9.勒让德第二定理

若[某一个]三角形的三个内角和等于两个直角,则[每一个]三角形的三个内角和等于两个直角。

这个定理神奇的地方是,可以“以偏概全”。只要看到一只黑色的乌鸦,就可以断言“天下乌鸦一般黑”。

哪怕假如用“勾三股四弦五”找到一个很特殊的直角三角形,并且证明了它的三个内角和为两直角,那么就可以断言,所有的三角形内角和是两个直角。

这个定理同样不依赖平行公设。证明时,使用萨谢利四边形的性质。

萨谢利四边形:四边形ABCD中,角A和角B是直角,一组对边AD和BC相等。

其中,AB称为下底,CD称上底,AD和BC称作腰。

在不依赖于平行公理的情况下,无法证明这是一个矩形。但可以得到它的一些性质,一是它两个顶角C和D相等,二是底边的中垂线平分整个四边形,分成全等的两个四边形。

萨氏四边形

定理:若四边形ABCD的四个角都是直角,则每一条从直线CD的一点E所作的对边AB的垂线EF,也垂直于CD.

证明图

如图,已知四边形ABCD的四个角都是直角。E在CD上,EF垂直于AB于点F.求证:FE垂直与CD.

证明过程中,不能使用平行公理,以及任何与平行公理等价的命题,如三角形内角和为两直角,所有三角形的内角和都相同等。

证明:作EF关于AD和BC的镜像点,E1,F1以及E2,F2.这些点在已知直线上。

连接AE,AE1,
AD=AD,
角ADE= 角ADE1
DE=DE1
故[三角形ADE]全等于[三角形ADE1]
故AE=AE1
角EAF=E1AF1

又AF=AF1
所以三角形EAF全等于三角形E1AF1

E1F1=EF,且E1F1垂直于AB

同理E2F2垂直于AB,且E2F2=EF

所以E1F1=E2F2=EF

四边形E1F1F2E2为萨氏四边形,顶角E1=顶角E2
四边形E1F1FE为萨氏四边形,顶角E1=角E1EF
四边形E2F2FE为萨氏四边形,顶角E2=角E2EF

所以,角E2EF=角E1EF
所以FE垂直于CD于点E.

(同时,角E1,角E2也是直角)

定理:若某一个四边形的四个角都是直角,那么,每一个有三个直角的四边形的第四个角也是直角。

证明方法,重叠一个直角。然后构成类似上一个定理的图形,可证明在交点处形成直角,从而证明,第四个角也是直角。

由此,可证明勒让德第二定理。
由给定三角形底边为上底,中位线直线为下底,构造撒氏四边形。可证得该四边形的两个顶角之和与给定三角形三个内角和相等。

然后作萨氏四边形的对称轴,可以得到三个直角的四边形,第四个角为给定三角形内角和的一半。

或者说,三角形的内角和,是对应“三个直角的四边形”的第四个角的两倍。

因此,只要有一个三角形内角和为两个直角,那么它对应的“三直角四边形”第四角就会为直角,于是,所有的“有三个直角的四边形”第四个角都是直角,对应的,所有的三角形内角和就是两个直角。

补充说明:

《几何原本》第一卷第22定义已经暗示:

存在四个角都是直角的四边形。

通过这个定义,可以移除第五公设,或者,把第五公设恢复到第一卷第18命题。原来的第18命题与第19命题合并成为一个命题。

第22定义,还暗示了,存在一种四边形,四边都相等,而且四个角都是直角,命名为[正方形]。

据此,可用对角线分割之,可以得到两个全等的三角形(SAS证),每一个三角形内角和都是两个直角。根据勒让德第二定理,可以推导出任意三角形的内角和为两个直角。

欧氏几何的内角和定理同第五公设等价,据此,第五公设可以恢复成为第18命题,作为一个普通命题。

且第四公设强调所有的直角都相等,正可为此处SAS证明全等作铺垫,变更第五公设在《原本》中的位置。

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