Обратная теорема Пифагора: признак прямоугольного треугольника
В уроке «Теорема Пифагора» мы знали, что угол прямой, и находили сторону: в прямоугольном треугольнике квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов. В этом уроке задача обратная: известны три стороны, и нужно узнать, есть ли в треугольнике прямой угол. Докажем обратную теорему Пифагора, научимся проверять тройку чисел и разберем ошибки, которые в такой проверке делают чаще всего.
Как веревка с узлами отмечает прямой угол
Строителю нужно разметить угол фундамента, а большого угольника нет. Есть старый прием: веревку делят узлами на $12$ равных частей и натягивают треугольником со сторонами $3$, $4$ и $5$ частей. Угол между сторонами в $3$ и $4$ части получается прямым. Почему так выходит и можно ли этому доверять? Ответ — в конце третьего раздела.
Проведем опыт. Закрепим стороны $CB = 3$ и $CA = 4$ шарниром в точке $C$ и будем менять третью сторону $AB = c$. На каждой стороне построим квадрат — «клумбу», как в прошлом уроке, и сравним большую клумбу $c^2$ с суммой двух малых $3^2 + 4^2 = 25$.
| Третья сторона $c$ | $c^2$ | $3^2 + 4^2$ | Угол $C$ |
|---|---|---|---|
| $4$ | $16$ | $25$ | $68^\circ$, острый |
| $5$ | $25$ | $25$ | $90^\circ$, прямой |
| $6$ | $36$ | $25$ | $117^\circ$, тупой |
Прямой угол получился ровно тогда, когда большая клумба равна сумме двух малых: $3^2 + 4^2 = 5^2$. Теорема Пифагора этого не объясняет: она начинает с прямого угла, а у нас прямой угол — то, что надо проверить. Нужна новая теорема.
Условие и вывод меняются местами
В теореме Пифагора дано, что угол прямой, а вывод — равенство клумб. Так работает задача про лестницу: лестница стоит у стены, угол между стеной и землей прямой, и по двум сторонам мы находим третью. В нашем опыте все наоборот: стороны известны, а про угол надо сделать вывод.
Определение
Обратная теорема — утверждение, в котором условие и вывод данной теоремы поменялись местами.
Обратное утверждение не обязано быть верным. Теорема из 7 класса: «Если углы вертикальные, то они равны». Обратное утверждение «Если углы равны, то они вертикальные» неверно: два угла по $40^\circ$ можно нарисовать в разных местах листа. Поэтому обратную теорему Пифагора придется доказывать отдельно — это сделаем в следующем разделе.
Теорема (обратная теореме Пифагора)
Если квадрат наибольшей стороны треугольника равен сумме квадратов двух других сторон, то треугольник прямоугольный.
Прямой угол лежит против наибольшей стороны.
Ошибка
Стороны треугольника равны $1{,}5$, $2$ и $2{,}5$. Решавр пишет: «$1{,}5^2 + 2^2 = 2{,}25 + 4 = 6{,}25 = 2{,}5^2$, значит, по теореме Пифагора треугольник прямоугольный».
Вычисления верны, а ссылка — нет. Теорема Пифагора говорит только о треугольниках, про которые уже известно, что они прямоугольные. Здесь прямой угол не дан, его надо получить. Вывод «треугольник прямоугольный» дает обратная теорема Пифагора — ее и надо назвать.
Почему признак верен: треугольник-двойник
Начнем с веревки. У нас есть треугольник со сторонами $3$, $4$ и $5$, про угол мы ничего не знаем. Нарисуем рядом другой треугольник — с прямым углом и катетами $3$ и $4$. Про него теорема Пифагора уже говорит: его гипотенуза равна $\sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{25} = 5$. Получились два треугольника с одинаковыми сторонами $3$, $4$ и $5$. По третьему признаку равенства они равны, значит, равны и их углы. У двойника угол прямой — значит, прямой и у треугольника из веревки.
Доказательство
Дано: треугольник $ABC$, $AB = c$, $BC = a$, $AC = b$, и $c^2 = a^2 + b^2$. Доказать: $\angle C = 90^\circ$.
Шаг 1. Построим треугольник $A_1B_1C_1$ с прямым углом $C_1$ и катетами $B_1C_1 = a$, $A_1C_1 = b$ (на сторонах прямого угла отложим отрезки $a$ и $b$).
Шаг 2. По теореме Пифагора для двойника $A_1B_1^2 = a^2 + b^2$. По условию $a^2 + b^2 = c^2$, значит, $A_1B_1^2 = c^2$ и $A_1B_1 = c$.
Шаг 3. В треугольниках $ABC$ и $A_1B_1C_1$ стороны соответственно равны: $BC = B_1C_1 = a$, $AC = A_1C_1 = b$, $AB = A_1B_1 = c$. По третьему признаку равенства треугольников $\triangle ABC = \triangle A_1B_1C_1$.
Шаг 4. В равных треугольниках против равных сторон лежат равные углы: $\angle C = \angle C_1 = 90^\circ$. Что и требовалось доказать.
Теперь понятно, почему работает веревка. Треугольник $3$, $4$, $5$ из узлов равен двойнику с прямым углом, потому что $3^2 + 4^2 = 5^2$. Так же подойдет любая тройка с таким равенством, например $5$, $12$, $13$ — это веревка из $30$ равных частей. Тройки натуральных чисел с равенством $a^2 + b^2 = c^2$ называют пифагоровыми тройками.
Интересный факт: как это доказывал Евклид
Скрыть
В «Началах» Евклида (около 300 года до н. э.) теорема Пифагора — предложение 47 первой книги, а обратная теорема — следующее, 48-е. Евклид доказывает ее тем же способом: строит рядом треугольник с прямым углом и сравнивает треугольники по трем сторонам.
Про веревку с узлами часто пишут, что ею пользовались землемеры Древнего Египта. Прямых свидетельств этому нет: это догадка историка математики Морица Кантора, высказанная в XIX веке. Сам прием разметки прямого угла треугольником $3$, $4$, $5$ строители используют до сих пор.
Большая клумба — всегда на самой длинной стороне
Посмотрите на три прямоугольных треугольника: $3$, $4$, $5$; $5$, $12$, $13$; $8$, $15$, $17$. В каждом отдельно в равенстве стоит наибольшее число: $3^2 + 4^2 = 5^2$, $5^2 + 12^2 = 13^2$, $8^2 + 15^2 = 17^2$. Это не случайность. Если $c^2 = a^2 + b^2$, то $c^2$ больше и $a^2$, и $b^2$, поэтому $c$ — самая длинная сторона. Большая клумба может лежать только на наибольшей стороне, и прямой угол лежит против нее.
Ошибка
Стороны треугольника названы в порядке $30$, $18$, $24$. Решавр берет последнюю сторону за $c$: «$30^2 + 18^2 = 900 + 324 = 1224$, а $24^2 = 576$. Равенства нет, треугольник не прямоугольный».
Проверим по правилу: наибольшая сторона — $30$, и $18^2 + 24^2 = 324 + 576 = 900 = 30^2$. Треугольник прямоугольный. Рассуждение сломалось на выборе стороны: квадрат не наибольшей стороны всегда меньше суммы двух других, равенства с ним не бывает, и проверка заранее дает ответ «нет».
Как проверить, прямоугольный ли треугольник
1. Найти наибольшую сторону $c$.
2. Сравнить $c^2$ с суммой квадратов двух других сторон $a^2 + b^2$.
3. Если $c^2 = a^2 + b^2$, треугольник прямоугольный, прямой угол лежит против стороны $c$. Если равенства нет, треугольник не прямоугольный.
Пример 1
В треугольнике $KLM$ стороны $KL = 28$, $LM = 53$, $KM = 45$. Прямоугольный ли он? Если да, какой угол прямой?
Решение. Наибольшая сторона — $LM = 53$, $53^2 = 2809$. Сумма квадратов двух других: $28^2 + 45^2 = 784 + 2025 = 2809$. Равенство верно, по обратной теореме Пифагора треугольник прямоугольный. Прямой угол лежит против стороны $LM$, то есть при вершине $K$.
Ответ: да, $\angle K = 90^\circ$.
Клумбы должны совпасть точно
Вернемся к опыту с веревкой. При $c = 4$ большая клумба была меньше суммы малых ($16 < 25$), и угол $C$ вышел острым. При $c = 6$ она была больше ($36 > 25$), и угол вышел тупым. Прямой угол получился только при точном равенстве.
Обратите внимание
Наблюдение (доказывать его в этом уроке не будем): если $c$ — наибольшая сторона, то
Речь об угле против стороны $c$. Остальные два угла треугольника всегда острые.
Ошибка
Стороны треугольника равны $8$, $9$ и $12$. Решавр считает: «$8^2 + 9^2 = 64 + 81 = 145$, $12^2 = 144$. Разница всего $1$ — значит, треугольник прямоугольный».
Проверим: угол против стороны $12$ равен примерно $89{,}6^\circ$. На глаз он прямой, но не прямой: $144 < 145$, и угол острый. Обратная теорема требует точного равенства, «почти равно» ничего не доказывает. Решавр перепутал признак с приближенной оценкой.
В модели ниже стороны $CA = 4$ и $CB = a$ скреплены шарниром, третья сторона $c$ меняется ползунком. Модель сравнивает $c^2$ с $a^2 + b^2$ и показывает угол $C$. Найдите $c$, при котором угол прямой, для $a = 3$. Затем поставьте $a = 6$: удастся ли сделать угол точно прямым? И наконец поставьте $a = 5$, $c = 3$ — угол $C$ острый, но нет ли в треугольнике другого прямого угла?
При $a = 6$ нужно $c^2 = 36 + 16 = 52$, а среди чисел с одним знаком после запятой такого $c$ нет: $7{,}2^2 = 51{,}84$, $7{,}3^2 = 53{,}29$. Угол бывает $89{,}8^\circ$ или $91{,}5^\circ$, но не $90^\circ$. При $a = 5$, $c = 3$ наибольшая сторона — $a$, и $3^2 + 4^2 = 5^2$: прямой угол лежит против стороны $a$, а не при вершине $C$.
Признак в задачах: разметка угла и площадь
В задачах признак работает так же, как веревка строителя: сначала проверяем клумбы, а когда угол оказался прямым, пользуемся всем, что знаем о прямоугольном треугольнике, — например, площадью через катеты.
Пример 2
Строители отмерили от угла фундамента $2{,}1$ м вдоль одной стены и $2{,}8$ м вдоль другой. Расстояние между метками $3{,}6$ м. Прямой ли угол? Какой должна быть эта диагональ, чтобы угол был прямым?
Решение. Наибольшая сторона — $3{,}6$: $3{,}6^2 = 12{,}96$. Сумма квадратов двух других: $2{,}1^2 + 2{,}8^2 = 4{,}41 + 7{,}84 = 12{,}25$. Равенства нет, $12{,}96 > 12{,}25$ — угол тупой, стены разошлись. Для прямого угла нужно $c^2 = 12{,}25$, то есть $c = 3{,}5$ м.
Ответ: нет, угол тупой; диагональ должна быть $3{,}5$ м.
Пример 3
Стороны треугольника равны $61$, $11$ и $60$. Докажите, что он прямоугольный, и найдите его площадь.
Решение. Наибольшая сторона — $61$: $61^2 = 3721$. $11^2 + 60^2 = 121 + 3600 = 3721$. Равенство верно, по обратной теореме Пифагора треугольник прямоугольный. Катеты — две меньшие стороны $11$ и $60$, гипотенуза $61$ в формулу площади не входит: $S = \tfrac12 \cdot 11 \cdot 60 = 330$.
Ответ: $330$.
Вывод
Теорема Пифагора и обратная к ней — одна связь, прочитанная в две стороны. Знаем, что угол прямой, — находим сторону. Знаем три стороны — проверяем угол: квадрат наибольшей стороны сравниваем с суммой квадратов двух других. Этим пользуются строители, когда размечают угол веревкой $3$, $4$, $5$, и это же нужно в задачах ОГЭ, где надо увидеть прямоугольный треугольник по числам. Больше задач — в уроке «Практикум: теорема Пифагора в задачах».
| Случай | Как вспомнить через клумбы |
|---|---|
| Угол прямой, ищем сторону | Теорема Пифагора: большая клумба равна сумме малых |
| Даны три стороны, прямой ли угол | Обратная теорема: клумбы совпали — угол прямой |
| Какую сторону брать отдельно | Наибольшую: большая клумба только на самой длинной стороне |
| Суммы почти равны | Не признак: клумбы должны совпасть точно |
| Большая клумба меньше или больше | Угол против нее острый или тупой |
Часто задаваемые вопросы
Для верности теоремы — нет: если квадрат какой-то стороны равен сумме квадратов двух других, эта сторона и так наибольшая. Но слово подсказывает, какую сторону брать при проверке. Квадрат меньшей стороны с суммой квадратов двух других не сравнивают: равенства с ним не бывает.
Их полезно узнавать сразу: $3$, $4$, $5$; $5$, $12$, $13$; $8$, $15$, $17$; $7$, $24$, $25$. Если все стороны треугольника умножить на одно число, равенство сохранится: $6$, $8$, $10$ — тоже прямоугольный треугольник. Но проверку все равно стоит записать, ведь «похожая» тройка может оказаться не пифагоровой.
Транспортир дает приближенный результат: угол $89{,}6^\circ$ на чертеже не отличить от прямого. Обратная теорема Пифагора дает точный ответ по длинам сторон. Поэтому в задачах вывод о прямом угле делают по равенству, а не по рисунку.
Да, если сравнивали квадрат наибольшей стороны. Если бы треугольник был прямоугольным, по теореме Пифагора равенство выполнялось бы для его гипотенузы, то есть для наибольшей стороны. Здесь работают обе теоремы вместе.
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