师:同学们大家好,这节课我们将一起学习比例线段的相关知识,这是九年级数学上册相似形的第一节内容。在前两个课时,我们已经学习了什么是相似图形以及成比例线段的定义。
今天,我们来思考一下,两条线段的比是它们长度的比,也就是两个数的比,因此也具有关于两个数成比例的性质。那么,比例到底具有哪些性质呢?
首先,我们来看比例的基本性质。如果(a:b = c:d)((b)、(d)均不为(0)),那么(ad = bc)。这是为什么呢?这是根据等式的基本性质,两边同乘以(bd)得到的。反之,如果(ad = bc),同样根据等式性质,就可以得到(a:b = c:d),这就是比例的基本性质。
那么,根据这个基本性质还能得到什么呢?
第二,合比性质。如果(a:b = c:d),那么((a + b):b = (c + d):d)。这又是为什么呢?我们可以在等式两边同加(1),还是根据等式的基本性质,等式仍然成立,通分之后就能得到这个结果。
那除此之外,还能得到什么呢?
第三,等比性质。如果(A_1:B_1 = A_2:B_2 = A_3:B_3 = \cdots = A_n:B_n = k),那么((A_1 + A_2 + A_3 + \cdots + A_n):(B_1 + B_2 + B_3 + \cdots + B_n) = A_1:B_1 = k)。这是为什么呢?设(A_1:B_1 = A_2:B_2 = A_3:B_3 = \cdots = A_n:B_n = k),那么我们可以得到(A_1 = k\times B_1),(A_2 = k\times B_2),(A_3 = k\times B_3),(\cdots),(A_n = k\times B_n)。将这些式子代入要证明的等式左边,就可以提取公因式并约分,从而得到等比性质。
以上就是比例的基本性质、合比性质以及等比性质。接下来,我们看看什么是比例中项。如果作为比例内项的两条线段相等,也就是(a:b = b:c),那么线段(b)就叫做线段(a)与(c)的比例中项。这些知识都将为这章相似形的学习奠定坚实的基础。而今天这节课,我们还将继续走进几何中最美的一刻——黄金分割。
下面,我们先来利用比例的基本性质和合比性质解决这样一个问题。
已知,在(\triangle ABC)中,(AD:DB = AE:EC),要求证两个结论:一个是(AB:DB = AC:EC);另一个是(AD:AB = AE:AC)。
我们先证明第一个。在(\triangle ABC)中,(AB = AD + BD),(AC = AE + EC)。由已知条件(AD:DB = AE:EC),根据合比性质,可推出((AD + DB):DB = (AE + EC):EC),也就是(AB:DB = AC:EC)。
再来看第二个结论,如何证明(AD:AB = AE:AC)呢?
因为(AD:DB = AE:EC),所以(DB:AD = EC:AE)。根据合比性质,分子加分母比分母等于分子加分母比分母,即((AD + DB):AD = (AE + EC):AE)。又因为(AD + DB = AB),(AE + EC = AC),所以(AB:AD = AC:AE),再倒过来就是(AD:AB = AE:AC)了。这就是利用合比性质解决的比例问题。
例(2),在地图或工程图纸上都标有比例尺,就是图上长度和实际长度的比。现在一张比例尺为(1:5000)的图纸上,量得一个(\triangle ABC)三边为(AC = 3)厘米,(BC = 4)厘米,(AB = 5)厘米。问,这个图纸所反映的实际(\triangle A'B'C')的周长是多少呢?
平时解决这个问题,我们会采用比例尺分别计算三边,然后相加求和。但如果使用等比性质就会更加方便。
因为(AB:A'B' = BC:B'C' = AC:A'C' = 1:5000),根据等比性质,((AB + BC + AC):(A'B' + B'C' + A'C') = 1:5000),也就是图纸上的三角形周长与实际三角形的周长比为(1:5000)。这样我们就可以先计算图纸上的三角形周长,再乘以(5000)就能得到实际三角形的周长,这就是等比性质的巧妙运用。
例(3),如图,已知线段(AB)长为(a),点(P)为(AB)上一点,且使(BP:AP = AP:AB),求线段(AP)的长和(AP:AB)的值。同学们,如何解决这个问题呢?
由于本题中有三条线段,有已知的也有未知的,要想研究它们的数量关系,就要用方程的思想。设(AP)为(x),那么(BP = a - x)。因为(BP:AP = AP:AB),所以((a - x):x = x:a),将这个比例式转化为一个一元二次方程,解这个关于(x)的一元二次方程就可以得到两个解:(x_1 = \frac{-1 + \sqrt{5}}{2}a),(x_2 = \frac{-1 - \sqrt{5}}{2}a)。而线段长度不可能为负数,所以舍去负值,就能得到(AP = \frac{-1 + \sqrt{5}}{2}a),那么(AP:AB = \frac{\sqrt{5} - 1}{2} \approx 0.618)。大家也可以令线段(AB)的长为(1),同样可以得到这个结果。
那么在这个问题中,点(P)把线段(AB)分成了两条线段(AP)和(BP),其中(AP > BP)。如果较长的线段为全线段与较短线段的比例中项,也就是(BP:AP = AP:AB),那么我们就把这样的分割叫做黄金分割,分割点(P)就叫这条线段的黄金分割点。(AP)与(AB)的比值,或者(BP)与(AP)的比值都叫做黄金比值,为(\frac{\sqrt{5} - 1}{2}),近似约为(0.618),这个数字就叫做黄金数。
从分割的角度来看,全线段比较长线段等于较长线段比较短线段,也就是较长线段的平方等于全线段乘以较短线段。从比值的角度来看,较长线段比全线段的值为(\frac{\sqrt{5} - 1}{2}),较短线段比较长线段的值也为(\frac{\sqrt{5} - 1}{2}),这就是黄金分割比。
同学们,黄金分割指的是线段上一个点把这条线段进行分割,两部分线段之比是黄金比。那么大家想,一条线段有几个黄金分割点呢?是不是只有一个黄金分割点呢?其实一条线段有两个黄金分割点,它们关于线段的中点是对称的。比如上面的图形中,点(P)离点(B)近一些,离点(A)远一些,还可以有一个黄金分割点(D),它离点(A)近一些,离点(B)远一些。这时(AB:BD = BD:AD),也就是(BD^2 = AB×AD),(AD)就是较短线段,(BD)就是较长线段。因此,(AD:BD = \frac{\sqrt{5} - 1}{2}),(AB)就是全线段,(BD:AB = \frac{\sqrt{5} - 1}{2})。
其实早在古希腊,就有前辈提出能否将一条线段分成不相等的两个部分,使较短线段与较长线段的比等于较长线段与全线段的比,这其实就是黄金分割问题。而发现黄金分割的是古希腊哲学家毕达哥拉斯。一天,毕达哥拉斯从一家铁匠铺路过,被铺子中那有节奏的叮叮当当的打铁声所吸引,便站在那里仔细聆听,似乎这声音中隐匿着什么样的秘密。他走进作坊,拿出一把尺,量了一下铁锤和铁砧的尺寸,发现它们之间存在着一种十分和谐的关系。
