Подібність трикутників

Подібність — це інструмент, який дозволяє вимірювати недосяжне: висоту дерева за довжиною його тіні, ширину річки з одного берега, відстань до недоступної точки. Ідея всюди та сама: побудувати маленький трикутник, подібний до великого, виміряти доступні сторони й перенести пропорцію. На НМТ ця тема з'являється і як окрема задача, і як прихований крок — щоразу, коли в умові є паралельні прямі або спільний кут.

Що таке подібні трикутники

Два трикутники подібні, якщо їхні відповідні кути рівні, а відповідні сторони пропорційні. Коефіцієнт пропорційності kk — це коефіцієнт подібності:

aa=bb=cc=k.\dfrac{a'}{a} = \dfrac{b'}{b} = \dfrac{c'}{c} = k.

Подібні трикутники мають однакову форму, але різний розмір.

Ключове слово тут — відповідні. Сторони зіставляють не за порядком запису, а за положенням: проти рівних кутів. Тому перед складанням пропорції варто виписати відповідність вершин, наприклад AAA \leftrightarrow A', BBB \leftrightarrow B', CCC \leftrightarrow C', і лише потім записувати відношення.

Ознаки подібності

Трикутники подібні, якщо виконується будь-яка з умов:

  1. За двома кутами — два кути одного трикутника дорівнюють двом кутам іншого.
  2. За двома сторонами й кутом між ними — дві сторони пропорційні, а кути між ними рівні.
  3. За трьома сторонами — усі три пари сторін пропорційні.

На практиці майже завжди працює перша ознака — вона найдешевша: досить знайти дві пари рівних кутів. А рівні кути найчастіше беруться з двох джерел: спільний кут двох трикутників і рівні кути при паралельних прямих. Саме тому пряма, паралельна стороні трикутника, автоматично відтинає трикутник, подібний до вихідного.

Приклад 1 — паралельна пряма відтинає подібний трикутник

У трикутнику ABCABC пряма MNACMN \parallel AC перетинає сторони ABAB і BCBC. Відомо, що BM=4BM = 4, MA=6MA = 6, BN=6BN = 6. Знайдемо NCNC.

  1. Трикутники BMNBMN і BACBAC подібні: кут BB спільний, а кути BMNBMN і BACBAC рівні як відповідні при паралельних прямих;
  2. коефіцієнт подібності беремо з відомої пари сторін: k=BMBA=44+6=25k = \dfrac{BM}{BA} = \dfrac{4}{4 + 6} = \dfrac{2}{5};
  3. та сама пропорція для другої пари: BNBC=25\dfrac{BN}{BC} = \dfrac{2}{5}, тобто 6BC=25\dfrac{6}{BC} = \dfrac{2}{5};
  4. звідси BC=15BC = 15, отже NC=156=9NC = 15 - 6 = 9.

Відповідь: NC=9NC = 9.

Відношення периметрів і площ

Це ключова властивість для задач:

PP=k,SS=k2.\dfrac{P'}{P} = k, \qquad \dfrac{S'}{S} = k^2.

Периметри відносяться як kk (лінійна величина), а площі — як k2k^2 (квадрат коефіцієнта).

Причина видна з формули площі: площа — це добуток двох лінійних розмірів (скажімо, основи на висоту). Якщо кожен із них зросте в kk разів, добуток зросте в kkk \cdot k разів. Тому будь-яка величина, що вимірюється в одиницях довжини (сторона, периметр, медіана, радіус вписаного кола), масштабується як kk, а будь-яка площа — як k2k^2.

Площа — квадрат коефіцієнта

Якщо сторони збільшити у 33 рази, то периметр зросте у 33 рази, а площа — у 32=93^2 = 9 разів. Це часта пастка: площі відносяться не як kk, а як k2k^2.

Приклад

Трикутники подібні з k=2k = 2. Якщо площа меншого дорівнює 55, то площа більшого — k25=45=20k^2\cdot 5 = 4\cdot 5 = 20 (а не 1010).

Приклад 2 — від площ до сторін

Площі подібних трикутників дорівнюють 1818 і 5050. Сторона меншого трикутника — 66. Знайдемо відповідну сторону більшого.

  1. Відношення площ дає квадрат коефіцієнта: k2=5018=259k^2 = \dfrac{50}{18} = \dfrac{25}{9};
  2. добуваємо корінь: k=53k = \dfrac{5}{3};
  3. відповідна сторона: 653=106 \cdot \dfrac{5}{3} = 10.

Відповідь: 1010. Зверни увагу на порядок дій — спершу корінь із відношення площ, і аж потім множення сторони. Якби ми помножили 66 одразу на 259\dfrac{25}{9}, дістали б хибні 16,7\approx 16{,}7.

Типові помилки

  • Множать сторони на відношення площ. Щоб перейти від площ до довжин, з відношення площ треба спершу добути корінь.
  • Складають пропорцію не для відповідних сторін. Порядок вершин у записі подібності не випадковий: ABCMNK\triangle ABC \sim \triangle MNK означає, що AA відповідає MM, BBNN, CCKK.
  • Плутають подібність із рівністю. Рівні трикутники — це окремий випадок подібних із k=1k = 1. Подібність не дає рівності сторін.
  • Беруть коефіцієнт «навпаки». Якщо k=aak = \dfrac{a'}{a}, то більший трикутник дістають множенням на kk, а менший — діленням. Корисна перевірка здоровим глуздом: відповідь для більшого трикутника має бути більшою.
  • Вважають подібними трикутники з двома пропорційними сторонами без рівності кута між ними. Друга ознака вимагає саме кута між цими сторонами.

Перевір себе

Розібрані приклади

Так виглядають задачі цієї теми в тренажері. Тут вони розібрані повністю — у самому тренажері числа в умові щоразу нові, а розв’язання відкривається після вашої відповіді.

  1. Приклад 1. Сторона подібного трикутника

    Трикутники подібні з коефіцієнтом k=4. k = 4. Стороні 5 5 меншого відповідає сторона більшого — знайдіть її.

    Відповідь: 2020

    Розв'язання: a=ka=45=20a' = k\cdot a = 4\cdot 5 = 20
  2. Приклад 2. Коефіцієнт подібності

    Відповідні сторони подібних трикутників дорівнюють 7 7 і 14. 14. Знайдіть коефіцієнт подібності.

    Відповідь: 22

    Розв'язання: k=147=2k = \dfrac{14}{7} = 2
  3. Приклад 3. Периметр подібного трикутника

    Периметр меншого трикутника 11, 11, коефіцієнт подібності k=2. k = 2. Знайдіть периметр більшого.

    Відповідь: 2222

    Розв'язання: P=kP=211=22P' = k\cdot P = 2\cdot 11 = 22