概念 ②

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……

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

💡 這一題把五個名字當成五種不同的牌

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。

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
⚠️ 最容易錯的一格:箏形

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。

💡 不要用背的,用推的

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。

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

老師那句話,到底給了什麼條件?

老師說

「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。

🔑 老師一開口,正方形就出局了

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。

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
🔑 剩下三組

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。

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
🔑 答案:(D) 等腰梯形、箏形

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)。

💡 一個誠實的補充(想深一點的人看)

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

選擇題

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。)