $120$ м от $A$, $N$ — в $155$ м от $A$. Расстояние между вехами по суше $MN = 135$ м. Найдите расстояние $BC$ через озеро.

Решение. 1. $M$ и $N$ — середины сторон $AB$ и $AC$ треугольника $ABC$, поэтому $MN$ — средняя линия.

2. По теореме $MN = \frac{BC}{2}$, откуда $BC = 2 \cdot 135 = 270$ м.

3. Проверка смысла: сторона треугольника меньше суммы двух других, $270 < 240 + 310$.

Ответ: $270$ м.

Карта: озеро между берегами B и C, вехи M и N на серединах AB и AC; MN = 135 м, значит, расстояние BC через озеро равно 270 м
Вехи $M$ и $N$ на серединах путей $AB$ и $AC$: $MN = 135$ м, значит, расстояние $BC$ через озеро равно $270$ м

Вывод

Средняя линия заменяет недоступную сторону треугольника вдвое меньшим отрезком, который легко измерить. На ней держатся задачи о периметрах, о середине сторон четырехугольника и о медианах; в следующем уроке тот же прием даст формулу средней линии трапеции.

Чтобы вспомнить главное, представьте треугольник, разрезанный по средней линии: угловой кусок поворачивается вокруг середины стороны и достраивает параллелограмм.

СлучайЧто представитьВывод
Отрезок с концами на двух сторонахОба конца — середины?Только тогда это средняя линия
Найти линию или сторонуКусок $AMN$ повернут вокруг $N$: $MK = BC$$MN = \frac{BC}{2}$, $BC = 2 \cdot MN$
Три средние линииЧетыре равных треугольникаПериметр из линий — половина периметра
Середины сторон четырехугольникаДва треугольника по диагоналиПараллелограмм, стороны — половины диагоналей
Точка пересечения медианПараллелограмм из двух средних линий$2 : 1$, считая от вершины

Часто задаваемые вопросы

Чем средняя линия отличается от медианы?

Медиана соединяет вершину с серединой противоположной стороны, у средней линии оба конца — середины сторон. Медиан и средних линий у треугольника по три. Средняя линия всегда параллельна стороне, медиана — никогда: она проходит через вершину.

Если один конец отрезка — середина стороны, а сам он параллелен третьей стороне, это средняя линия?

Да. По следствию из теоремы Фалеса прямая через середину одной стороны, параллельная другой, проходит через середину третьей. Значит, второй конец тоже середина. Без параллельности вывод неверен.

Где пригодится точка пересечения медиан?

Это центр масс треугольника: однородная треугольная пластинка, например из картона, держится в равновесии на острие, поставленном в эту точку. Поэтому ее называют центроидом.

Награды за урок
5
5
1
Количество опыта, полученного за урок 5
Ускорьте прогресс с полным доступом

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.
Не потеряйте прогресс!

Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:

  • Отслеживайте прогресс освоения тем
  • Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
  • Проводите работу над ошибками после занятий

Спросить Зави Спросить Зави
Получить ещё подсказку

Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

Верно! Посмотрите пошаговое решение

Предложить улучшение