赵爽弦图模型:以形证数证勾股

赵爽弦图是在大正方形四边上截取等长线段、内接一个小正方形的图形:四个角上是全等的直角三角形,中间是正方形,用面积拼合即可证明勾股定理,并衍生出一系列边长与面积计算模型。

结构:大正方形 ABCDABCD 中,EE、FF、GG、HH 分别在边 ABAB、BCBC、CDCD、DADA 上,且 AE=BF=CG=DHAE=BF=CG=DH;虚线四边形 EFGHEFGH 内接于大正方形。

标准形:已知正方形 ABCDABCD 与四边上的等距截点 EE、FF、GG、HH,证明 EFGHEFGH 为正方形并用面积关系推证勾股定理或计算边长、面积。

适用前提与边界条件

  1. 外框 ABCDABCD 是正方形,四个截取点满足 AE=BF=CG=DHAE=BF=CG=DH(从而四段余量也相等)
  2. 图中虚线四边形 EFGHEFGH 是内接正方形,需要先证明而不能直接当作条件

求解策略

  1. 证全等:由外方直角加两组等边,SAS 证四个直角三角形全等
  2. 定内方:斜边相等得四边等,再由两锐角互余证内四边形一个角为 90°90°
  3. 列面积:外方面积 == 四个三角形面积 ++ 内方面积
  4. 推计算:用勾股定理在三个边长(两直角边、斜边)间互求

模型结构

如图, 是大正方形,点 、、、 分别在边 、、、 上,且

由正方形四边相等,余量也相等:。虚线四边形 内接于大正方形,四个角上各有一个直角三角形:、、、。

ABCDEFGH
正方形 ABCD 四边上等距截取 E、F、G、H,四个直角三角形全等,虚线四边形 EFGH 是内接正方形

核心结论与推导

结论:四个角上的直角三角形全等, 是正方形;设每个直角三角形的两直角边为 、,斜边为 ,则

证明:外方四角都是直角,且

由两边及其夹角对应相等(SAS),

于是斜边 。又由全等知 ,而在直角三角形 中 ,故

所以 是正方形,其边长 。

再用两种方式算大正方形(边长为 )的面积:

展开左端 ,消去 ,得

典例精析

例:如图弦图中,四个全等直角三角形的两直角边分别为 、。求内接正方形 的面积,以及大正方形 的边长。

解:内接正方形的边长即直角三角形的斜边长:

故内接正方形面积 。大正方形边长为 (验算:,成立)。

常见变式

  1. 面积差型:已知外方、内方面积,求四个直角三角形的直角边(解 、 的方程组)。
  2. 外弦图(赵爽原图):四个直角三角形向同一方向环绕、小正方形居中,是本图的经典排布方式。
  3. 公式几何意义型: 与 都能在弦图上直接读出。

对比与联系

图形角上图形内接图形核心用途
赵爽弦图四个全等直角三角形正方形证明勾股定理、面积拼合
三垂直(K 型)两个全等或相似三角形折线直角证全等、相似求长度
十字架模型正方形内两垂直线段四个小图形线段相等、面积等分
半角模型正方形含半角旋转拼合线段和差

正例与反例

✅ 正例

  • 正方形 ABCDABCD 中 AE=BF=CG=DHAE=BF=CG=DH,则 △AEH\triangle AEH、△BFE\triangle BFE、△CGF\triangle CGF、△DHG\triangle DHG 全等,EFGHEFGH 是正方形

❌ 反例

  • 只在矩形(非正方形)四边上截取等线段时,内四边形一般只是平行四边形,不能直接称弦图

高频误解与考试易错

  • 把内四边形默认成正方形:必须由四个直角三角形全等先证四边等、再证一个内角为 90°90°
  • 勾股边对应错:每个直角三角形的斜边(如 EFEF)才是勾股中的 cc,内接正方形边长就是 cc
  • 面积等式列错:外方面积 (a+b)2(a+b)^2 等于四个三角形面积 2ab2ab 加内方面积 c2c^2

常见问题

赵爽是谁?这张图为什么有名?
赵爽是三国时期吴国数学家,他在注释《周髀算经》时画出「勾股圆方图」,用四个全等直角三角形与小正方形的面积拼合,不用代数运算就证明了勾股定理,是中国古代数学「以形证数」的代表。
四个三角形全等的依据是什么?
由外方四角都是直角,且 AE=BF=CG=DHAE=BF=CG=DH、AH=BE=CF=DGAH=BE=CF=DG(等边相减而得),依两边及其夹角对应相等(SAS),四个直角三角形全等。
弦图只能证明勾股定理吗?
不是。以弦图为载体还能考无理数作图、完全平方公式的几何意义 (a+b)2=a2+2ab+b2(a+b)^2=a^2+2ab+b^2、内外方面积差以及线段倍半关系。

依据与出处

  • 人教版(2024 审定)八年级下册 第二十章《勾股定理》(章首图与勾股定理的证明)