四邊形與對角線
測驗第 1 題其實是兩題合成一題:前半要你記得五種四邊形的對角線性質,後半才是推理。性質表不熟,後面再聰明也推不出來——所以我們先把表格弄熟。
🎯 這一頁學完,你會……
- 說出互相平分、垂直、等長三個性質分別在講什麼
- 背(其實是「推」)出五種四邊形的對角線性質表
- 把「性質完全沒有重複」翻譯成兩個集合沒有交集
- 用三句對話,把 20 種組合刪到剩一組
一先認識這五張牌
虛線是對角線(把不相鄰的兩個頂點連起來)。每個四邊形都有兩條對角線。
長方形
四個角都是直角
正方形
四邊等長+四個直角
菱形
四邊等長,角不一定是直角
箏形
兩組相鄰的邊等長(像風箏)
等腰梯形
一組對邊平行,兩腰等長
嚴格說起來,正方形也是一種長方形、也是一種菱形。但這一題是五張寫著名字的牌卡,抽到「正方形」那張就是正方形。做競賽題時照題目的設定走就好。
二對角線的三個性質,怎麼檢查
| 性質 | 意思 | 怎麼檢查 |
|---|---|---|
| 互相平分 | 兩條對角線的交點,剛好是兩條的中點(四段一樣長) | 看交點有沒有把兩條都切成一半 |
| 垂直 | 兩條對角線交出直角 | 交點的角是不是 90° |
| 等長 | 兩條對角線一樣長 | 量兩條的全長,比一比 |
箏形的長對角線,會把短對角線平分——但反過來不成立,短的那條沒有把長的平分。「互相」平分是兩條都被切一半,所以箏形不算互相平分。
把箏形畫得很長很尖,就會一眼看出來交點根本不在長對角線的中間。
忘記的時候就畫一個很扁、很歪的圖:菱形畫得像壓扁的鑽石,馬上看出兩條對角線一長一短(所以不等長);等腰梯形畫得上底很短,就看出兩條對角線交點偏下(所以不互相平分)。腦中那個「畫得剛剛好」的圖,是害人最深的東西。
三性質表:先自己填填看
📝 互動:每格點一下,在 ? → ✓ → ✗ 之間切換
| 四邊形 | 垂直 | 互相平分 | 等長 |
|---|---|---|---|
| 長方形 | |||
| 正方形 | |||
| 菱形 | |||
| 箏形 | |||
| 等腰梯形 |
填完之後,把每個四邊形的性質寫成一個集合,後面推理會用到:
| 四邊形 | 它擁有的性質(集合) | 幾個 |
|---|---|---|
| 正方形 | {垂直、互相平分、等長} | 3 |
| 長方形 | {互相平分、等長} | 2 |
| 菱形 | {垂直、互相平分} | 2 |
| 箏形 | {垂直} | 1 |
| 等腰梯形 | {等長} | 1 |
四老師那句話,到底給了什麼條件?
「這兩個四邊形,它們的對角線性質(垂直、互相平分、等長)完全沒有重複。」
翻譯成數學:甲的性質集合 和 乙的性質集合 沒有交集。一個性質只要兩邊都有,就出局。
正方形三個性質全包。不管對方是誰(其他四種每一種至少有一個性質),一定會撞到。所以甲、乙都不可能是正方形——選項 (A) 直接刪掉。
五把十種配對全部檢查一次
五張牌任選兩張,共 10 種組合。一組一組看有沒有共同性質:
| 配對 | 兩邊的性質 | 有沒有重複 |
|---|---|---|
| 正方形+長方形 | {垂,平,等}/{平,等} | ❌ 平分、等長都重複 |
| 正方形+菱形 | {垂,平,等}/{垂,平} | ❌ 重複 |
| 正方形+箏形 | {垂,平,等}/{垂} | ❌ 垂直重複 |
| 正方形+等腰梯形 | {垂,平,等}/{等} | ❌ 等長重複 |
| 長方形+菱形 | {平,等}/{垂,平} | ❌ 平分重複 |
| 長方形+箏形 | {平,等}/{垂} | ✅ 沒有重複 |
| 長方形+等腰梯形 | {平,等}/{等} | ❌ 等長重複 |
| 菱形+箏形 | {垂,平}/{垂} | ❌ 垂直重複 |
| 菱形+等腰梯形 | {垂,平}/{等} | ✅ 沒有重複 |
| 箏形+等腰梯形 | {垂}/{等} | ✅ 沒有重複 |
① 長方形+箏形 ② 菱形+等腰梯形 ③ 箏形+等腰梯形
接下來三句對話,就是要從這三組裡選出一組。
六三句對話,一句一句刪
關鍵觀念:每個人只看得到自己的牌。他看著自己的牌,再對照上面那三組,就知道對方「有哪些可能」。
| 如果我的牌是 | 對方可能是 | 我能不能馬上知道 |
|---|---|---|
| 長方形 | 只能是箏形 | ✅ 馬上知道 |
| 菱形 | 只能是等腰梯形 | ✅ 馬上知道 |
| 箏形 | 長方形 或 等腰梯形 | ❌ 不知道 |
| 等腰梯形 | 菱形 或 箏形 | ❌ 不知道 |
- 甲 「我不知道你的牌。」 甲不是長方形,也不是菱形(那兩張一看就知道對方)。所以甲是箏形或等腰梯形。
- 乙 「我原本也不知道……」 同樣的道理,乙也是箏形或等腰梯形。
- 乙 「……但是聽你說完我就知道。」 乙知道甲只剩箏形、等腰梯形兩種,而其中一張在自己手上 → 甲一定是另一張。所以乙真的知道了。
- 甲 「那我也知道你的牌了。」 甲用同樣的推理,也確定乙是另一張。兩張牌就是箏形和等腰梯形。
對話把三組刪到只剩「箏形+等腰梯形」這一組。四個選項裡,只有 (D) 是這一組,所以選 (D)(甲拿等腰梯形、乙拿箏形)。
仔細算會發現:這三句對話只能確定「兩張牌是箏形和等腰梯形」,甲乙各拿哪一張,對話本身並沒有分出來——把兩人的牌對調,三句話一樣說得通。這一題靠選項幫我們定了順序。
看出這件事不是你算錯,而是你算得比題目還細,值得高興。
✍️ 練習題
A. 選擇題
前 8 題練性質表,後 4 題練推理。不確定的時候,畫一個很扁的圖再判斷。
菱形的兩條對角線一定等長嗎?
把菱形壓扁,就會出現一條很長、一條很短。只有剛好變成正方形時才等長,而正方形在這題是另一張牌。所以菱形的欄位填✗。
哪一個四邊形的對角線互相平分、而且等長,但不垂直?
長方形:{互相平分、等長}。它的對角線只有在變成正方形時才垂直。
關於箏形的對角線,哪一個敘述正確?
箏形的對稱軸(長對角線)會平分另一條,兩條也垂直;但另一條並沒有把長對角線切成一半,所以不是「互相」平分。性質集合={垂直}。
等腰梯形的對角線性質集合是?
等腰梯形左右對稱,兩條對角線等長;但上底比下底短,交點偏向上底那側,所以不互相平分,也不垂直。
一個四邊形的兩條對角線互相平分,可以確定它是什麼?
對角線互相平分 ⟺ 平行四邊形。再加上「垂直」才是菱形,再加上「等長」才是長方形,三個都有才是正方形。
兩條對角線互相平分且垂直(但不等長),是哪一種四邊形?
互相平分 → 平行四邊形;再加垂直 → 菱形。如果又等長,就升級成正方形。
兩條對角線垂直、互相平分、而且等長,是哪一種四邊形?
三個性質全包的只有正方形。這也是為什麼老師一說「完全沒有重複」,正方形就出局了。
如果再加一張「平行四邊形」的牌,它的性質集合會是?
一般的平行四邊形,對角線互相平分,但不垂直也不等長。(垂直 → 菱形;等長 → 長方形。)
老師說完「兩張牌的對角線性質完全沒有重複」之後,哪一張牌一定沒有被抽到?
正方形三個性質全包,跟其他四種都會撞到(其他四種每一種至少有一個性質)。所以它一定不在甲、乙手上。
五張牌中,符合「對角線性質完全沒有重複」的配對共有幾組?
長方形+箏形、菱形+等腰梯形、箏形+等腰梯形,共 3 組。十種配對一一檢查最保險。
甲說「我不知道你的牌」之後,甲的牌可能是哪些?
長方形的對手只可能是箏形、菱形的對手只可能是等腰梯形——這兩張牌一看就知道答案。既然甲說不知道,甲手上就是有兩種可能的那兩張:箏形(對手可能是長方形或等腰梯形)或等腰梯形(對手可能是菱形或箏形)。
如果甲第一句改成「我已經知道你的牌了」,那甲手上可能是哪些牌?
「一看就知道」=對手只有一種可能,那就是長方形(對手必為箏形)或菱形(對手必為等腰梯形)。把題目的一句話反過來,可能性也跟著反過來——這是檢查自己有沒有真的懂的好方法。
B. 動手寫
畫圖驗證
在紙上畫一個很扁的菱形和一個上底很短的等腰梯形,各自畫出兩條對角線。寫下你觀察到的三件事(垂不垂直?互不互相平分?等不等長?)
菱形:對角線垂直 ✓、互相平分 ✓、等長 ✗(一條明顯比較長)。
等腰梯形:等長 ✓、垂直 ✗、互相平分 ✗(交點偏向上底那一側,不是兩條的中點)。
所以菱形{垂,平}和等腰梯形{等}完全沒有重複,是合法的一組配對。
用自己的話解釋「完全沒有重複」
如果要你跟同學解釋老師那句話,你會怎麼說?並說明為什麼正方形一定出局。
「兩張牌各自有哪些對角線性質,把它們寫成兩個集合,這兩個集合一個共同的元素都沒有。」
正方形的集合是{垂直、互相平分、等長},三個全包;其他四種每一種至少有一個性質,一定會和它重疊,所以正方形不可能出現。
延伸:加一張牌會怎樣
如果把「平行四邊形」也加進去變成六張牌,合法的配對會變成幾組?請列出來。
平行四邊形={互相平分},它可以和{垂直}的箏形、{等長}的等腰梯形配對。
所以合法配對從 3 組變成 5 組:長方形+箏形、菱形+等腰梯形、箏形+等腰梯形、平行四邊形+箏形、平行四邊形+等腰梯形。
想再挑戰嗎?在六張牌的版本裡,甲說「我不知道」之後還剩幾種可能?(提示:現在連箏形、等腰梯形的可能對手都變多了。)