چهار دانشآموز دربارهٔ گزارهٔ «مجموع زوایای داخلی هر nضلعی محدب برابر (n-2)× 180^° است» استدلال کردهاند. کدام استدلال یک اثبات (قیاسی معتبر) است؟

هر nضلعی محدب را از یک رأس به (n-2) مثلث افراز میکنیم و چون مجموع زوایای هر مثلث 180^° است، حکم برای هر n نتیجه میشود. — گزینهٔ «هر nضلعی محدب را از یک رأس به (n-2) مثلث افراز میکنیم و چون مجموع زوایای هر مثلث 180^° است، حکم برای هر n نتیجه میشود.» درست است؛ این استدلال از یک روشِ کلی استفاده میکند که برای *هر* مقدار n بهطور یکسان کار میکند، پس قیاسی و اثبات است. بررسی گزینههای نادرست: «برای n=4,5,6 رسم کردم و بهترتیب 360^°,540^°,720^° شد، پس برای هر n همین رابطه برقرار است.» فقط سه حالت را وارسی کرده (استقرایی)؛ «با نقاله زوایای یک پنجضلعی را اندازه گرفتم و مجموعشان 540^° شد که با فرمول میخواند.» اندازهگیری است و اثبات نیست؛ «یک ششضلعیِ منتظم را به شش مثلث تقسیم کردم و جواب درست شد، پس فرمول برای همه درست است.» فقط یک حالتِ خاصِ منتظم را دیده و تعمیم داده. تلهٔ تستی: درستبودنِ *نتیجه* یک استدلال را اثبات نمیکند؛ فقط استدلالی که برای همهٔ حالتها بهطور کلی کار کند اثبات است، نه بررسی چند نمونه یا اندازهگیری.

استدلال و اثبات در هندسه (ریاضی نهم)

Q: الف) در یک مدرسه، سه دانشآموزِ مشاهدهشده همگی با دوچرخه آمدهاند؛ آیا میتوان نتیجه گرفت همهٔ دانشآموزان با دوچرخه میآیند؟ ب) چرا؟

پاسخ کامل: الف) خیر. ب) این نتیجه از چند نمونه به کل جمعیت تعمیم داده شده، در حالی که نمونه ممکن است نماینده نباشد؛ برای نتیجهٔ قطعی باید اطلاعات کافی و بررسی گستردهتری داشت. کجا بخوانم: در «بخش اول — چرا مشاهده کافی نیست؟» نکته مهم: در اثبات، فرضها را روشن کنید و هر نتیجه را به یک قاعده یا دادهٔ مشخص پیوند دهید؛ مشاهدهٔ محدود بهتنهایی اثبات نیست.

Q: الف) گزارهٔ «همهٔ مضربهای ۶ زوجاند» را بررسی کنید. ب) با استدلال توضیح دهید چرا درست است.

پاسخ کامل: الف) درست است. ب) هر مضرب ۶ به صورت 6k نوشته میشود و 6k=2(3k)؛ پس بر ۲ بخشپذیر و زوج است. این استدلال برای هر عدد صحیح k برقرار است. کجا بخوانم: در «بخش دوم — استدلال چیست؟» نکته مهم: در اثبات، فرضها را روشن کنید و هر نتیجه را به یک قاعده یا دادهٔ مشخص پیوند دهید؛ مشاهدهٔ محدود بهتنهایی اثبات نیست.

Q: الف) برای رد ادعای «هر عدد اول فرد است» مثال نقض بیاورید. ب) توضیح دهید چرا یک نمونه برای رد ادعای همگانی کافی است.

پاسخ کامل: الف) عدد ۲ اول است و زوج؛ پس مثال نقض است. ب) ادعای همگانی باید برای همهٔ موارد درست باشد؛ وجود حتی یک مورد ناسازگار، آن را نادرست میکند. کجا بخوانم: در «بخش پنجم — مثال نقض» نکته مهم: در اثبات، فرضها را روشن کنید و هر نتیجه را به یک قاعده یا دادهٔ مشخص پیوند دهید؛ مشاهدهٔ محدود بهتنهایی اثبات نیست.

Q: برای رد کردن گزارهٔ «حاصلضرب هر دو عدد اول، عددی فرد است»، کدام مثالِ نقض کافی و درست است؟

2× 3 = 6 — گزینهٔ «2× 3 = 6» درست است؛ ۲ و ۳ هر دو عددِ اولاند ولی حاصلضربشان ۶ زوج است، پس همین یک مثال گزارهٔ «همیشه فرد» را باطل میکند. بررسی گزینههای نادرست: «3× 5 = 15» حاصلش فرد است و گزاره را تأیید میکند نه نقض؛ «1× 7 = 7» نامعتبر است چون ۱ عددِ اول نیست (شرطِ گزاره برآورده نمیشود)؛ «7× 9 = 63» نامعتبر است چون ۹ اول نیست (9=3×3). تلهٔ تستی: مثالِ نقض باید *دقیقاً* شرطِ گزاره را برآورده کند (هر دو عامل واقعاً اول باشند) و نتیجه را نقض کند؛ تنها عددِ اولِ زوج، ۲ است و کلیدِ ساختِ این نقض همان است.

Q: مربی میگوید: «هر بازیکنی که در تیمِ ملی بازی کند، حتماً از سدِ آزمونِ آمادگی جسمانی گذشته است.» میدانیم «امیر از آزمونِ آمادگی جسمانی نگذشته است.» با استدلالِ قیاسی چه نتیجهای قطعی است؟

امیر در تیمِ ملی بازی نمیکند. — گزینهٔ «امیر در تیمِ ملی بازی نمیکند.» درست است؛ قاعده میگوید «بازی در تیمِ ملی ⇐ گذشتن از آزمون»؛ چون نتیجهٔ این قاعده (گذشتن از آزمون) برای امیر برقرار نیست، مقدمِ آن هم نمیتواند برقرار باشد (عکسِ نقیض). بررسی گزینههای نادرست: «امیر در تیمِ ملی بازی میکند.» مستقیماً با قاعده در تضاد است؛ «امیر حتماً بازیکنِ ضعیفی است.» ربطی به گزارهٔ دادهشده ندارد؛ «دربارهٔ بازیِ امیر در تیمِ ملی نمیتوان چیزی گفت.» نادرست است چون عکسِ نقیض نتیجهٔ قطعی میدهد. تلهٔ تستی: از «اگر p آنگاه q» و نبودِ q، میتوان نبودِ p را نتیجه گرفت (عکسِ نقیض معتبر است)، ولی از نبودِ p نمیتوان نبودِ q را نتیجه گرفت.

Q: در ادامهٔ مسئلهٔ قبل، اگر بدانیم «سارا از آزمونِ آمادگی جسمانی گذشته است»، آیا میتوان نتیجه گرفت سارا در تیمِ ملی بازی میکند؟

خیر؛ گذشتن از آزمون شرطِ لازم است نه کافی. — گزینهٔ «خیر؛ گذشتن از آزمون شرطِ لازم است نه کافی.» درست است؛ قاعده فقط میگوید هر بازیکنِ تیمِ ملی از آزمون گذشته، یعنی گذشتن از آزمون *لازمهٔ* بازی است، اما نگفته بهتنهایی *کافی* است؛ شاید شرطهای دیگری هم لازم باشد. بررسی گزینههای نادرست: «بله؛ چون شرطِ قاعده برقرار شده است.» شرطِ لازم را با کافی خلط کرده؛ «بله؛ چون سارا مانندِ سایرِ بازیکنان است.» فرضِ بیپایه است؛ «خیر؛ چون قاعده دربارهٔ سارا حرفی نزده است.» نتیجهگیریِ درست است ولی دلیلش غلط است — قاعده دربارهٔ همه صادق است، مشکل خلطِ لازم و کافی است. تلهٔ تستی: از «p ⇐ q» و برقراریِ q نمیتوان p را نتیجه گرفت؛ این همان خطای رایجِ «درستپنداشتنِ عکسِ گزاره» است.

Q: کدامیک از استدلالهای زیر «منطقِ درست ولی نتیجهٔ نادرست» دارد؟

همهٔ پرندگان پرواز میکنند؛ شترمرغ پرنده است؛ پس شترمرغ پرواز میکند. — گزینهٔ «همهٔ پرندگان پرواز میکنند؛ شترمرغ پرنده است؛ پس شترمرغ پرواز میکند.» درست است؛ ساختارِ منطقی معتبر است اما مقدمهٔ «همهٔ پرندگان پرواز میکنند» نادرست است (شترمرغ پرنده است ولی پرواز نمیکند)، پس نتیجه هم نادرست از آب درمیآید. بررسی گزینههای نادرست: «همهٔ مربعها چهار ضلعِ برابر دارند؛ این شکل مربع است؛ پس چهار ضلعِ برابر دارد.»، «هر عددِ بخشپذیر بر ۴ زوج است؛ ۱۲ بر ۴ بخشپذیر است؛ پس ۱۲ زوج است.» و «هر لوزی متوازیالاضلاع است؛ این شکل لوزی است؛ پس متوازیالاضلاع است.» هر سه هم مقدمهٔ درست دارند و هم منطقِ درست، پس نتیجهشان قطعاً درست است. تلهٔ تستی: استدلالِ قیاسی فقط وقتی نتیجهٔ درست تضمین میکند که *هم* منطق درست باشد *هم* مقدمات؛ منطقِ درست روی مقدمهٔ غلط، نتیجهٔ غلط میدهد.

بخشی از بانک سؤال طبقه‌بندی‌شده‌ی این مبحث در کوئیز سنتر — رایگان و بدون نیاز به ثبت‌نام

خلاصه‌ی درسنامه

این خلاصه‌ای از درسنامه‌ی کامل است. متن کامل با همه‌ی نکته‌ها، مثال‌های حل‌شده و جمع‌بندی، با ثبت‌نام رایگان در دسترست قرار می‌گیرد.

استدلال و اثبات در هندسه (نهم)

این فصل پنج درس دارد و همه‌شان یک هدف را دنبال می‌کنند: اینکه یاد بگیری در ریاضی، «دیدن» و «اندازه گرفتن» کافی نیست و باید دلیل بیاوری. از مفهوم استدلال شروع می‌کنیم، به ساختار اثبات هندسی می‌رسیم، همنهشتی مثلث‌ها را به‌عنوان اصلی‌ترین ابزار اثبات یاد می‌گیریم، روش حل مسئله‌ی هندسی را قدم‌به‌قدم می‌بینیم و در پایان با شکل‌های متشابه آشنا می‌شویم.

درس ۱ — استدلال

چرا مشاهده کافی نیست؟

چشم و حواس ما خطا می‌کنند. یک آزمایش ساده این را نشان می‌دهد: اگر دست راستت را در آب گرم و دست چپت را در آب سرد نگه داری و بعد هر دو را در آب ولرم بگذاری، یک دست آن را سرد و دست دیگر همان آب را گرم حس می‌کند. در ریاضیات هم شکل و ترسیم به تو کمک می‌کنند حدس بزنی، اما هرگز چیزی را اثبات نمی‌کنند.

تعریف‌های کلیدی

مفهوم	معنی
استدلال	دلیل آوردن و استفاده از دانسته‌های قبلی برای معلوم کردن چیزی که مجهول بوده
اثبات	استدلالی که موضوع را به‌درستی و با قطعیت نتیجه بدهد
استدلال استقرایی	نتیجه‌گیری کلی از چند مثال جزئی — قابل اطمینان نیست
استدلال قیاسی	نتیجه‌گیری از قوانین و اصول کلی — قابل اطمینان است
مثال نقض	یک مثال که یک ادعای کلی را باطل می‌کند

استدلال استقرایی

ساختارش این است: مثال ۱ درست، مثال ۲ درست، مثال ۳ درست، پس همیشه درست است. مشکل اینجاست که حتی اگر هزار مثال درست باشد، ممکن است مثال هزار و یکم آن را نقض کند.

نمونه‌ها: «هر بار به ورزشگاه رفتم تیمم باخت، پس امروز هم می‌بازد» یا «در همه‌ی مثلث‌هایی که ارتفاع رسم کردم، محل تقاطع ارتفاع‌ها داخل مثلث بود، پس همیشه داخل است». این دومی حتی نادرست هم هست: در مثلث قائم‌الزاویه محل تقاطع دقیقاً روی رأس زاویه‌ی قائمه می‌افتد و در مثلث منفرجه کاملاً بیرون از مثلث است.

نکته‌ی مهم: استدلال استقرایی «همیشه غلط» نیست — نتیجه‌اش ممکن است کاملاً درست باشد. مشکلش این است که هیچ تضمینی نمی‌دهد. استقراء برای حدس‌زدن و کشف الگو ابزار خوبی است، فقط اثبات نیست.

استدلال قیاسی

از قوانین کلی و مسلّم به سمت یک نتیجه‌ی جزئی می‌رود:

\text{قانون کلی (مسلّم)} + \text{داده‌های خاص} \Rightarrow \text{نتیجه‌ی قطعی}

مثال با قانون تعدی در نامساوی: می‌دانیم اگر $a > b$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $b > c$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آنگاه $a > c$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. حالا اگر «علی از حسین بزرگ‌تر است» و «حسان از حسین کوچک‌تر است»، نتیجه می‌گیریم علی از حسان بزرگ‌تر است:

\text{حسان} < \text{حسین} < \text{علی} \Rightarrow \text{علی} > \text{حسان}

اما قیاسی بودن به‌تنهایی کافی نیست. اگر مقدمات غلط باشند، نتیجه هم غلط می‌شود، حتی اگر منطق بی‌عیب باشد:

«همه‌ی پرندگان پرواز می‌کنند» (مقدمه‌ی غلط) + «شترمرغ پرنده است» (مقدمه‌ی درست) ⇒ «شترمرغ پرواز می‌کند» (منطق درست، نتیجه غلط).

قاعده را به خاطر بسپار: منطق درست + مقدمه‌ی غلط = نتیجه‌ی غلط.

مثال نقض

برای اینکه نشان دهی یک ادعای کلی («همیشه»، «برای همه») نادرست است، فقط یک مثال نقض کافی است. از نظر منطقی، یک مثال نقض دقیقاً به‌اندازه‌ی هزار مثال نقض قاطع است.

هدف	روش	چقدر لازم است؟
نشان دادن درستی یک ادعای کلی	اثبات منطقی	باید برای همه‌ی حالت‌ها ثابت شود
نشان دادن نادرستی یک ادعای کلی	مثال نقض	فقط یک مثال

مثال نقض باید دقیقاً شرط ادعا را برآورده کند. اگر ادعا بگوید «در هر مثلث، محل تقاطع ارتفاع‌ها داخل مثلث است»، مثال نقض باید حتماً یک مثلث باشد (نه چهارضلعی) و ارتفاع‌هایش بیرون تقاطع کنند — مثلث منفرجه دقیقاً همین شرایط را دارد.

چرا اندازه‌گیری اثبات نیست؟

اگر با نقاله زاویه‌های یک مثلث متساوی‌الساقین را اندازه بگیری و ببینی برابرند، هنوز چیزی ثابت نکرده‌ای، چون: ابزار اندازه‌گیری خطا دارد، دقتش محدود است (نقاله تا حدود یک درجه)، و مهم‌تر از همه فقط برای همان مثلث خاص حرف زده‌ای، نه همه‌ی مثلث‌ها.

معیار ارزیابی هر استدلال

سه سؤال بپرس: (۱) آیا مقدمات درست‌اند؟ (۲) آیا نتیجه به‌طور منطقی از مقدمات درمی‌آید؟ (۳) آیا می‌توان مثال نقض آورد؟ اگر پاسخ دو سؤال اول «بله» و سؤال سوم «خیر» باشد، استدلال معتبر است.

یک نکته‌ی ظریف: بین دو استدلال استقرایی، آنکه پایه‌اش مرتبط است قابل‌اعتمادتر است. «هفته‌ی پیش با تمرین بیشتر هم نتوانست وزنه را بلند کند» به نتیجه ربط دارد؛ «روزهای زوج موفق نبوده» ربط منطقی ندارد. اما هیچ‌کدام اثبات نیستند.

نمونه سؤال. ادعا شده: «مجموع دو عدد فرد همیشه فرد است.» یک مثال نقض بیاورید و بگویید چرا همین یکی کافی است.
پاسخ: $3 + 5 = 8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ ۳ و ۵ هر دو فردند ولی حاصل جمعشان زوج است. چون ادعا با کلمه‌ی «همیشه» بیان شده، برای باطل‌کردنش فقط یک مورد نقض لازم است و نیازی به بررسی همه‌ی اعداد فرد نیست. (ادعای درست این است: مجموع دو عدد فرد همیشه زوج است.)

نمونه سؤال. درباره‌ی مجموع زاویه‌های داخلی یک $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین‌ضلعی محدب، آرش می‌گوید: «برای چهارضلعی، پنج‌ضلعی و شش‌ضلعی به‌ترتیب $360°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $540°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $720°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین شد، پس فرمول $(n-2)\times180°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برای همه درست است.» بهاره می‌گوید: «هر $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین‌ضلعی محدب را می‌توان از یک رأس با قطرها به $(n-2)$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مثلث تقسیم کرد و چون مجموع زاویه‌های هر مثلث $180°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، حاصل $(n-2)\times180°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌شود.» کدام قیاسی است؟
پاسخ: استدلال آرش استقرایی است — او فقط سه حالت ( $n=4,5,6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) را دیده و از روی الگو تعمیم داده؛ هیچ تضمینی نمی‌دهد که برای $n=100$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هم برقرار باشد. استدلال بهاره قیاسی است، چون روشی کلی به‌کار برده که برای هر $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به‌طور یکسان کار می‌کند. پس فقط استدلال بهاره یک اثبات واقعی است؛ حرف آرش صرفاً یک حدس قوی است.

نمونه سؤال. مربی می‌گوید: «اگر دانش‌آموزی در المپیاد استان قبول شود، حتماً در آزمون کتبی مدرسه نمره‌ی بالای ۱۸ گرفته است.» الف) علی نمره‌ی ۱۶ گرفته؛ آیا می‌توان نتیجه گرفت قبول نشده؟ ب) مریم ۱۹ گرفته؛ آیا حتماً قبول شده؟
پاسخ: الف) بله. قانون می‌گوید قبولی ⇐ نمره‌ی بالای ۱۸. نتیجه‌ی قانون برای علی برقرار نیست (۱۶ بالای ۱۸ نیست)، پس مقدم آن هم نمی‌تواند برقرار باشد؛ علی قبول نشده است. ب) خیر. جمله‌ی مربی فقط می‌گوید این نمره لازمه‌ی قبولی است، نه اینکه به‌تنهایی کافی باشد. شاید شرط‌های دیگری هم لازم باشد. این همان خطای رایج «عکس ادعا را هم درست پنداشتن» است.

درس ۲ — آشنایی با اثبات در هندسه

ساختار هر اثبات هندسی

هر اثبات سه بخش دارد و این ترتیب را هرگز نباید به هم زد:

فرض (داده‌های مسئله) ← استدلال (با قضایای قبلاً ثابت‌شده) ← حکم (نتیجه‌ای که باید ثابت شود)

قانون طلایی: اولین قدم در هر اثبات، نوشتن دقیق فرض و حکم به زبان ریاضی است. نیمی از کار همین است.

مثال ساده: ادعا «در لوزی $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین زاویه‌های روبه‌رو برابرند».

فرض: شکل لوزی است.
حکم: زاویه‌های روبه‌رو برابرند.
استدلال: هر لوزی یک متوازی‌الاضلاع است ⇐ در متوازی‌الاضلاع زاویه‌های روبه‌رو برابرند ⇐ پس در لوزی هم برابرند.

مثال دیگر: ادعا «قطرهای مستطیل با هم برابرند».

فرض: $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مستطیل است.
حکم: $AC = BD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
دانسته‌های قابل استفاده: $\hat{A}=\hat{B}=\hat{C}=\hat{D}=90°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، و $AB = CD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $AD = BC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، و $AB \parallel CD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $AD \parallel BC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

چرا نوشتن دانسته‌های قبلی مهم است؟ چون اثبات باید روی پایه‌های محکم بنا شود؛ فقط می‌توان از قضیه‌ای استفاده کرد که قبلاً ثابت شده باشد.

ابزارهای اصلی اثبات

الف) همنهشتی مثلث‌ها — رایج‌ترین ابزار. وقتی دو مثلث همنهشت شدند، تمام اجزای متناظرشان برابر است.

ب) زوایای حاصل از خطوط موازی — وقتی یک مورب دو خط موازی را قطع می‌کند، زوایای متناوب داخلی، زوایای متناظر و زوایای هم‌نام با هم برابرند.

ج) زوایای متقابل به رأس — در تقاطع دو خط، زوایای روبه‌رو برابرند. اثباتش خیلی آموزنده است:

\hat{O_1} + \hat{O_2} = 180° \quad \text{و} \quad \hat{O_3} + \hat{O_2} = 180°

\Rightarrow \hat{O_1} + \hat{O_2} = \hat{O_3} + \hat{O_2} \Rightarrow \hat{O_1} = \hat{O_3}

این الگو — «دو چیز با یک چیز سوم برابرند، پس با هم برابرند» — یکی از پرکاربردترین قالب‌های اثبات در کل ریاضی است. به زبان جبری:

a + c = k \ \text{ و } \ b + c = k \Rightarrow a = b

یک اثبات نمونه: مجموع زاویه‌های مثلث $180°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است

چهار روش را مقایسه کنیم: بررسی یک مثلث متساوی‌الاضلاع (استقرایی، نامعتبر)، اندازه‌گیری چند مثلث با نقاله (استقرایی، نامعتبر)، و دو روش قیاسی. بهترین روش این است:

از رأس $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین خطی مثل $d$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین موازی با $BC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین رسم می‌کنیم. آنگاه:

d \parallel BC \text{ و } AB \text{ مورب} \Rightarrow \hat{B} = \hat{A_1}

d \parallel BC \text{ و } AC \text{ مورب} \Rightarrow \hat{C} = \hat{A_3}

\Rightarrow \hat{A} + \hat{B} + \hat{C} = \hat{A_2} + \hat{A_1} + \hat{A_3} = 180°

چرا این استدلال برتر است؟ چون بر قضیه‌ای بنا شده که قبلاً ثابت شده، برای هر مثلث دلخواه کار می‌کند نه یک مثلث خاص، و هر قدمش مستند به قضیه‌ای مشخص است.

قانون تعمیم

وقتی خاصیتی را برای یک عضو از یک مجموعه ثابت کردی، تنها زمانی می‌توانی آن را به همه‌ی اعضا تعمیم دهی که همه‌ی ویژگی‌هایی که در استدلال به‌کار برده‌ای، برای اعضای دیگر هم برقرار باشد.

مثال روشنگر: در مثلث متساوی‌الساقین ثابت می‌کنیم نیمساز زاویه‌ی رأس، میانه هم هست. آیا می‌توان تعمیم داد که نیمساز زاویه‌ی $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هم میانه است؟ خیر — چون در اثبات از برابری ساق‌ها ( $AB = AC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) استفاده کردیم و این ویژگی برای زاویه‌ی $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برقرار نیست. اما در مربع، اگر ثابت کنیم قطر $AC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نیمساز است، می‌توان به قطر $BD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هم تعمیم داد، چون قطر $BD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین دقیقاً همان ویژگی‌ها را دارد.

پس قبل از هر تعمیم بپرس: «آیا همه‌ی ویژگی‌هایی که در اثباتم استفاده کردم، برای عضو جدید هم برقرارند؟»

تله‌ی «نقیض نادرست» — شرط لازم در برابر شرط کافی

سه استدلال زیر را مقایسه کن:

استدلال	معتبر؟	چرا
هر مستطیل متوازی‌الاضلاع است + $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مستطیل است ⇒ $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین متوازی‌الاضلاع است	بله	مقدمات درست، منطق درست
هر مربع ضلع‌های برابر دارد + $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مربع نیست ⇒ ضلع‌های $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برابر نیستند	خیر	لوزی هم ضلع‌های برابر دارد و مربع نیست
هر مربع ضلع‌های برابر دارد + ضلع‌های $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برابر نیستند ⇒ $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مربع نیست	بله	نقیضِ معکوس، همیشه معتبر

قاعده‌ی کلی: گزاره‌ی «اگر $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آنگاه $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین» همیشه هم‌ارز است با «اگر نه‌ $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آنگاه نه‌ $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین». اما هم‌ارز نیست با «اگر نه‌ $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آنگاه نه‌ $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین». دومی همان تله‌ی رایجی است که در امتحان‌ها می‌آید. «مربع بودن» شرط کافی برای برابری ضلع‌هاست، اما برابری ضلع‌ها شرط کافی برای مربع بودن نیست.

یک اثبات کامل: نقطه روی عمودمنصف

فرض: $P$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین روی عمودمنصف پاره‌خط $AB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و $H$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین وسط $AB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (پای عمود) است.
حکم: $PA = PB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
اثبات: در دو مثلث $AHP$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $BHP$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین:

AH = BH \quad \text{(تعریف عمودمنصف)}

PH = PH \quad \text{(ضلع مشترک)}

\hat{AHP} = \hat{BHP} = 90° \quad \text{(عمود بودن)}

\Rightarrow \triangle AHP \cong \triangle BHP \ \text{(ض ز ض)} \Rightarrow PA = PB

چون در استدلال فقط از «روی عمودمنصف بودن $P$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین» استفاده کردیم و نه از موقعیت خاص آن، نتیجه برای هر نقطه‌ی روی عمودمنصف تعمیم‌پذیر است.

نمونه سؤال (اثبات دو طرفه). ثابت کنید اگر $PA = PB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، آنگاه $P$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین حتماً روی عمودمنصف $AB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.
پاسخ: از $P$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین عمودی بر خط $AB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین رسم می‌کنیم که آن را در $H$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین قطع کند. در دو مثلث قائم‌الزاویه $PHA$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $PHB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: $PA = PB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (فرض)، $PH = PH$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (ضلع مشترک)، و $\hat{PHA}=\hat{PHB}=90°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. پس طبق حالت وتر-ساق این دو مثلث همنهشت‌اند و $HA = HB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. یعنی $H$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین وسط $AB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و $PH$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بر $AB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین عمود است، پس $PH$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین همان عمودمنصف $AB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و $P$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین روی آن قرار دارد.
این نمونه‌ی خوبی از «اثبات دو طرفه» است: قضیه‌ی رفت و قضیه‌ی برگشت هرکدام اثبات جداگانه لازم دارند؛ یکی دیگری را تضمین نمی‌کند.

نمونه سؤال. سه گزاره درباره‌ی چهارضلعی $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: (۱) اگر مستطیل باشد، قطرهایش برابرند. (۲) اگر قطرها برابر نباشند، مستطیل نیست. (۳) اگر مستطیل نباشد، قطرهایش برابر نیستند. کدام‌ها از (۱) نتیجه می‌شوند؟
پاسخ: گزاره‌ی (۲) نتیجه می‌شود — این دقیقاً نقیضِ معکوسِ (۱) است و «اگر $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین پس $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین» همیشه هم‌ارز «اگر نه‌ $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین پس نه‌ $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین» است. گزاره‌ی (۳) نتیجه نمی‌شود و اتفاقاً نادرست است: ذوزنقه‌ی متساوی‌الساقین مستطیل نیست ولی قطرهایش برابرند — یک مثال نقض کامل.

درس ۳ — هم‌نهشتی مثلث‌ها

تعریف و اجزای متناظر

دو مثلث هم‌نهشت‌اند اگر بتوان یکی را دقیقاً روی دیگری منطبق کرد؛ یعنی شکل و اندازه کاملاً یکسان است و فقط موقعیت یا جهت ممکن است فرق کند.

وقتی می‌نویسیم $\triangle ABC \cong \triangle A'B'C'$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، این ترتیب حروف تناظر رأس‌ها را اعلام می‌کند: $A \leftrightarrow A'$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $B \leftrightarrow B'$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $C \leftrightarrow C'$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. در نتیجه:

AB = A'B', \quad BC = B'C', \quad AC = A'C'

\hat{A} = \hat{A'}, \quad \hat{B} = \hat{B'}, \quad \hat{C} = \hat{C'}

ترتیب حروف یک قرارداد شکلی و بی‌اهمیت نیست — جابه‌جا کردنش ادعای کاملاً متفاوتی می‌سازد.

پنج حالت هم‌نهشتی

نام	شرط
ض ز ض	دو ضلع و زاویه‌ی بین آن دو
ز ض ز	دو زاویه و ضلع بین آن دو
ض ض ض	هر سه ضلع
وتر-ساق (مثلث قائم‌الزاویه)	وتر و یک ساق برابر
وتر-زاویه (مثلث قائم‌الزاویه)	وتر و یک زاویه‌ی حاده برابر

به‌صورت نمادی، حالت ض ز ض یعنی:

AB = A'B',\quad \hat{A} = \hat{A'},\quad AC = A'C' \Rightarrow \triangle ABC \cong \triangle A'B'C'

چرا فقط همین‌ها؟ هر مثلث ۶ جزء دارد (۳ ضلع و ۳ زاویه) و برای تعیین کامل آن، دانستن سه جزء مناسب کافی است — اما نه هر سه‌تایی. مثلاً ز ز ز (سه زاویه‌ی برابر) هم‌نهشتی نمی‌دهد، فقط تشابه می‌دهد: دو مثلث می‌توانند زاویه‌های کاملاً یکسان ولی اندازه‌های کاملاً متفاوت داشته باشند.

همچنین «دو ضلع و یک زاویه» فقط وقتی هم‌نهشتی تضمین می‌کند که زاویه بین آن دو ضلع باشد؛ در غیر این صورت ممکن است دو مثلث متفاوت ساخته شود.

روش کلی اثبات با هم‌نهشتی

۱. دو مثلث مناسب را در شکل پیدا کن (اگر نبود، با یک خط کمکی مثل قطر، عمود یا میانه بسازشان).
۲. سه شرط لازم برای یکی از حالت‌ها را بیاب. (ضلع مشترک را هرگز فراموش نکن — یک تساوی مجانی است.)
۳. نتیجه بگیر که اجزای متناظر برابرند.

منطق کلی: هر وقت باید ثابت کنی دو پاره‌خط یا دو زاویه برابرند، آن‌ها را به‌عنوان اجزای متناظر دو مثلث هم‌نهشت معرفی کن.

دو مثال کلاسیک

مثال ۱ (دو تیرک متقاطع). دو پاره‌خط $AB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $CD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در نقطه‌ی $O$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین همدیگر را قطع کرده‌اند، با $OA = OB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $OC = OD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. ثابت کن $AD = BC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

OA = OB, \quad \hat{O_1} = \hat{O_2} \ \text{(متقابل به رأس)}, \quad OC = OD

\Rightarrow \triangle OAD \cong \triangle OBC \ \text{(ض ز ض)} \Rightarrow AD = BC

مثال ۲ (اضلاع مقابل متوازی‌الاضلاع). در متوازی‌الاضلاع $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین قطر $BD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را رسم می‌کنیم تا دو مثلث بسازیم. چون $AB \parallel CD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین داریم $\hat{B_1} = \hat{D_1}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و چون $AD \parallel BC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین داریم $\hat{B_2} = \hat{D_2}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (هر دو از زوایای متناوب داخلی)، و $BD = BD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ضلع مشترک است:

\Rightarrow \triangle ABD \cong \triangle CDB \ \text{(ز ض ز)} \Rightarrow AD = BC \ \text{ و } \ AB = CD

چرا اینجا از ض ز ض یا ض ض ض استفاده نکردیم؟ چون در ابتدا فقط برابری زاویه‌ها را داریم؛ برابری اضلاع دقیقاً همان چیزی است که باید ثابت شود. استفاده از حکم در فرض، دور منطقی است و اثبات را باطل می‌کند.

نمونه سؤال (بادبادک). در چهارضلعی $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین داریم $AB = CB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $AD = CD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. قطر $BD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین قطر $AC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را در $M$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین قطع می‌کند. ثابت کنید $M$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین وسط $AC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و $BD \perp AC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
پاسخ:
گام ۱ — در دو مثلث $ABD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $CBD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: $AB = CB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (فرض)، $AD = CD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (فرض)، $BD = BD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (ضلع مشترک). پس طبق ض ض ض این دو همنهشت‌اند و $\hat{ABD} = \hat{CBD}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ یعنی $BD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نیمساز زاویه‌ی $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.
گام ۲ — در دو مثلث $ABM$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $CBM$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: $AB = CB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\hat{ABM} = \hat{CBM}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (از گام ۱)، $BM = BM$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. پس طبق ض ز ض همنهشت‌اند و در نتیجه $AM = CM$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\hat{AMB} = \hat{CMB}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
گام ۳ — این دو زاویه هم مکمل‌اند (روی خط راست $AC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) و هم برابر، پس هرکدام $90°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است. یعنی $M$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین وسط $AC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و $BD \perp AC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

نمونه سؤال (تشخیص دور منطقی). دانش‌آموزی برای اثبات $AB = CD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در چهارضلعی $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین که قطرهایش برابرند ( $AC = BD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)، نوشته: «در دو مثلث $ABC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $DCB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: $AC = DB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (فرض)، $BC = CB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (ضلع مشترک) و $AB = DC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (چون هر دو ضلع همین چهارضلعی‌اند)؛ پس طبق ض ض ض همنهشت‌اند و $AB = CD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ثابت شد.» اشکال اساسی کجاست؟
پاسخ: این اثبات دور منطقی دارد: $AB = DC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به‌عنوان یکی از سه شرط استفاده شده، در حالی که دقیقاً همان چیزی است که قرار بود ثابت شود. نمی‌توان چیزی را که هنوز اثبات نشده در فرض به‌کار برد — این مثل گفتن «چون نتیجه درست است، پس نتیجه درست است» می‌ماند. با داده‌های واقعی موجود (فقط $AC=DB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ضلع مشترک $BC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) هیچ حالت همنهشتی کامل نمی‌شود و اطلاعات بیشتری لازم است.

قضیه‌ی دو مماس از یک نقطه‌ی خارجی. اگر از نقطه‌ی $M$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بیرون دایره‌ای به مرکز $O$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، دو مماس $MA$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $MB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین رسم شوند، آنگاه $MA = MB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین:

OA = OB = r \ \text{(شعاع)}, \quad OM = OM \ \text{(وتر مشترک)}, \quad \hat{A} = \hat{B} = 90° \ \text{(مماس بر شعاع عمود است)}

\Rightarrow \triangle OAM \cong \triangle OBM \ \text{(وتر-ساق)} \Rightarrow MA = MB

درس ۴ — حل مسئله در هندسه

الگوریتم پنج‌گامی

۱. بخوان و مفاهیم را بشناس. بفهم مسئله درباره‌ی چیست: فاصله‌ی نقطه تا خط؟ وتر و کمان؟ نیمساز؟ هر مفهوم ابزارهای خودش را دارد.
۲. شکل رسم کن. اگر مسئله شکل ندارد خودت بکش، همه‌ی نقاط و خطوط را برچسب بزن، و لازم نیست دقیق باشد — فقط باید نسبت‌ها را نشان دهد. بدون شکل، اثبات معمولاً اصلاً شروع نمی‌شود.
۳. فرض و حکم را با نماد بنویس. این گام را هرگز حذف نکن.
۴. راه حل را پیدا کن. جدول زیر نقشه‌ی راه است.
۵. اثبات را قدم‌به‌قدم بنویس و در هر قدم بگو از کدام قضیه استفاده کرده‌ای.

هدف	ابزار معمول
اثبات برابری دو پاره‌خط	همنهشتی مثلث‌ها
اثبات برابری دو زاویه	خطوط موازی، زوایای متقابل به رأس، همنهشتی
اثبات عمود بودن	نشان دادن اینکه زاویه $90°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است
اثبات موازی بودن	برابری زوایای متناوب یا متناظر

فاصله‌ی نقطه تا خط

فاصله‌ی یک نقطه تا یک خط، طول پاره‌خط عمود از آن نقطه به خط است — و همین کوتاه‌ترین فاصله‌ی ممکن است. چرا؟ چون هر پاره‌خط مایل دیگری، وترِ یک مثلث قائم‌الزاویه می‌شود و وتر همیشه از ساق بزرگ‌تر است. پس هر جا مسئله از «کوتاه‌ترین فاصله» حرف زد، بدان که با یک عمود سروکار داری.

مثال کامل (جاده و دو روستا). روستاهای $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در دو طرف جاده‌ی $d$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هستند. پاره‌خط $AB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین جاده را در $M$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین قطع می‌کند و $M$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین وسط $AB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است. از $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین عمود $AH$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و از $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین عمود $BH'$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بر جاده رسم شده است.
فرض: $MA = MB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\hat{H} = \hat{H'} = 90°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. حکم: $AH = BH'$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
اثبات: در دو مثلث $MAH$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $MBH'$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین داریم $MA = MB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (فرض)، $\hat{H} = \hat{H'} = 90°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (فرض)، و $\hat{AMH} = \hat{BMH'}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (زوایای متقابل به رأس). پس:

\triangle MAH \cong \triangle MBH' \ \text{(ز ض ز)} \Rightarrow AH = BH'

قضیه‌ی وتر و کمان

در یک دایره، دو وتر برابرند اگر و تنها اگر کمان‌های نظیرشان برابر باشند.
$\text{در یک دایره:} \quad AB = CD \iff \overset{\frown}{AB} = \overset{\frown}{CD}$

این رابطه دوطرفه است و هر دو طرفش اثبات‌پذیر است:

از وتر برابر به کمان برابر: در دو مثلث $OAB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $OCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین داریم $OA = OC = r$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $OB = OD = r$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $AB = CD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (فرض)، پس طبق ض ض ض همنهشت‌اند و زاویه‌های مرکزی برابر می‌شوند: $\hat{O_1} = \hat{O_2}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ و زاویه‌ی مرکزی برابر یعنی کمان برابر.

از کمان برابر به وتر برابر: کمان‌های برابر یعنی زاویه‌های مرکزی برابر ( $\hat{O_1} = \hat{O_2}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)؛ حالا در دو مثلث $OAB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $OCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با $OA = OC = r$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $OB = OD = r$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، طبق ض ز ض همنهشتی برقرار است و $AB = CD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

توجه: این قضیه فقط در یک دایره (یا دو دایره‌ی هم‌شعاع) معتبر است. رابطه هم مستقیم است — وتر بزرگ‌تر همیشه کمان بزرگ‌تر می‌سازد، نه برعکس.

الگوی «اضافه کردن کمان مشترک»

اگر $\overset{\frown}{AB} = \overset{\frown}{CD}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و نقاط $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $C$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $D$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به همین ترتیب روی دایره باشند، کمان مشترک $\overset{\frown}{BC}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را به هر دو طرف اضافه می‌کنیم:

\overset{\frown}{AB} + \overset{\frown}{BC} = \overset{\frown}{CD} + \overset{\frown}{BC} \Rightarrow \overset{\frown}{AC} = \overset{\frown}{BD} \Rightarrow AC = BD

این تکنیک سه‌مرحله‌ای در سؤال‌های تیزهوشان بسیار پرکاربرد است؛ گام‌ها را نپر.

قضیه‌ی خط میانی مثلث

خطی که وسط دو ضلع مثلث را به هم وصل می‌کند، موازی ضلع سوم و برابر نصف آن است.
$M \text{ وسط } AB,\ N \text{ وسط } AC \Rightarrow MN \parallel BC \ \text{ و } \ MN = \frac{BC}{2}$

دقت کن: خط میانی فقط پاره‌خطی است که دقیقاً وسط دو ضلع را به هم وصل می‌کند؛ هر پاره‌خطی که دو ضلع را قطع کند خط میانی نیست.

قضیه‌ی نیمساز

هر نقطه روی نیمساز یک زاویه، از دو ضلع آن زاویه فاصله‌ی مساوی دارد. اثبات: از نقطه‌ی $P$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین روی نیمساز زاویه‌ی $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، عمودهای $PH$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بر $AB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $PK$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بر $AC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را رسم می‌کنیم. در دو مثلث قائم‌الزاویه $APH$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $APK$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: $\hat{PAH} = \hat{PAK}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (نیمساز)، $\hat{AHP} = \hat{AKP} = 90°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، و $AP = AP$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (وتر مشترک). پس طبق وتر-زاویه همنهشت‌اند و $PH = PK$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. این قضیه نظیر قضیه‌ی عمودمنصف است، فقط برای نیمساز.

نمونه سؤال. در مثلث $ABC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، نقاط $M$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $N$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $P$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به‌ترتیب وسط اضلاع $AB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $AC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $BC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هستند. ثابت کنید محیط مثلث $MNP$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نصف محیط مثلث $ABC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.
پاسخ: هر ضلع مثلث $MNP$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یک خط میانی مثلث $ABC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است:

MN = \frac{BC}{2}, \qquad NP = \frac{AB}{2}, \qquad MP = \frac{AC}{2}

با جمع کردن:

MN + NP + MP = \frac{AB + BC + AC}{2}

یعنی محیط $MNP$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین دقیقاً نصف محیط $ABC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.

نمونه سؤال. در مثلث $ABC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $M$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین وسط $AB$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $N$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین وسط $AC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است. اگر $BC = 14$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین سانتی‌متر باشد، $MN$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین چند سانتی‌متر است؟
پاسخ: $MN$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین خط میانی است، پس $MN \parallel BC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $MN = \frac{14}{2} = 7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین سانتی‌متر.

نمونه سؤال (متساوی‌الساقین). در مثلث $ABC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با $AB = AC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، نقاط $M$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $N$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین روی $BC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین طوری‌اند که $BM = NC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. ثابت کنید $AM = AN$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
پاسخ: در دو مثلث $ABM$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $ACN$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: $AB = AC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (فرض)، $BM = NC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (فرض)، و $\hat{B} = \hat{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (زوایای قاعده در مثلث متساوی‌الساقین برابرند). پس طبق ض ز ض این دو مثلث همنهشت‌اند و $AM = AN$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ یعنی مثلث $AMN$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هم متساوی‌الساقین است.

درس ۵ — شکل‌های متشابه

تعریف تشابه

وقتی یک عکس را بزرگ یا کوچک می‌کنی، شکلش عوض نمی‌شود و فقط اندازه‌اش تغییر می‌کند. این دقیقاً مفهوم تشابه است. دو چندضلعی متشابه‌اند اگر و فقط اگر هر دو شرط زیر برقرار باشند:

شرط اول: تمام زاویه‌های متناظر برابر باشند.
شرط دوم: تمام ضلع‌های متناظر به یک نسبت ثابت باشند.

هیچ‌کدام به‌تنهایی کافی نیست. این جدول نشان می‌دهد چرا:

دو شکل	زاویه‌ها	ضلع‌ها	متشابه؟
مربع ۲ سانتی و مربع ۴ سانتی	برابر (همه $90°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)	نسبت ثابت ( $1:2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)	بله
مستطیل $2\times4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و مستطیل $2\times6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	برابر (همه $90°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)	نسبت ثابت نیست	خیر
لوزی با زاویه‌ی $60°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و لوزی با زاویه‌ی $80°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	برابر نیستند	نسبت ثابت	خیر

نسبت تشابه

اگر $\triangle ABC \sim \triangle DEF$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد، نسبت هر ضلع به ضلع متناظرش عددی ثابت است که به آن نسبت تشابه می‌گوییم:

\frac{AB}{DE} = \frac{BC}{EF} = \frac{AC}{DF} = k

مثل هم‌نهشتی، ترتیب رأس‌ها در نماد تشابه مهم است: نوشتن $\triangle ABC \sim \triangle DEF$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یعنی $A \leftrightarrow D$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $B \leftrightarrow E$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $C \leftrightarrow F$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

مثال: مثلث اول با اضلاع $AB=10$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $BC=8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $AC=6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و مثلث دوم با $DE=5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $EF=4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $DF=3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین:

\frac{10}{5} = \frac{8}{4} = \frac{6}{3} = 2

هر سه نسبت برابر ۲ شدند، پس این دو مثلث متشابه‌اند با $k = 2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

الگوریتم بررسی تشابه: ضلع‌های هر شکل را از کوچک به بزرگ مرتب کن، نسبت هر جفت متناظر را حساب کن، و اگر همه‌ی نسبت‌ها برابر بودند متشابه‌اند. مرتب‌سازی جلوی اشتباه در تناظر را می‌گیرد.

برای پیدا کردن ضلع مجهول، ضرب متقاطع بزن:

\frac{a}{b} = \frac{c}{x} \Rightarrow x = \frac{b \cdot c}{a}

مقیاس نقشه

مقیاس نقشه چیزی جز همان نسبت تشابه نیست. مقیاس $1:100{,}000$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یعنی هر ۱ سانتی‌متر روی نقشه برابر $100{,}000$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین سانتی‌متر (یعنی ۱ کیلومتر) در واقعیت است.

\text{فاصله‌ی واقعی} = \text{فاصله روی نقشه} \times \text{مخرج مقیاس}

\text{فاصله روی نقشه} = \frac{\text{فاصله‌ی واقعی}}{\text{مخرج مقیاس}}

قبل از ضرب، حتماً همه‌چیز را به یک واحد تبدیل کن.

کدام شکل‌ها همیشه متشابه‌اند؟

شکل	همیشه متشابه؟	چرا
مربع	بله	همه‌ی زاویه‌ها $90°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و همه‌ی ضلع‌ها برابر
مثلث متساوی‌الاضلاع	بله	همه‌ی زاویه‌ها $60°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و همه‌ی ضلع‌ها برابر
دایره	بله	شکل دایره‌ها همیشه یکسان است
مستطیل	خیر	نسبت طول به عرض باید برابر باشد: $\frac{l_1}{w_1} = \frac{l_2}{w_2}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
لوزی	خیر	ضلع‌ها نسبت ثابت دارند ولی زاویه‌ها می‌توانند فرق کنند
مثلث متساوی‌الساقین	خیر	زاویه‌ی رأس می‌تواند هر مقداری باشد

رابطه‌ی هم‌نهشتی و تشابه

هم‌نهشتی حالت خاصی از تشابه با $k = 1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است. پس هر دو شکل همنهشت حتماً متشابه‌اند، اما هر دو شکل متشابه لزوماً همنهشت نیستند:

\text{همنهشتی} \Rightarrow \text{تشابه} \qquad \text{تشابه} \nRightarrow \text{همنهشتی}

اگر $k > 1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین شکل اول بزرگ‌تر است، اگر $k < 1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین کوچک‌تر، و اگر $k = 1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین همنهشت‌اند.

نسبت محیط و مساحت (نکته‌ی طلایی تیزهوشان)

اگر نسبت تشابه دو شکل $k$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد:

\frac{P_1}{P_2} = k \qquad \text{ولی} \qquad \frac{S_1}{S_2} = k^2

یعنی نسبت محیط‌ها برابر $k$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، اما نسبت مساحت‌ها برابر $k^2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. اگر $k=2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد، مساحت ۴ برابر می‌شود؛ اگر $k=3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، مساحت ۹ برابر. یکی‌گرفتن این دو، رایج‌ترین اشتباه امتحانی این فصل است.

الگوی «ارتفاع بر وتر»

وقتی در یک مثلث قائم‌الزاویه ارتفاع را بر وتر رسم می‌کنی، سه مثلث قائم‌الزاویه‌ی متشابه ساخته می‌شود (مثلث اصلی و دو مثلث کوچک). دلیلش این است که هر مثلث کوچک یک زاویه‌ی قائمه و یک زاویه‌ی مشترک با مثلث اصلی دارد؛ و چون مجموع زاویه‌های هر مثلث $180°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، برابری دو زاویه، برابری زاویه‌ی سوم را هم تضمین می‌کند. این الگو در سؤال‌های نمونه‌دولتی و تیزهوشان خیلی می‌آید.

نمونه سؤال. در مثلث قائم‌الزاویه $ABC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با زاویه‌ی قائمه در $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، ارتفاع $AH$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بر وتر $BC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین رسم شده است. اگر $BH = 4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $HC = 9$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد، $AH$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین چقدر است؟
پاسخ: از تشابه $\triangle ABH \sim \triangle CAH$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین داریم:

\frac{BH}{AH} = \frac{AH}{CH} \Rightarrow AH^2 = BH \times CH = 4 \times 9 = 36 \Rightarrow AH = 6

نمونه سؤال. دو مثلث متشابه‌اند و محیط بزرگ‌تر ۳ برابر محیط کوچک‌تر است. اگر مساحت مثلث کوچک‌تر ۵ سانتی‌متر مربع باشد، مساحت بزرگ‌تر چقدر است؟
پاسخ: چون نسبت محیط‌ها همان نسبت تشابه است، $k = 3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. و چون نسبت مساحت‌ها $k^2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است:

5 \times 3^2 = 5 \times 9 = 45 \text{ سانتی‌متر مربع}

نمونه سؤال. روی نقشه‌ای با مقیاس $1:50000$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، فاصله‌ی دو شهر ۳٫۵ سانتی‌متر است. فاصله‌ی واقعی چند کیلومتر است؟
پاسخ: $3.5 \times 50000 = 175000$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین سانتی‌متر $= 1750$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین متر $= 1.75$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین کیلومتر.

نمونه سؤال. لوزی $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با ضلع ۱۰ سانتی‌متر با لوزی $A'B'C'D'$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به ضلع ۱۵ سانتی‌متر متشابه است و زاویه‌ی $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برابر $70°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است. الف) نسبت تشابه؟ ب) زاویه‌ی $A'$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؟ ج) آیا نتیجه می‌گیریم همه‌ی لوزی‌ها متشابه‌اند؟
پاسخ: الف) $k = \frac{15}{10} = 1.5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. ب) در شکل‌های متشابه زاویه‌های متناظر برابرند، پس $\hat{A'} = 70°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. ج) خیر — تشابه این دو لوزی خاص در فرض مسئله داده شده بود، نه از یک قانون کلی نتیجه شده. لوزی دیگری با زاویه‌ی $80°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین متشابه نخواهد بود، چون زاویه‌های متناظرشان برابر نیست.

اشتباهات رایج این فصل

چند مثال را اثبات پنداشتن. «چند مثلث رسم کردم و درست بود، پس همیشه درست است» یک استدلال استقرایی است، نه اثبات.
اندازه‌گیری را اثبات دانستن. نقاله و خط‌کش خطا دارند و فقط درباره‌ی همان یک شکل حرف می‌زنند.
دلیل نامرتبط آوردن. «روز زوج است پس موفق نمی‌شود» — حتی اگر همیشه مشاهده شده باشد، ارتباط منطقی ندارد.
معتبر پنداشتن هر استدلال قیاسی. اگر مقدمات غلط باشند، نتیجه هم غلط می‌شود.
چند مثال نقض جمع کردن. برای رد یک ادعای کلی، دقیقاً یک مثال نقض کافی و قطعی است.
خلط «برخی» و «همه». از «برخی مثلث‌ها قائم‌الزاویه‌اند» نمی‌توان نتیجه گرفت «مثلث‌های متساوی‌الاضلاع هم قائم‌الزاویه‌اند».
نقیض نادرست. از « $ABCD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مربع نیست» نتیجه گرفتن «ضلع‌هایش برابر نیستند» غلط است — لوزی مثال نقض همیشگی است.
تعمیم شتاب‌زده. فقط وقتی تعمیم بده که همه‌ی ویژگی‌های به‌کاررفته در اثبات برای عضو جدید هم برقرار باشند.
ننوشتن فرض و حکم. بدون این دو، اثبات از همان ابتدا به بیراهه می‌رود.
فراموش کردن ارجاع. بعد از هر قدم بنویس «بنا بر ...» و نام قضیه را ذکر کن.
دور منطقی. استفاده از حکم مسئله به‌عنوان یکی از شرط‌های اثبات، کل اثبات را باطل می‌کند.
اشتباه در ترتیب رأس‌ها. $\triangle ABC \cong \triangle DEF$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یعنی $A \leftrightarrow D$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، نه $A \leftrightarrow E$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
نتیجه‌گیری از اجزای غیرمتناظر. فقط اجزای متناظرِ دو مثلث همنهشت برابرند.
فراموش کردن ضلع مشترک. هر بار دو مثلث ضلع مشترک دارند، بلافاصله بنویسش؛ یک تساوی رایگان است.
فراموش کردن خط کمکی. اگر در شکل دو مثلث نمی‌بینی، یک قطر، عمود یا میانه رسم کن.
حالت پنداشتن «ز ز ز». سه زاویه‌ی برابر فقط تشابه می‌دهد، نه همنهشتی.
اندازه‌گیری فاصله با پاره‌خط مایل. فاصله‌ی نقطه تا خط فقط طول عمود است.
یک‌طرفه دانستن قضیه‌ی وتر-کمان. رابطه دوطرفه است و فقط در یک دایره برقرار است.
پریدن از روی کمان مشترک. از $AB = CD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مستقیم به $AC = BD$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نپر؛ زنجیره‌ی کمان‌ها را بنویس.
خط میانی دانستن هر پاره‌خط. خط میانی فقط وسطِ دو ضلع را به هم وصل می‌کند.
بررسی فقط یک شرط تشابه. برابری زاویه‌ها یا نسبت ثابت ضلع‌ها به‌تنهایی کافی نیست.
$k$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گرفتن نسبت مساحت. نسبت مساحت $k^2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، نه $k$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
یکسان‌نکردن واحدها در مقیاس. قبل از ضرب، همه‌چیز را به یک واحد ببر.

در یک نگاه

مفهوم	نکته‌ی کلیدی
استدلال استقرایی	از چند مثال به نتیجه‌ی کلی — اثبات نیست
استدلال قیاسی	از قانون کلی به نتیجه‌ی جزئی — اثبات است، اگر مقدمات درست باشند
مثال نقض	فقط یک مورد برای رد یک ادعای کلی کافی است
ساختار اثبات	فرض ← استدلال با قضایای ثابت‌شده ← حکم
الگوی تساوی	$a+c=k$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $b+c=k$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ⇐ $a=b$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
زوایای متقابل به رأس	همیشه برابرند
مجموع زوایای مثلث	$180°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، با رسم خط موازی از یک رأس
نقیضِ معکوس	«اگر $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین پس $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین» ≡ «اگر نه‌ $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین پس نه‌ $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین» (ولی نه «اگر نه‌ $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین پس نه‌ $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین»)
حالت‌های همنهشتی	ض ز ض، ز ض ز، ض ض ض، وتر-ساق، وتر-زاویه
ز ز ز	فقط تشابه، نه همنهشتی
عمودمنصف	هر نقطه روی آن، از دو سر پاره‌خط فاصله‌ی مساوی دارد (و بالعکس)
نیمساز	هر نقطه روی آن، از دو ضلع زاویه فاصله‌ی مساوی دارد
فاصله‌ی نقطه تا خط	طول عمود؛ کوتاه‌ترین فاصله
وتر و کمان	در یک دایره: $AB=CD \iff \overset{\frown}{AB}=\overset{\frown}{CD}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
خط میانی	$MN \parallel BC$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $MN = \frac{BC}{2}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
تشابه	زاویه‌های متناظر برابر و ضلع‌های متناظر با نسبت ثابت $k$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
همنهشتی و تشابه	همنهشتی = تشابه با $k=1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
محیط و مساحت	$\frac{P_1}{P_2}=k$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ولی $\frac{S_1}{S_2}=k^2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
مقیاس	فاصله‌ی واقعی = فاصله روی نقشه × مخرج مقیاس
ارتفاع بر وتر	سه مثلث قائم‌الزاویه‌ی متشابه؛ $AH^2 = BH \times CH$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

سؤال تستی

۵ تست با پاسخنامه‌ی تحلیلی — برای دیدن بزن

پاسخنامه‌ی تحلیلی سه‌بخشی برای هر سؤال

چرا گزینه‌ی درست، درست است
چرا هر گزینه‌ی دیگر غلط است
تله‌ی تستی‌ای که باید بشناسی

1. چهار دانش‌آموز دربارهٔ گزارهٔ «مجموع زوایای داخلی هر $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین‌ضلعی محدب برابر $(n-2)\times 180^\circ$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است» استدلال کرده‌اند. کدام استدلال یک اثبات (قیاسی معتبر) است؟

هر $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین‌ضلعی محدب را از یک رأس به $(n-2)$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مثلث افراز می‌کنیم و چون مجموع زوایای هر مثلث $180^\circ$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، حکم برای هر $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نتیجه می‌شود.
برای $n=4,5,6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین رسم کردم و به‌ترتیب $360^\circ,540^\circ,720^\circ$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین شد، پس برای هر $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین همین رابطه برقرار است.
با نقاله زوایای یک پنج‌ضلعی را اندازه گرفتم و مجموعشان $540^\circ$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین شد که با فرمول می‌خواند.
یک شش‌ضلعیِ منتظم را به شش مثلث تقسیم کردم و جواب درست شد، پس فرمول برای همه درست است.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

گزینهٔ «هر $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین‌ضلعی محدب را از یک رأس به $(n-2)$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مثلث افراز می‌کنیم و چون مجموع زوایای هر مثلث $180^\circ$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، حکم برای هر $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نتیجه می‌شود.» درست است؛ این استدلال از یک روشِ کلی استفاده می‌کند که برای *هر* مقدار $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به‌طور یکسان کار می‌کند، پس قیاسی و اثبات است. بررسی گزینه‌های نادرست: «برای $n=4,5,6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین رسم کردم و به‌ترتیب $360^\circ,540^\circ,720^\circ$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین شد، پس برای هر $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین همین رابطه برقرار است.» فقط سه حالت را وارسی کرده (استقرایی)؛ «با نقاله زوایای یک پنج‌ضلعی را اندازه گرفتم و مجموعشان $540^\circ$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین شد که با فرمول می‌خواند.» اندازه‌گیری است و اثبات نیست؛ «یک شش‌ضلعیِ منتظم را به شش مثلث تقسیم کردم و جواب درست شد، پس فرمول برای همه درست است.» فقط یک حالتِ خاصِ منتظم را دیده و تعمیم داده. تلهٔ تستی: درست‌بودنِ *نتیجه* یک استدلال را اثبات نمی‌کند؛ فقط استدلالی که برای همهٔ حالت‌ها به‌طور کلی کار کند اثبات است، نه بررسی چند نمونه یا اندازه‌گیری.

2. برای رد کردن گزارهٔ «حاصل‌ضرب هر دو عدد اول، عددی فرد است»، کدام مثالِ نقض کافی و درست است؟

$1\times 7 = 7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$7\times 9 = 63$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$2\times 3 = 6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$3\times 5 = 15$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

پاسخنامه‌ی تحلیلی

گزینهٔ « $2\times 3 = 6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین» درست است؛ ۲ و ۳ هر دو عددِ اول‌اند ولی حاصل‌ضربشان ۶ زوج است، پس همین یک مثال گزارهٔ «همیشه فرد» را باطل می‌کند. بررسی گزینه‌های نادرست: « $3\times 5 = 15$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین» حاصلش فرد است و گزاره را تأیید می‌کند نه نقض؛ « $1\times 7 = 7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین» نامعتبر است چون ۱ عددِ اول نیست (شرطِ گزاره برآورده نمی‌شود)؛ « $7\times 9 = 63$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین» نامعتبر است چون ۹ اول نیست ( $9=3\times3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین). تلهٔ تستی: مثالِ نقض باید *دقیقاً* شرطِ گزاره را برآورده کند (هر دو عامل واقعاً اول باشند) و نتیجه را نقض کند؛ تنها عددِ اولِ زوج، ۲ است و کلیدِ ساختِ این نقض همان است.

3. مربی می‌گوید: «هر بازیکنی که در تیمِ ملی بازی کند، حتماً از سدِ آزمونِ آمادگی جسمانی گذشته است.» می‌دانیم «امیر از آزمونِ آمادگی جسمانی نگذشته است.» با استدلالِ قیاسی چه نتیجه‌ای قطعی است؟

امیر در تیمِ ملی بازی می‌کند.
امیر حتماً بازیکنِ ضعیفی است.
دربارهٔ بازیِ امیر در تیمِ ملی نمی‌توان چیزی گفت.
امیر در تیمِ ملی بازی نمی‌کند.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

گزینهٔ «امیر در تیمِ ملی بازی نمی‌کند.» درست است؛ قاعده می‌گوید «بازی در تیمِ ملی ⇐ گذشتن از آزمون»؛ چون نتیجهٔ این قاعده (گذشتن از آزمون) برای امیر برقرار نیست، مقدمِ آن هم نمی‌تواند برقرار باشد (عکسِ نقیض). بررسی گزینه‌های نادرست: «امیر در تیمِ ملی بازی می‌کند.» مستقیماً با قاعده در تضاد است؛ «امیر حتماً بازیکنِ ضعیفی است.» ربطی به گزارهٔ داده‌شده ندارد؛ «دربارهٔ بازیِ امیر در تیمِ ملی نمی‌توان چیزی گفت.» نادرست است چون عکسِ نقیض نتیجهٔ قطعی می‌دهد. تلهٔ تستی: از «اگر $p$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آنگاه $q$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین» و نبودِ $q$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، می‌توان نبودِ $p$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را نتیجه گرفت (عکسِ نقیض معتبر است)، ولی از نبودِ $p$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نمی‌توان نبودِ $q$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را نتیجه گرفت.

4. در ادامهٔ مسئلهٔ قبل، اگر بدانیم «سارا از آزمونِ آمادگی جسمانی گذشته است»، آیا می‌توان نتیجه گرفت سارا در تیمِ ملی بازی می‌کند؟

بله؛ چون سارا مانندِ سایرِ بازیکنان است.
خیر؛ چون قاعده دربارهٔ سارا حرفی نزده است.
خیر؛ گذشتن از آزمون شرطِ لازم است نه کافی.
بله؛ چون شرطِ قاعده برقرار شده است.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

گزینهٔ «خیر؛ گذشتن از آزمون شرطِ لازم است نه کافی.» درست است؛ قاعده فقط می‌گوید هر بازیکنِ تیمِ ملی از آزمون گذشته، یعنی گذشتن از آزمون *لازمهٔ* بازی است، اما نگفته به‌تنهایی *کافی* است؛ شاید شرط‌های دیگری هم لازم باشد. بررسی گزینه‌های نادرست: «بله؛ چون شرطِ قاعده برقرار شده است.» شرطِ لازم را با کافی خلط کرده؛ «بله؛ چون سارا مانندِ سایرِ بازیکنان است.» فرضِ بی‌پایه است؛ «خیر؛ چون قاعده دربارهٔ سارا حرفی نزده است.» نتیجه‌گیریِ درست است ولی دلیلش غلط است — قاعده دربارهٔ همه صادق است، مشکل خلطِ لازم و کافی است. تلهٔ تستی: از « $p \Rightarrow q$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین» و برقراریِ $q$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نمی‌توان $p$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را نتیجه گرفت؛ این همان خطای رایجِ «درست‌پنداشتنِ عکسِ گزاره» است.

5. کدام‌یک از استدلال‌های زیر «منطقِ درست ولی نتیجهٔ نادرست» دارد؟

همهٔ مربع‌ها چهار ضلعِ برابر دارند؛ این شکل مربع است؛ پس چهار ضلعِ برابر دارد.
هر عددِ بخش‌پذیر بر ۴ زوج است؛ ۱۲ بر ۴ بخش‌پذیر است؛ پس ۱۲ زوج است.
هر لوزی متوازی‌الاضلاع است؛ این شکل لوزی است؛ پس متوازی‌الاضلاع است.
همهٔ پرندگان پرواز می‌کنند؛ شترمرغ پرنده است؛ پس شترمرغ پرواز می‌کند.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

گزینهٔ «همهٔ پرندگان پرواز می‌کنند؛ شترمرغ پرنده است؛ پس شترمرغ پرواز می‌کند.» درست است؛ ساختارِ منطقی معتبر است اما مقدمهٔ «همهٔ پرندگان پرواز می‌کنند» نادرست است (شترمرغ پرنده است ولی پرواز نمی‌کند)، پس نتیجه هم نادرست از آب درمی‌آید. بررسی گزینه‌های نادرست: «همهٔ مربع‌ها چهار ضلعِ برابر دارند؛ این شکل مربع است؛ پس چهار ضلعِ برابر دارد.»، «هر عددِ بخش‌پذیر بر ۴ زوج است؛ ۱۲ بر ۴ بخش‌پذیر است؛ پس ۱۲ زوج است.» و «هر لوزی متوازی‌الاضلاع است؛ این شکل لوزی است؛ پس متوازی‌الاضلاع است.» هر سه هم مقدمهٔ درست دارند و هم منطقِ درست، پس نتیجه‌شان قطعاً درست است. تلهٔ تستی: استدلالِ قیاسی فقط وقتی نتیجهٔ درست تضمین می‌کند که *هم* منطق درست باشد *هم* مقدمات؛ منطقِ درست روی مقدمهٔ غلط، نتیجهٔ غلط می‌دهد.

نمونه سؤال تشریحی

۳ سؤال امتحانی با پاسخ نمونه — برای دیدن بزن

۱. الف) در یک مدرسه، سه دانش‌آموزِ مشاهده‌شده همگی با دوچرخه آمده‌اند؛ آیا می‌توان نتیجه گرفت همهٔ دانش‌آموزان با دوچرخه می‌آیند؟ ب) چرا؟

پاسخ نمونه

پاسخ کامل: الف) خیر. ب) این نتیجه از چند نمونه به کل جمعیت تعمیم داده شده، در حالی که نمونه ممکن است نماینده نباشد؛ برای نتیجهٔ قطعی باید اطلاعات کافی و بررسی گسترده‌تری داشت.
کجا بخوانم: در «بخش اول — چرا مشاهده کافی نیست؟»
نکته مهم: در اثبات، فرض‌ها را روشن کنید و هر نتیجه را به یک قاعده یا دادهٔ مشخص پیوند دهید؛ مشاهدهٔ محدود به‌تنهایی اثبات نیست.

۲. الف) گزارهٔ «همهٔ مضرب‌های ۶ زوج‌اند» را بررسی کنید. ب) با استدلال توضیح دهید چرا درست است.

پاسخ نمونه

پاسخ کامل: الف) درست است. ب) هر مضرب ۶ به صورت $6k$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نوشته می‌شود و $6k=2(3k)$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ پس بر ۲ بخش‌پذیر و زوج است. این استدلال برای هر عدد صحیح $k$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برقرار است.
کجا بخوانم: در «بخش دوم — استدلال چیست؟»
نکته مهم: در اثبات، فرض‌ها را روشن کنید و هر نتیجه را به یک قاعده یا دادهٔ مشخص پیوند دهید؛ مشاهدهٔ محدود به‌تنهایی اثبات نیست.

۳. الف) برای رد ادعای «هر عدد اول فرد است» مثال نقض بیاورید. ب) توضیح دهید چرا یک نمونه برای رد ادعای همگانی کافی است.

پاسخ نمونه

پاسخ کامل: الف) عدد ۲ اول است و زوج؛ پس مثال نقض است. ب) ادعای همگانی باید برای همهٔ موارد درست باشد؛ وجود حتی یک مورد ناسازگار، آن را نادرست می‌کند.
کجا بخوانم: در «بخش پنجم — مثال نقض»
نکته مهم: در اثبات، فرض‌ها را روشن کنید و هر نتیجه را به یک قاعده یا دادهٔ مشخص پیوند دهید؛ مشاهدهٔ محدود به‌تنهایی اثبات نیست.

مباحث مرتبط

مجموعه‌ها و احتمال (ریاضی نهم)عددهای حقیقی و قدر مطلق (ریاضی نهم)توان و ریشه (ریاضی نهم)عبارت‌های جبری و اتحادها (ریاضی نهم)خط و معادله‌های خطی (ریاضی نهم)عبارت‌های گویا (ریاضی نهم)حجم و مساحت کره و هرم (ریاضی نهم)مجموعه‌ها — ریاضی تیزهوشان نهم (استعداد درخشان)عددهای حقیقی — ریاضی تیزهوشان نهم (استعداد درخشان)استدلال و اثبات در هندسه — ریاضی تیزهوشان نهم (استعداد درخشان)

ادامه‌ی این مبحث رو ببین

با ثبت‌نام رایگان، به بانک کامل سؤال، شبیه‌ساز کنکور و تحلیل پیشرفت دسترسی داری

ثبت‌نام رایگان

خلاصه‌ی درسنامه

استدلال و اثبات در هندسه (نهم)

درس ۱ — استدلال

چرا مشاهده کافی نیست؟

تعریف‌های کلیدی

استدلال استقرایی

استدلال قیاسی

مثال نقض

چرا اندازه‌گیری اثبات نیست؟

معیار ارزیابی هر استدلال

درس ۲ — آشنایی با اثبات در هندسه

ساختار هر اثبات هندسی

ابزارهای اصلی اثبات

یک اثبات نمونه: مجموع زاویه‌های مثلث 180°180°180°ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است

قانون تعمیم

تله‌ی «نقیض نادرست» — شرط لازم در برابر شرط کافی

یک اثبات کامل: نقطه روی عمودمنصف

درس ۳ — هم‌نهشتی مثلث‌ها

تعریف و اجزای متناظر

پنج حالت هم‌نهشتی

روش کلی اثبات با هم‌نهشتی

دو مثال کلاسیک

درس ۴ — حل مسئله در هندسه

الگوریتم پنج‌گامی

فاصله‌ی نقطه تا خط

قضیه‌ی وتر و کمان

الگوی «اضافه کردن کمان مشترک»

قضیه‌ی خط میانی مثلث

قضیه‌ی نیمساز

درس ۵ — شکل‌های متشابه

تعریف تشابه

نسبت تشابه

مقیاس نقشه

کدام شکل‌ها همیشه متشابه‌اند؟

رابطه‌ی هم‌نهشتی و تشابه

نسبت محیط و مساحت (نکته‌ی طلایی تیزهوشان)

الگوی «ارتفاع بر وتر»

اشتباهات رایج این فصل

در یک نگاه

سؤال تستی

نمونه سؤال تشریحی

مباحث مرتبط

ادامه‌ی این مبحث رو ببین

یک اثبات نمونه: مجموع زاویه‌های مثلث $180°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است