۱۰۰ هزار تومان هدیهٔ ثبت‌نام، تا ۱ میلیونبا ثبت‌نام گردونهٔ هدیه را بچرخان: دست‌کم ۱۰۰٬۰۰۰ تومان و تا ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومان اعتبار هدیه، بدون کارت بانکیگردونهٔ هدیه۱ میلیون برای تو، ۱ میلیون برای دوستتدوستانت را دعوت کن: برای هر دوستی که فعال شود ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومان اعتبار هدیه می‌گیری و خودش هم ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومانجوایز
1xAi
ریاضی نهم · فصل ۳

خلاصه درس فصل ۳ ریاضی نهم؛ درسنامه و نکات مهم

«استدلال و اثبات در هندسه»، فصل ۳ کتاب ریاضی نهم، صفحهٔ ۳۲ تا ۵۸، پایهٔ نهم: ۵ درس، هر کدام با توضیح مفاهیم، مثال حل‌شده و نکات مهم.

این درسنامه را هوش مصنوعی 1xAi از روی صفحه‌های همان درس در کتاب درسی نوشته است (برچسب «تولید هوش مصنوعی»). کنار توضیح‌ها شمارهٔ صفحهٔ کتاب آمده تا با کتاب مقایسه کنی، و مثال حل‌شدهٔ هر درس یک بار دیگر جداگانه حل و بررسی شده؛ مثالی که درست درنیامده حذف شده است.

نمونه سوال این فصل با جواب

درس ۱ · صفحهٔ ۳۲ تا ۳۷ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

درس اوّل: استدلال

در این درس یاد می‌گیری میان حدس و استدلال معتبر فرق بگذاری و توضیح بدهی چرا مشاهده، اندازه‌گیری و چند نمونه برای اثبات یک ادعای کلی کافی نیستند.

پیش از شروع

اگر چشم تو بگوید یکی از دو قرص بزرگ‌تر است، اما با گذاشتن تصویر یکی روی دیگری کاملاً بر هم منطبق شوند، به کدام نتیجه اعتماد می‌کنی؟

در این مقایسه، منطبق‌شدن مرز دو قرص نشان می‌دهد اندازهٔ آن‌ها یکسان است و برداشت اولیهٔ چشم خطا بوده است. دیدن برای حدس‌زدن کمک بزرگی است، اما در ریاضی باید بپرسیم: «چه دلیلی دارم؟»

دیدن، شروع راه است

گاهی چیزی که می‌بینیم با واقعیت فرق دارد. مثلاً قرصی که اطرافش قرص‌های کوچک‌تری قرار گرفته‌اند، ممکن است بزرگ‌تر به نظر برسد. پس بهتر است میان «به نظرم می‌رسد» و «دلیل دارم» فرق بگذاریم.

در فعالیت کتاب، کشیدن مرز یک قرص و گذاشتن آن روی دیگری راهی برای بررسی حدس اولیه است. در زندگی روزمره هم ممکن است یک آب یکسان، برای دستی که قبلاً در آب سرد بوده گرم‌تر احساس شود.

این مثال‌ها نمی‌گویند دیدن و لمس‌کردن بی‌فایده است؛ حواس به ما کمک می‌کنند سؤال بسازیم و حدس بزنیم. نکته این است که برای اطمینان ریاضی، نباید فقط به ظاهر شکل یا احساس خود تکیه کنیم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳۳

هر دلیلی، اثبات نیست

استدلال یعنی از چیزهایی که می‌دانیم استفاده کنیم تا چیزی را که هنوز معلوم نیست، روشن کنیم. اما هر دلیلی به یک اندازه قابل اعتماد نیست.

محسن از باخت‌های قبلی تیمش هنگام حضور او در ورزشگاه، باخت مسابقهٔ بعدی را نتیجه می‌گیرد. این تجربه‌ها شاید باعث نگرانی او شوند، ولی برد و باخت بعدی را قطعی نمی‌کنند. حضور او دلیل تعیین‌کنندهٔ نتیجهٔ مسابقه نیست.

در مقابل، اگر بدانیم علی از حسین بزرگ‌تر است و حسین از حسن بزرگ‌تر است، می‌توانیم نتیجه بگیریم علی از حسن بزرگ‌تر است. این نتیجه از رابطهٔ سن‌ها به دست می‌آید، نه از حدس دربارهٔ نام افراد.

پس هنگام شنیدن یک استدلال بپرس: آیا این دلیل واقعاً نتیجه را به دنبال دارد؟ اگر استدلال، درستی موضوع را نشان بدهد، به آن اثبات می‌گوییم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳۴

از چند نمونه تا حکم همیشگی

فرض کن در چند مثلث، ارتفاع‌ها را رسم کرده‌ای و محل برخوردشان داخل مثلث افتاده است. آیا می‌توانی بگویی این اتفاق در هر مثلث می‌افتد؟ نه؛ هنوز مثلث‌های دیگر را بررسی نکرده‌ای.

برای رد این ادعا کافی است یک مثلث منفرجه پیدا کنی: محل برخورد خط‌های شامل ارتفاع‌های آن بیرون مثلث است. چنین نمونه‌ای را مثال نقض می‌نامیم. دربارهٔ عمودمنصف‌ها هم در مثلث منفرجه، محل برخورد بیرون مثلث قرار می‌گیرد. پس چند نمونهٔ موافق، یک ادعای همیشگی را اثبات نمی‌کنند؛ ولی یک نمونهٔ مخالف می‌تواند آن را رد کند.

اندازه‌گیری هم جای اثبات کلی را نمی‌گیرد. اگر احمد زاویه‌های یک مثلث متساوی‌الساقین را با نقاله برابر ببیند، فقط همان شکل را با دقت محدود ابزار بررسی کرده است. برای نتیجه‌گیری دربارهٔ همهٔ مثلث‌های متساوی‌الساقین، به دلیل ریاضی نیاز داریم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳۵

مثال حل‌شده

بیسکویت عباس مستطیلی با طول 8 سانتی‌متر8\ \text{سانتی‌متر} و عرض 4 سانتی‌متر4\ \text{سانتی‌متر} است. بیسکویت باقر مربعی به ضلع 6 سانتی‌متر6\ \text{سانتی‌متر} است. اگر هر دو از یک نوع و هم‌ضخامت باشند، کدام‌یک بیسکویت بیشتری دارد؟ با دلیل پاسخ بده.

  1. چون نوع و ضخامت دو بیسکویت یکسان است، برای مقایسهٔ مقدار آن‌ها کافی است مساحتشان را مقایسه کنیم.

  2. مساحت مستطیل از ضرب طول در عرض به دست می‌آید؛ پس مساحت بیسکویت عباس برابر است با 8×4=32 سانتی‌متر مربع8\times4=32\ \text{سانتی‌متر مربع}.

  3. مساحت مربع از ضرب ضلع در خودش به دست می‌آید؛ پس مساحت بیسکویت باقر برابر است با 6×6=36 سانتی‌متر مربع6\times6=36\ \text{سانتی‌متر مربع}.

  4. چون 36>3236>32 و 36−32=436-32=4، مساحت بیسکویت باقر بیشتر است؛ بنابراین باقر بیسکویت بیشتری دارد.

جواب: باقر بیسکویت بیشتری دارد؛ مساحت بیسکویت او 4 سانتی‌متر مربع4\ \text{سانتی‌متر مربع} بیشتر است و چون نوع و ضخامت یکسان‌اند، مقدار بیسکویت او هم بیشتر است.

نکات مهم

  • مشاهده و حواس به حدس‌زدن کمک می‌کنند، اما به‌تنهایی اطمینان ریاضی نمی‌سازند.
  • استدلال از دانسته‌ها برای رسیدن به نتیجه استفاده می‌کند و اگر درستی موضوع را نشان دهد، اثبات است.
  • چند نمونهٔ موافق یا اندازه‌گیری یک شکل، اثبات کلی نیست؛ اما یک مثال نقض برای رد ادعای همیشگی کافی است.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۲ · صفحهٔ ۳۷ تا ۴۴ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

درس دوم: آشنایی با اثبات در هندسه

در این درس یاد می‌گیری فرض و حکم را جدا کنی، با دلیل‌های معتبر یک اثبات هندسی بسازی و تشخیص بدهی چه زمانی می‌توان نتیجه را تعمیم داد.

پیش از شروع

اگر زاویه‌های بیست مثلث را اندازه بگیری و مجموعشان هر بار 180∘180^\circ شود، آیا ثابت کرده‌ای که مجموع زاویه‌های «هر» مثلث همین مقدار است؟

نه؛ اندازه‌گیری فقط دربارهٔ همان مثلث‌های بررسی‌شده به ما اطلاعات می‌دهد و ممکن است خطا هم داشته باشد. اثبات باید دلیل‌هایی داشته باشد که برای یک مثلث دلخواه، نه فقط نمونه‌های انتخاب‌شده، برقرار باشند.

شروع و مقصد اثبات

پیش از شروع اثبات، مسئله را به دو بخش جدا کن: فرض یعنی چیزی که به تو داده‌اند؛ حکم یعنی چیزی که باید درستی‌اش را نشان بدهی. بعد، دانسته‌های قبلیِ مرتبط را پیدا کن تا از فرض به حکم برسی.

مثلاً در مسئلهٔ «زاویه‌های روبه‌روی لوزی برابرند»، فرض این است که شکل لوزی است؛ برابری زاویه‌ها حکم است، نه دادهٔ مسئله. برای رسیدن به حکم از دو دانسته کمک می‌گیریم: لوزی نوعی متوازی‌الاضلاع است و زاویه‌های روبه‌روی متوازی‌الاضلاع برابرند.

این کار شبیه پیدا کردن مسیر است: فرض، نقطهٔ شروع؛ حکم، مقصد؛ و دانسته‌های قبلی، راه‌های مجاز رسیدن به مقصد هستند. نمی‌توانیم مقصد را از همان ابتدا جزو داده‌ها حساب کنیم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳۷

هر گام، یک دلیل

در اثبات، هر ادعا باید پشتوانه داشته باشد: یا دادهٔ مسئله باشد، یا از یک تعریف یا نتیجهٔ معتبر به دست بیاید. ظاهر شکل، به‌تنهایی پشتوانه نیست.

فرض کن در چهارضلعی ABCDABCD، پاره‌خط ACAC نیمساز زاویهٔ AA است و AB=ADAB=AD. از نیمساز بودن فقط می‌توانیم برابری دو زاویه در رأس AA را نتیجه بگیریم: ∠BAC=∠CAD\angle BAC=\angle CAD. این داده چیزی دربارهٔ نصف شدن زاویهٔ CC نمی‌گوید.

برای هم‌نهشتی مثلث‌های ABCABC و ADCADC، ضلع مشترک ACAC را هم داریم. پس دو ضلع و زاویهٔ بین آن‌ها برابر است و حالت «ض ز ض» به کار می‌آید. عادت خوب این است که کنار هر برابری بپرسی: این را از کجا می‌دانم؟

کتاب درسی، صفحهٔ ۳۹

چه وقت تعمیم بدهیم؟

تعمیم یعنی نتیجه‌ای را که برای یک عضو ثابت کرده‌ایم، به اعضای دیگر هم گسترش بدهیم. این کار زمانی مجاز است که همهٔ شرط‌های استفاده‌شده در اثبات، برای آن‌ها هم برقرار باشد.

در مثلث متساوی‌الساقین، نیمساز زاویهٔ بین دو ساق، میانه هم هست؛ چون دو ساق برابر، دو زاویهٔ برابر و یک ضلع مشترک، هم‌نهشتی می‌سازند. برای نیمساز یک زاویهٔ دیگر، معمولاً همان برابری ضلع‌های لازم را نداریم؛ پس نتیجه خودکار منتقل نمی‌شود.

اما در مربع، برای هر دو قطر می‌توان از برابری ضلع‌ها و هم‌نهشتی استفاده کرد؛ بنابراین هر قطر، زاویه‌های دو سرش را نصف می‌کند. همچنین برای نقطه‌ای دلخواه روی عمودمنصف، وسط بودن محل برخورد، عمود بودن و ضلع مشترک پابرجاست؛ پس اثبات برابری فاصله‌ها به انتخاب نقطه وابسته نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۰

دلیل عمومی، نه نمونهٔ خاص

یک اثبات عمومی، شکل را دلخواه انتخاب می‌کند و به ویژگی خاصی مثل متساوی‌الاضلاع بودن تکیه نمی‌کند. برای مجموع زاویه‌های مثلث، از یک رأس خطی موازی ضلع مقابل رسم می‌کنیم. زاویه‌های حاصل از خطوط موازی، سه زاویهٔ مثلث را کنار هم روی یک زاویهٔ نیم‌صفحه قرار می‌دهند؛ پس مجموعشان 180∘180^\circ است.

در اثبات زاویه‌های متقابل به رأس هم از یک قانون عمومی استفاده می‌کنیم. اگر دو زاویه هر کدام با زاویهٔ مشترکی مجموع 180∘180^\circ بسازند، با کم کردن آن زاویهٔ مشترک، برابری‌شان به دست می‌آید.

این منطق در زندگی هم آشناست: اگر پول دو نفر، پس از اضافه شدن مبلغ یکسان، برابر شود، پول اولیهٔ آن دو نیز برابر بوده است. نکتهٔ اصلی، حذف مقدار یکسان از دو مقدار برابر است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۲

قدرت یک مثال نقض

بین ثابت کردن «همه» و رد کردن «همه» تفاوت مهمی وجود دارد. چند نمونهٔ درست، یک ادعای عمومی را ثابت نمی‌کند؛ اما یک مثال نقض برای رد کردن آن کافی است.

چندضلعی محدب باید این ویژگی را داشته باشد: پاره‌خط وصل‌کنندهٔ هر دو نقطهٔ درون آن، کاملاً درون شکل بماند. دیدن یک پاره‌خط که درون شکل مانده، کافی نیست؛ ولی پیدا کردن یک جفت نقطهٔ داخلی که پاره‌خط میانشان از شکل بیرون برود، محدب بودن را رد می‌کند.

مراقب برعکس کردن رابطه‌ها هم باش! هر مربع مستطیل است، ولی هر مستطیل مربع نیست. همچنین مربع نبودن، برابری ضلع‌ها را رد نمی‌کند؛ یک لوزیِ غیرمربع مثال نقض است. در مقابل، اگر ضلع‌ها همه برابر نباشند، شکل قطعاً مربع نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۳

مثال حل‌شده

مثلث دلخواه ABCABC را در نظر بگیر و ضلع BCBC را از سمت CC تا نقطهٔ DD امتداد بده. ثابت کن زاویهٔ خارجی ACDACD با مجموع دو زاویهٔ داخلی غیرمجاور آن برابر است.

  1. فرض: ABCABC مثلثی دلخواه است و نقطه‌های BB، CC و DD به همین ترتیب روی یک خط‌اند. حکم: ∠ACD=∠CAB+∠ABC\angle ACD=\angle CAB+\angle ABC.

  2. از مجموع زاویه‌های داخلی مثلث داریم: ∠CAB+∠ABC+∠ACB=180∘\angle CAB+\angle ABC+\angle ACB=180^\circ.

  3. چون CBCB و CDCD دو نیم‌خط مخالف‌اند، زاویه‌های مجاور در رأس CC مجموعی برابر زاویهٔ نیم‌صفحه دارند: ∠ACD+∠ACB=180∘\angle ACD+\angle ACB=180^\circ.

  4. دو مجموع برابرند؛ پس ∠ACD+∠ACB=∠CAB+∠ABC+∠ACB\angle ACD+\angle ACB=\angle CAB+\angle ABC+\angle ACB. با کم کردن ∠ACB\angle ACB از دو طرف، به ∠ACD=∠CAB+∠ABC\angle ACD=\angle CAB+\angle ABC می‌رسیم.

  5. در استدلال از ویژگی خاصی مانند برابری ضلع‌ها استفاده نکردیم؛ بنابراین اثبات برای هر مثلث برقرار است.

جواب: اندازهٔ زاویهٔ خارجی برابر مجموع اندازه‌های دو زاویهٔ داخلی غیرمجاور آن است: ∠ACD=∠CAB+∠ABC\angle ACD=\angle CAB+\angle ABC.

نکات مهم

  • اثبات از فرض‌ها و دانسته‌های معتبر شروع می‌شود و با گام‌های دلیل‌دار به حکم می‌رسد.
  • تعمیم زمانی مجاز است که همهٔ ویژگی‌های لازم برای استدلال در حالت‌های دیگر هم برقرار باشند.
  • چند نمونهٔ درست، ادعای عمومی را ثابت نمی‌کند، اما یک مثال نقض برای رد آن کافی است.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۳ · صفحهٔ ۴۴ تا ۴۹ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

درس سوم: هم‌نهشتی مثلث‌ها

در این درس یاد می‌گیری با تشخیص حالت‌های هم‌نهشتی و اجزای متناظر، برابری طول‌ها و زاویه‌ها را با استدلال ثابت کنی.

پیش از شروع

دو تکه‌چوبِ یک رحل قرآن باز و بسته می‌شوند. چطور می‌توان بدون اندازه‌گیری نشان داد فاصلهٔ لبه‌های دو طرف آن همیشه برابر می‌ماند؟

می‌توان در دو طرف محل اتصال، دو مثلث پیدا کرد. اگر هم‌نهشتی آن‌ها را ثابت کنیم، برابری ضلع‌های متناظر، همان فاصله‌های موردنظر را به ما می‌دهد؛ حتی وقتی رحل بازتر یا بسته‌تر شود.

حالت‌ها و زبان هم‌نهشتی

دو مثلث هم‌نهشت، شکل و اندازهٔ یکسان دارند؛ یعنی می‌توان یکی را جابه‌جا کرد یا برگرداند تا دقیقاً بر دیگری منطبق شود. برای اثبات این موضوع لازم نیست همهٔ ضلع‌ها و زاویه‌ها را جداگانه بررسی کنیم.

سه حالت آشنا را به یاد بیاور: ضلع–ضلع–ضلع، ضلع–زاویه–ضلع و زاویه–ضلع–زاویه. در حالت دوم، زاویه باید بین دو ضلع باشد؛ در حالت سوم، ضلع باید بین دو زاویه باشد. در مثلث‌های قائم‌الزاویه، دو حالت ویژه هم داریم: وتر و یک ضلع، یا وتر و یک زاویهٔ تند.

نماد △ABC≅△DEF\triangle ABC\cong\triangle DEF علاوه بر هم‌نهشتی، تناظر رأس‌ها را هم نشان می‌دهد: A↔DA\leftrightarrow D، B↔EB\leftrightarrow E و C↔FC\leftrightarrow F.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۴

از فرض به حکم

هم‌نهشتی یک پل است: از چند تساویِ معلوم عبور می‌کنیم و به تساوی‌های تازه می‌رسیم. اول باید فرض، یعنی داده‌های مسئله، را از حکم، یعنی چیزی که باید ثابت شود، جدا کنیم.

در مدل رحل، دو پاره‌خط ABAB و CDCD در OO یکدیگر را قطع می‌کنند و داریم OA=OBOA=OB و OD=OCOD=OC. زاویه‌های AODAOD و BOCBOC متقابل به رأس‌اند؛ پس برابرند. بنابراین △OAD≅△OBC\triangle OAD\cong\triangle OBC به حالت ضلع–زاویه–ضلع، و در نتیجه AD=BCAD=BC.

دقت کن که در این تناظر، AA با BB و DD با CC جفت می‌شود. برابر دانستن ضلع‌ها از روی جای آن‌ها روی کاغذ قابل اعتماد نیست؛ ترتیب رأس‌های متناظر راهنمای ماست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۵

برابری، بدون محاسبه

برای اثبات برابری دو طول، همیشه لازم نیست مقدارشان را حساب کنیم. گاهی هم‌نهشتی راه کوتاه‌تری است. در پل نیم‌دایره‌ای کتاب، ABAB قطر دایره است و نقطه‌های CC و DD روی کمان آن قرار دارند. زاویه‌ای که از روی محیط، قطر را می‌بیند، قائمه است؛ پس مثلث‌های ACBACB و BDABDA قائم‌الزاویه‌اند.

این دو مثلث، وتر مشترک ABAB دارند. همچنین طبق دادهٔ مسئله، BC=ADBC=AD است. پس با حالت وتر و یک ضلع هم‌نهشت‌اند و ضلع‌های باقی‌مانده، یعنی ACAC و BDBD، برابر می‌شوند.

فیثاغورس مقدار طول‌ها را می‌دهد، اما هم‌نهشتی می‌تواند برابری آن‌ها را بدون محاسبه نشان دهد. در مثال حل‌شده، هر دو راه را مقایسه می‌کنیم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۶

یک قطر، دو مثلث

گاهی مثلث‌های لازم هنوز در شکل دیده نمی‌شوند؛ باید با یک خط کمکی آن‌ها را بسازیم. در متوازی‌الاضلاع ABCDABCD، قطر BDBD دو مثلث ABDABD و CDBCDB را ایجاد می‌کند.

از AB∥CDAB\parallel CD داریم ∠ABD=∠CDB\angle ABD=\angle CDB و از AD∥BCAD\parallel BC داریم ∠ADB=∠CBD\angle ADB=\angle CBD؛ این‌ها زاویه‌های داخلی متناوب‌اند. ضلع BDBD هم مشترک است. پس دو مثلث به حالت زاویه–ضلع–زاویه هم‌نهشت‌اند و نتیجه می‌گیریم AB=CDAB=CD و AD=CBAD=CB.

نکتهٔ مهم این است که برابری ضلع‌های مقابل، حکم بود؛ نمی‌توانستیم از ابتدا آن را برای اثبات هم‌نهشتی به کار ببریم. از همین تناظر، برابری زاویه‌های مقابل متوازی‌الاضلاع هم نتیجه می‌شود؛ برای دو زاویهٔ دو سر قطر، بخش‌های برابر را جمع می‌کنیم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۷

هم‌نهشتی در تمرین‌ها

در تمرین‌های هم‌نهشتی، دنبال مثلث‌هایی بگرد که ضلع مشترک یا داده‌های قابل تبدیل به تساوی دارند. مثلاً «وسط بودن» یعنی دو نیمه برابرند؛ در لوزی نیز همهٔ ضلع‌ها برابرند. این اطلاعات می‌توانند ضلع‌های لازم برای یک حالت هم‌نهشتی را فراهم کنند.

در مثلث متساوی‌الساقین ABCABC با AB=ACAB=AC، اگر MM وسط BCBC باشد، مثلث‌های AMBAMB و AMCAMC با سه ضلع برابر هم‌نهشت‌اند: دو ساق برابر، دو نیمهٔ قاعده برابر و AMAM مشترک است. پس AMAM نیم‌ساز زاویهٔ AA است. زاویه‌های دو طرف AMAM در MM نیز برابر و مکمل‌اند؛ بنابراین هر دو قائمه‌اند.

همین نگاهِ «پیدا کردن دو مثلث مناسب» در اثبات برابری قطرهای مستطیل و برابری دو مماس از یک نقطه هم کاربرد دارد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۸

مثال حل‌شده

در پل نیم‌دایره‌ای، ABAB قطر و برابر 10 m10\ \mathrm{m} است. نقطه‌های CC و DD روی کمان‌اند و BC=AD=6 mBC=AD=6\ \mathrm{m}. با فیثاغورس طول‌های ACAC و BDBD را پیدا کن؛ سپس برابری آن‌ها را بدون محاسبه، با هم‌نهشتی ثابت کن.

  1. چون ABAB قطر است، زاویه‌های ACBACB و ADBADB قائمه‌اند؛ پس در هر دو مثلث می‌توان از فیثاغورس استفاده کرد.

  2. در مثلث ACBACB داریم: AC2=AB2−BC2=102−62=64AC^2=AB^2-BC^2=10^2-6^2=64. چون طول مثبت است، AC=8 mAC=8\ \mathrm{m}.

  3. در مثلث ADBADB نیز داریم: BD2=AB2−AD2=102−62=64BD^2=AB^2-AD^2=10^2-6^2=64؛ بنابراین BD=8 mBD=8\ \mathrm{m}.

  4. برای راه بدون محاسبه، دو مثلث قائم‌الزاویهٔ ACBACB و BDABDA را در نظر بگیر: وتر ABAB مشترک است و BC=ADBC=AD نیز داده شده است.

  5. پس △ACB≅△BDA\triangle ACB\cong\triangle BDA به حالت وتر و یک ضلع؛ در نتیجه، ضلع‌های متناظر ACAC و BDBD برابرند.

جواب: AC=BD=8 mAC=BD=8\ \mathrm{m}؛ برابری این دو طول هم با فیثاغورس و هم با هم‌نهشتی ثابت می‌شود.

نکات مهم

  • برای اثبات هم‌نهشتی، داده‌ها را با یکی از حالت‌های معتبر تطبیق بده و به جای زاویه یا ضلعِ بین آن‌ها دقت کن.
  • پس از اثبات هم‌نهشتی، برابری ضلع‌ها و زاویه‌های متناظر را از ترتیب رأس‌ها نتیجه بگیر.
  • در اثبات هندسی از فرض‌ها و نتیجه‌های معتبر استفاده کن؛ ظاهر شکل و خودِ حکم، دلیل اثبات نیستند.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۴ · صفحهٔ ۴۹ تا ۵۳ · حدود ۱۳ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

درس چهارم: حل مسئله در هندسه

در این درس یاد می‌گیری با خواندن دقیق، رسم شکل، جدا کردن فرض و حکم و انتخاب دلیل مناسب، یک مسئلهٔ هندسی را مرحله‌به‌مرحله حل کنی.

پیش از شروع

یک جادهٔ مستقیم از وسط مسیر مستقیم بین دو روستا می‌گذرد. آیا ممکن است یکی از روستاها به این جاده نزدیک‌تر از دیگری باشد؟ چطور بدون اندازه‌گیری مطمئن می‌شوی؟

اگر جاده از وسط پاره‌خطِ اتصال دو روستا بگذرد، فاصلهٔ دو روستا تا آن برابر است. منظور از فاصله، طول مسیر عمود بر جاده است؛ با پیدا کردن دو مثلث مناسب می‌توانیم این برابری را ثابت کنیم.

بخوان و شکل بکش

وقتی مسئله‌ای هندسی می‌بینی، لازم نیست فوراً فرمولی پیدا کنی. اول مشخص کن هر عبارت چه معنایی دارد. مثلاً «فاصلهٔ نقطه تا خط» یعنی طول پاره‌خطی که از آن نقطه بر خط عمود می‌شود، نه طول هر مسیر دلخواه تا خط.

بعد، اگر شکل نداری، یک شکل ساده بکش و نام نقطه‌ها را روی آن بنویس. اطلاعاتی مثل عمود بودن را با علامت مشخص کن. در مسئلهٔ روستاها، دو روستا را با AA و BB، جاده را با dd و محل برخورد آن با مسیر روستاها را با MM نشان می‌دهیم. شکل کمک می‌کند ارتباط‌ها را ببینی، اما ظاهر آن جای دلیل را نمی‌گیرد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۹

فرض را از حکم جدا کن

حالا اطلاعات مسئله را به دو دسته تقسیم کن: «چه می‌دانم؟» و «چه باید ثابت کنم؟» دستهٔ اول فرض است و دستهٔ دوم حکم. این جداسازی جلوی یک اشتباه مهم را می‌گیرد: اینکه چیزی را که باید ثابت کنیم، از ابتدا درست فرض کنیم.

در مسئلهٔ روستاها، وسط بودن MM یعنی MA=MBMA=MB. همچنین پای عمودهای دو روستا روی جاده را HH و H′H' می‌نامیم؛ پس AH⊥dAH\perp d و BH′⊥dBH'\perp d. اینها داده‌های ما هستند. اما AH=BH′AH=BH' خواستهٔ مسئله است و هنوز به دلیل نیاز دارد. می‌توانی روی کاغذ دو ستون «فرض» و «حکم» بسازی تا مسیر فکرت روشن‌تر شود.

کتاب درسی، صفحهٔ ۵۰

راهی از فرض به حکم

پس از شناخت فرض و حکم، باید پلی میان آنها بسازی. اگر خواسته، برابری دو پاره‌خط است، بپرس: «آیا این دو پاره‌خط، ضلع‌های دو مثلث مناسب‌اند؟» اگر بتوانی آن مثلث‌ها را هم‌نهشت کنی، برابری ضلع‌های متناظر به دست می‌آید.

در مسئلهٔ روستاها، مثلث‌های AHMAHM و BH′MBH'M مناسب‌اند. هر دو قائم‌الزاویه‌اند و وترهایشان، یعنی AMAM و BMBM، برابرند. زاویه‌های آنها در MM نیز متقابل به رأس‌اند. پس می‌توان از حالت «وتر و یک زاویهٔ حاده» استفاده کرد. هنگام نوشتن نتیجه، ترتیب رأس‌ها را جدی بگیر: AA متناظر با BB، و HH متناظر با H′H' است. فقط شبیه بودن ظاهر دو مثلث، هم‌نهشتی را ثابت نمی‌کند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۵۰

ابزار مناسب برای دایره

در مسئله‌های دایره نیز همان قدم‌ها را دنبال می‌کنیم، اما ابزار مناسب ممکن است رابطهٔ وتر و کمان باشد. وتر، پاره‌خطی است که دو نقطهٔ روی دایره را به هم وصل می‌کند؛ کمان، بخشی از محیط دایره بین آن نقطه‌هاست. در یک دایره، برابری دو وتر و برابری کمان‌های نظیرشان به یکدیگر راه می‌دهند. دقت کن کمان‌های نظیر را با انتخاب یکسان، مثلاً هر دو کمان کوچک، در نظر بگیری.

گاهی برای رسیدن به حکم باید چند رابطه را پشت سر هم به کار ببری: از وترهای برابر به کمان‌های برابر بروی، به هر دو کمان یک کمان مشترک اضافه کنی و دوباره به برابری وترها برگردی. بنابراین لازم نیست همیشه مستقیم از فرض به حکم برسی؛ نتیجه‌های میانی می‌توانند راه را باز کنند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۵۰

مثال حل‌شده

دو روستای AA و BB در دو طرف جادهٔ مستقیم dd قرار دارند. جاده از نقطهٔ MM، وسط پاره‌خط ABAB، می‌گذرد. پای عمودهای AA و BB بر جاده به‌ترتیب HH و H′H' است. اگر AH=4 کیلومترAH=4\ \text{کیلومتر} باشد، ثابت کن فاصلهٔ روستای BB تا جاده نیز همین مقدار است. فرض کن HH با MM یکی نیست.

  1. شکل را بساز: خط dd را بکش و پاره‌خط ABAB را طوری رسم کن که وسط آن، MM، روی خط باشد. سپس عمودهای AHAH و BH′BH' را رسم کن.

  2. فرض‌ها و حکم را جدا کن: AM=BMAM=BM، AH⊥dAH\perp d و BH′⊥dBH'\perp d فرض‌اند؛ باید AH=BH′AH=BH' را ثابت کنیم.

  3. مثلث‌های AHMAHM و BH′MBH'M قائم‌الزاویه‌اند، زیرا ∠AHM=∠BH′M=90∘\angle AHM=\angle BH'M=90^\circ. وترهای آنها نیز طبق فرض برابرند: AM=BMAM=BM.

  4. زاویه‌های ∠AMH\angle AMH و ∠BMH′\angle BMH' متقابل به رأس‌اند؛ بنابراین برابرند. پس دو مثلث به حالت وتر و یک زاویهٔ حاده هم‌نهشت‌اند: △AHM≅△BH′M\triangle AHM\cong\triangle BH'M.

  5. از برابری ضلع‌های متناظر نتیجه می‌گیریم AH=BH′AH=BH'. بنابراین BH′=4 کیلومترBH'=4\ \text{کیلومتر} و پیش‌بینی مهندسان درست است.

جواب: فاصلهٔ روستای BB تا جاده نیز 4 کیلومتر4\ \text{کیلومتر} است، زیرا AH=BH′AH=BH'.

نکات مهم

  • ابتدا مفهوم‌های مسئله را بشناس، شکل مناسبی بکش و فرض را از حکم جدا کن.
  • برای اثبات برابری دو پاره‌خط، هم‌نهشتی مثلث‌های مناسب و تناظر ضلع‌ها را بررسی کن.
  • در یک دایره، وترهای برابر کمان‌های نظیر برابر دارند و کمان‌های برابر نیز وترهای نظیر برابر دارند.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۵ · صفحهٔ ۵۳ تا ۵۸ · حدود ۱۱ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

درس پنجم: شکل‌های متشابه

در این درس یاد می‌گیری تشابه چندضلعی‌ها را با بررسی ضلع‌ها و زاویه‌های متناظر تشخیص بدهی، نسبت تشابه را درست بنویسی و از مقیاس نقشه برای یافتن فاصلهٔ واقعی استفاده کنی.

پیش از شروع

چرا وقتی یک عکس را کوچک می‌کنی، چهره هنوز طبیعی است، اما اگر فقط عرض عکس را زیاد کنی، چهره کشیده و غیرطبیعی می‌شود؟

در کوچک‌کردن درست، همهٔ طول‌ها با یک نسبت تغییر می‌کنند و زاویه‌ها ثابت می‌مانند. اگر فقط عرض را تغییر بدهیم، طول‌ها دیگر با یک نسبت تغییر نکرده‌اند؛ پس شکل اصلی حفظ نمی‌شود.

تشابه؛ حفظ شکل، نه لزوماً اندازه

شباهت در هندسه فقط به معنی «شبیه به نظر رسیدن» نیست؛ شرط مشخصی دارد. دو چندضلعی وقتی متشابه هستند که ضلع‌های متناظرشان با یک نسبت تغییر کرده باشند و زاویه‌های متناظرشان برابر باشند. متناظر یعنی بخش‌هایی که در دو شکل، نقش یکسانی دارند؛ مثل ضلع بالایی یک تصویر و ضلع بالایی نسخهٔ بزرگ‌شدهٔ آن.

دستگاه کپی را تصور کن: اگر تصویر را درست کوچک کند، همهٔ طول‌ها به یک نسبت کم می‌شوند، اما زاویه‌ها عوض نمی‌شوند. در مقابل، کشیدن تصویر فقط در جهت افقی، معمولاً تشابه را از بین می‌برد. پس برای بررسی تشابه، هر دو شرط را بررسی کن: نسبت یکسان ضلع‌های متناظر و برابری زاویه‌های متناظر.

کتاب درسی، صفحهٔ ۵۵

نسبت تشابه و ترتیب آن

وقتی مطمئن شدیم دو شکل متشابه‌اند، نسبت طول یک ضلع به طول ضلع متناظر آن را نسبت تشابه می‌نامیم. مهم است که ترتیب را روشن کنیم: نسبت شکل اوّل به شکل دوم یعنی طول ضلع شکل اوّل در صورت و طول ضلع متناظر شکل دوم در مخرج قرار بگیرد. اگر ترتیب را برعکس کنیم، نسبت هم معکوس می‌شود.

در دو چندضلعی متشابه، فرقی ندارد کدام جفت ضلع متناظر را انتخاب کنیم؛ نسبت‌ها برابرند. البته باید طول‌ها را با یک واحد بنویسیم. مقیاس نقشه هم همین فکر را به کار می‌گیرد: نسبت فاصلهٔ روی نقشه به فاصلهٔ واقعی را نشان می‌دهد. برای تبدیل فاصلهٔ نقشه به فاصلهٔ واقعی، باید ترتیب این نسبت را درست بخوانیم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۵۶

کدام شکل‌ها همیشه متشابه‌اند؟

حالا می‌توانیم دربارهٔ خانواده‌های شکل‌ها قضاوت کنیم. هر دو مربع متشابه‌اند: همهٔ زاویه‌هایشان قائمه است و نسبت هر جفت ضلع متناظر، همان نسبت طول ضلع دو مربع است. هر دو مثلث متساوی‌الاضلاع هم متشابه‌اند؛ زاویه‌هایشان برابر است و ضلع‌های متناظرشان نسبت یکسان دارند.

اما نام مشترک کافی نیست! دو مستطیل ممکن است نسبت طول به عرض متفاوتی داشته باشند. دو لوزی هم ممکن است زاویه‌های متفاوتی داشته باشند. متساوی‌الساقین بودن دو مثلث نیز به‌تنهایی تشابه را تضمین نمی‌کند.

همنهشتی حالت ویژه‌ای از تشابه است. در دو شکل همنهشت، هم زاویه‌های متناظر و هم طول ضلع‌های متناظر برابرند؛ پس نسبت تشابه برابر با 11 است. بنابراین هر دو شکل همنهشت متشابه‌اند، ولی هر دو شکل متشابه لزوماً همنهشت نیستند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۵۷

مثال حل‌شده

مقیاس یک نقشه 1:2001:200 است. اگر فاصلهٔ دو نقطه روی نقشه 3.5 سانتی‌متر3.5\,\text{سانتی‌متر} باشد، فاصلهٔ واقعی آن‌ها چند متر است؟

  1. مقیاس را معنا می‌کنیم: هر 1 سانتی‌متر1\,\text{سانتی‌متر} روی نقشه، نشان‌دهندهٔ 200 سانتی‌متر200\,\text{سانتی‌متر} در واقعیت است.

  2. رابطه را با واحدهای یکسان می‌نویسیم: فاصلهٔ روی نقشهفاصلهٔ واقعی=1200\frac{\text{فاصلهٔ روی نقشه}}{\text{فاصلهٔ واقعی}}=\frac{1}{200}.

  3. پس فاصلهٔ واقعی برابر است با 3.5×200=700 سانتی‌متر3.5\times200=700\,\text{سانتی‌متر}.

  4. برای تبدیل سانتی‌متر به متر، بر 100100 تقسیم می‌کنیم: 700÷100=7 متر700\div100=7\,\text{متر}.

جواب: فاصلهٔ واقعی دو نقطه 700 سانتی‌متر700\,\text{سانتی‌متر}، یعنی 7 متر7\,\text{متر} است.

نکات مهم

  • در دو چندضلعی متشابه، زاویه‌های متناظر برابرند و همهٔ ضلع‌های متناظر نسبت یکسانی دارند.
  • برای نوشتن نسبت تشابه یا استفاده از مقیاس نقشه، ترتیب نسبت و یکسان بودن واحد طول‌ها را بررسی کن.
  • هر دو شکل همنهشت متشابه‌اند و نسبت تشابه آن‌ها برابر با 11 است، اما عکس این گزاره همیشه درست نیست.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

حالا خودت را بسنج: نمونه سوال این فصل با جواب (فصل ۳ ریاضی نهم)

درس‌های فصل ۳ را تعاملی بخوان

در پنل یادگیری 1xAi هر کدام از این درس‌ها قدم به قدم پیش می‌رود: بعد از هر بخش یک سوال کوتاه، بعد مثال حل‌شده و در پایان برگهٔ خروج. جوابت ثبت می‌شود و سوال‌های هر درس در روزهای بعد برای مرور برمی‌گردند. درس‌های تعاملی رایگان‌اند؛ فقط تصحیح پاسخ کوتاه سهمیهٔ روزانهٔ رایگان دارد.

ساختن حساب رایگان است و بعد از ثبت‌نام مستقیم به همین بخش از پنل برمی‌گردی.

فصل ۳ ریاضی نهم · رایگان