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中学数学の証明で出てくる三角形の合同条件はなぜ3つなのか?4つ目や5つ目は?

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三角形の合同条件を学んだ際には、なぜ3つのみなのだろうと思ったかもしれません。4つ・5つと出てこない理由や「間の角」「両端の角」などと限定されている背景を知るとより理解が深まりますよね。今回は、中学数学の証明問題でよく出てくる三角形の合同条件がなぜ3つなのかを反例を出しながらご紹介します。

◎三角形の合同条件を満たすにはなぜ3組は等しい必要があるのか?


三角形の合同条件には、★「3組の辺がそれぞれ等しい」「2組の辺とその間の角が等しい」「1辺と両端の角がそれぞれ等しい」の三種類があります★。三角形を構成するのは3つの角と3つの辺ですから、6組のうち等しいものが●組・違うものが(6-●)組あるときの場合分けで考えてみましょう。事前準備として知っておきたいのが、数学の証明でよく出てくる反例です。

●中学数学の証明:合同条件にならない理由は反例で


中2数学の証明で合同条件を考える際にも、反例を使うことで導きやすくなる場合があります。数学の証明問題で登場する反例とは、特定の状況で成り立たない例外のことです。数学の条件の証明では必ず(全ての場合で)成り立つことが求められるため、反例を1つ以上出すことで逆に成り立たないことを証明できます。そこで、三角形の合同が成り立たないことを、辺と角6組のうち等しいものが2組以下の場合の反例を出して示してみましょう。

●中2数学の証明:合同条件にならない状況(1組・2組が等しい)


3辺と3角のうち、1組が等しい図形には、「1辺が等しい」と「1つの角度が等しい」の2通りがあります。ただ、この条件だけでは必ず三角形が同じものにならないことはおわかりでしょう。1辺が等しい図形はにいくつも考えられますし、1角が等しい図形も同様です。


3辺と3角のうち2組が等しい図形は、2辺のみが等しい・1辺と1角が等しい・2角が等しいの3種類に分けられます。いずれも様々なパターンが考えられますよね。2辺のみ等しいといっても角度次第で残りの辺は様々ですし、1辺と1角が隣同士だったとしても1通りには決まらないでしょう。

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◎三角形の合同条件:3つが同一の場合は状況次第、3つの角の大きさが等しい三角形は…


3辺と3角のうち、4組が等しい図形には4種類考えられます。1つ目は、3組の辺がそれぞれ等しい場合ですが、これは合同条件そのものでしょう。2つ目は、2組の辺と1組の角がそれぞれ等しい場合です。等しい角が2組の等しい辺の間にある場合には、等しい角をなす頂点を基準とした辺の反対側の端の位置が同じになるため、残りの辺の描き方が1通りになり、角度も同一に決まります。他方、等しい角が2組の等しい辺の間にない場合には、以下のように様々な図形が考えられるため1通りに定まりません。そのため、「2組の辺と”その間の”角が等しい」となっているのです。


3つ目は、1組の辺と2組の角がそれぞれ等しい場合です。三角形の2組の角が等しいときはもう1組の角も等しいですから、角度の組み合わせは多くても₃P₃=6通りになります。そこで、「1組の辺とその両端の角が等しい場合」と「1組の辺と2角が等しいがそれが両端ではない場合」で分けてみましょう。前者は、ある辺の長さとその両側の角度が確定しているため、残りの2辺が出ていく方向は同じです。2辺の関係性は、1点で交わる・平行・完全一致のどれかですが平行と完全一致ではないため1点で交わり、残りの1点も自動的に決まります。


一方で、後者は長さが等しい辺で対照移動させると両端の角度のうち片方のみは等しいです。しかし、それでも複数の図形が描けてしまいます。そのため、合同条件では「1組の辺と”その両端の”角が等しい場合」と定められていました。

●3つの角の大きさが等しい三角形は合同になるのか?


4つ目として、3つの角の大きさが等しい三角形がありますが、3つの角度が等しく3辺がいずれも異なる図形は、実は複数存在します。片方の三角形の全ての辺を同じ割合だけ拡大または縮小した図形です。同じ倍率だけ引き伸ばすあるいは縮めているので、角度は同じですが、辺の長さを変えられるので、合同にはなりません。

◎三角形の合同条件:4つ同じなら必ず一通りに決まる理由


三角形の合同条件が3辺と3角のうち4つが等しい場合には成り立つことをみていきましょう。3辺と3角のうち、4組が等しい図形には、以下の三つの場合が考えられます。


●1つ目は、3辺とも同じで3つの角度のうち1つが等しい場合です。これは、「3組の辺がそれぞれ等しい」「2組の辺とその間の角が等しい」の条件に含まれます。


●2つ目は、2辺と2つの角度が等しい場合です。図形の組み合わせは色々考えられそうですが、2つの角度が等しい時点で残りの1つの角度も等しく、「2組の辺とその間の角が等しい」の条件に含まれます。


●3つ目は、1辺と3つの角度が等しい場合です。単に3つの角度が等しいだけでは拡大版を作れてしまいますが、1辺が同じだと固定されて必ず同じ大きさになります。これは、3組が等しい図形の「1辺と両端の角がそれぞれ等しい」の一部です。

◎三角形の合同条件:5つ以上同じなら必ず一通りに決まる理由


三角形の合同条件が3辺と3角のうち5つ以上等しい場合にも成り立つことをみていきましょう。3辺と3角のうち6組が等しい図形は、それぞれの辺の長さと角度が1通りに決まっていますので、同じ図が描けるのは言うまでもないでしょう。


3辺と3角のうち5組が等しく1組が違う図形は、実は存在しません。5組が等しいと、残りの1組も必ず同一になるからです。異なる1組としては、辺か角の2通りが考えられます。このうち角度が違う場合ですが、三角形の内角の和が180度であるため、2角が同じであれば残りを別にすることはできません。また、2辺と3角が等しい場合、3つの頂点のひとつは角度とその両隣の辺の長さがいずれも等しくなります。先程と同じ「2組の辺とその間の角が等しい」に該当し、残りの辺と角度が自動的に決まってしまうのです。

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◎まとめ


今回は、中2など中学数学でよく出てくる証明の三角形の合同条件がなぜ3種類のみなのかを反例を挙げながらご紹介しました。等しい辺や角が4つ以上の場合にはいずれかの条件の一部に該当するためですが、3組等しいときには限定されるのが注意点です。どの場合であれば1通りに定まるのかを考えると合同であるかを捉えやすいかもしれません。最後までお読みいただきありがとうございました。

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