משפט צ.ז.צ
שתי צלעות והזווית הכלואה ביניהן קובעות משולש
מה נבנה כאן
למה דווקא שתי צלעות וזווית?
אחרי שלמדנו על צ.צ.צ (שלוש צלעות), נשאלת השאלה: האם אפשר להוכיח חפיפה בנתונים פחות? התשובה היא כן - אבל זה דורש לבחור את הנתונים בקפידה. שתי צלעות לבד לא מספיקות (הזווית ביניהן יכולה להשתנות). אבל שתי צלעות + הזווית שביניהן? זה מספיק! הזווית סוגרת את הפתיחה בין שתי הצלעות, ולכן הקודקוד השלישי נקבע.
כדי להבין למה הזווית הכלואה כל כך חזקה, חישבו על שני מקלות באורכים ו- שמחוברים בקודקוד אחד. אם תפתחו אותם בזווית של , הקודקוד השלישי של המשולש יהיה במקום מאוד מסוים. אם תפתחו ב-, הוא ינחת במקום אחר. אם ב-, שוב במקום אחר. הזווית בין שתי הצלעות היא בדיוק הפרמטר שקובע איך נסגר המשולש - שני המקלות באורכים שלהם הם רק חצי מהסיפור, הזווית ביניהם היא החצי השני. ברגע ששלושת הנתונים האלה נתונים, אין יותר חופש - יש משולש אחד ויחיד.
הניסוי המנטלי של ארבעה מצבים
דמיינו שני מקלות באורכים ס"מ ו- ס"מ המחוברים בציר. נבחן את ארבעת המצבים:
- פתיחה ב-: צלע שלישית באורך כ- ס"מ, משולש דק וארוך.
- פתיחה ב-: צלע שלישית באורך כ- ס"מ, משולש מאוזן יותר.
- פתיחה ב-: צלע שלישית בדיוק ס"מ, משולש ישר זווית.
- פתיחה ב-: צלע שלישית באורך כ- ס"מ, משולש פתוח.
אותם שני מקלות, ארבעה משולשים שונים לחלוטין. הזווית הכלואה היא הפרמטר היחיד שמשתנה - והיא לבדה קובעת את כל המשולש.
לאן מגיעים מנתונים שונים
שתי צלעות בלבד
אינסוף משולשים. הזווית ביניהן יכולה להיות כל גודל בין ל-.
שתי צלעות + זווית כלואה
משולש יחיד. צ.ז.צ - מספיק לחפיפה.
שתי צלעות + זווית לא כלואה
ייתכנו שני משולשים שונים. לא מספיק לחפיפה (פעמים רבות).
הזווית חייבת להיות בין הצלעות
משפט צ.ז.צ נראה קצר, אבל הוא דורש בדיקה מדויקת: שתי הצלעות חייבות להיפגש בקודקוד של הזווית הנתונה. בלי הכליאה הזאת הנתונים אינם קובעים משולש יחיד.
הזווית חייבת להיות בין הצלעות
משפט אומר: אם שתי צלעות והזווית הכלואה ביניהן שוות בהתאמה בשני משולשים, המשולשים חופפים. המילה הקריטית היא הכלואה - הזווית חייבת להיות בדיוק בין שתי הצלעות, בקודקוד שבו הן נפגשות.
הזווית הכלואה קובעת את הפתיחה בין שתי הצלעות. כשמתחברים שני אורכים נתונים בקודקוד מסוים, הקודקוד השלישי של המשולש נקבע על ידי שלושה דברים בלבד: אורך הצלע הראשונה, אורך הצלע השנייה, וגודל הזווית ביניהן. אם הזווית אינה בין שתי הצלעות אלא ליד אחת מהן בלבד, הקצה השלישי יכול להגיע למקומות שונים ולכן אין משפט צ.ז.צ. זוהי בדיוק התופעה שתראו במצב SSA - שתי צלעות וזווית לא כלואה - שיכול לתת שני משולשים שונים.
בכל תרגיל צ.ז.צ סמנו קודם את שתי הצלעות, מצאו את הקודקוד שבו הן נפגשות, ואז שאלו אם הזווית הנתונה נמצאת בדיוק שם. רק אם התשובה כן - יש לכם צ.ז.צ.
צ.ז.צ אצל אאוקלידס - היכן הכל התחיל
משפט צ.ז.צ הוא לא משפט חדש - הוא אחד המשפטים הוותיקים ביותר במתמטיקה. במאה ה-3 לפני הספירה, אאוקלידס מאלכסנדריה כתב את הספר היסודות (Elements), אחד מספרי המתמטיקה החשובים והנלמדים ביותר בהיסטוריה. בספר הראשון של היסודות, אאוקלידס כתב את משפט מספר (פרופוזיציה I.4): "אם שני משולשים בעלי שתי צלעות שוות לזוג צלעות מתאים, ובעלי זווית שווה הכלואה ביניהן - אז הם חופפים". זהו בדיוק משפט צ.ז.צ שלנו!
השיטה של אאוקלידס - הוכחה על ידי כיסוי
השיטה הקדומה
אאוקלידס הוכיח את צ.ז.צ על ידי "הזזת" משולש אחד על השני. אם הזווית והצלעות שוות, המשולש הראשון יכול לכסות את השני בדיוק.
מה זאת אומרת "כיסוי"
אם תזיזו את המשולש הראשון כך שקודקוד מתלכד עם , וצלע עם , אז הזווית A קובעת בדיוק לאן ילך הקודקוד C - שיתלכד עם F.
תקפות מודרנית
במתמטיקה מודרנית, צ.ז.צ נחשב לאקסיומה (משפט יסוד) או להכרזה ממנה נובעים שאר משפטי החפיפה. הוא לא צריך הוכחה כשלעצמו, אבל אפשר להוכיח ממנו את ז.צ.ז ואת צ.צ.צ.
למה צ.ז.צ הוא הראשון מבין משפטי החפיפה
במבנה ההיסטורי והלוגי של הגאומטריה, צ.ז.צ קודם לשני המשפטים האחרים מסיבה עמוקה: הוא הקל ביותר להוכחה ישירה. בהינתן שתי צלעות וזווית ביניהן, אפשר ממש לבנות את המשולש - מתחילים מהקודקוד, מסמנים את שתי הצלעות בכיוונים שקובעת הזווית, ומחברים את הקצוות. הבנייה היא יחידה, ולכן המשולש יחיד.
מצ.ז.צ אפשר להוכיח את ז.צ.ז (השני) ואת צ.צ.צ (השלישי), אבל לא להפך. לכן בכל ספר גאומטריה, הסדר הוא: צ.ז.צ ← ז.צ.ז ← צ.צ.צ.

זווית כלואה בין שתי צלעות
הזוויות A ו-D נמצאות בין שתי הצלעות המסומנות.
נתוני צ.ז.צ
בודקים אם זה צ.ז.צ
| שאלה | כן | לא |
|---|---|---|
| האם יש שתי צלעות בכל משולש? | מסמנים אותן | לא צ.ז.צ |
| האם הזווית נמצאת בין הצלעות? | זווית כלואה - יש צ.ז.צ | לא מספיק לצ.ז.צ |
| האם ההתאמה כתובה נכון? | אפשר לנמק חפיפה | חוזרים לטבלת התאמה |
| האם הצלעות נפגשות בקודקוד הזווית? | כן - אז הזווית כלואה | אם לא - אין כליאה |
| האם יש צלע משותפת בין שני המשולשים? | מציינים שהיא שווה לעצמה | ממשיכים לשאלה הבאה |
| האם הצלעות שוות בכל זוג צלעות? | כותבים את ההתאמה במלואה | לא מספיק לצ.ז.צ |
SSA - מצב SSA ולמה הוא לא משפט
כדי להבין למה הזווית חייבת להיות כלואה, נסתכל על המצב ההפוך - שתי צלעות וזווית שאינה ביניהן (SSA). זהו המקרה המפורסם של הזווית הלא כלואה, ויש לו תוצאה מפתיעה: לפעמים יש משולש אחד, לפעמים שניים, ולפעמים אף לא אחד.
מה ההבדל בין צ.ז.צ ל-SSA (לא כלואה)
| נתונים | כליאה? | תוצאה | האם משפט חפיפה? |
|---|---|---|---|
| כן - זווית A בין AB ו-AC | משולש יחיד | כן - צ.ז.צ | |
| לא - זווית A ליד AB אבל לא ליד BC | 0, 1 או 2 משולשים | לא - SSA | |
| לא - זווית B ליד AB אבל לא ליד AC | 0, 1 או 2 משולשים | לא - SSA |
הוכחה ויזואלית - SSA יוצר שני משולשים
שלב 1 מתוך 5ניקח , , . הזווית A היא בקודקוד A, ליד הצלע AB - אבל לא ליד BC.
המבחן המכריע: שתי צלעות נפגשות בקודקוד הזווית?
ההבדל בין צ.ז.צ (משפט) ל-SSA (לא משפט) הוא שאלה אחת בלבד: האם שתי הצלעות הנתונות נפגשות בקודקוד שבו נמצאת הזווית הנתונה?
- כתבו את שתי הצלעות הנתונות: למשל ו-.
- הצלעות נפגשות בקודקוד שמופיע בשני השמות: כאן זה .
- האם הזווית הנתונה היא ? אם כן - יש כליאה ויש צ.ז.צ.
- אם הזווית הנתונה היא או - אין כליאה. זה SSA, לא משפט.
מבחן הכליאה בשלושה סימונים
כדי לבדוק צ.ז.צ בלי לנחש, סמנו את שתי הצלעות הנתונות וחפשו את הקודקוד שבו הן נפגשות. אם הזווית הנתונה אינה בקודקוד הזה, אין כאן צ.ז.צ.
- ב- ו- נקודת המפגש היא .
- ב- ו- נקודת המפגש היא .
- ב- ו- נקודת המפגש היא .
- תמיד הקודקוד המשותף הוא הקודקוד שמסמלות שתי האותיות החופפות בין שמות הצלעות.
צ.ז.צ במציאות - איפה רואים אותו
צ.ז.צ הוא הבסיס למדידות מקצועיות בהנדסה ובסקר קרקע. כששואלים: "מה המרחק בין שתי נקודות שאני לא יכול לחבר ביניהן בקו ישר?" - זו שאלה שצ.ז.צ פותר אותה.
צ.ז.צ במציאות
מודדי קרקע
מודדים שתי מרחקים ידועים וזווית ביניהם, ומסיקים את המרחק השלישי.
ניווט ימי
ספנים מודדים שתי זוויות לסימני חוף וזווית ביניהן כדי לקבוע מיקום.
צילום מקצועי
סטריאוסקופיה (תמונה תלת-ממדית) משתמשת בצ.ז.צ למדידת עומק.
אסטרונומיה
מדידת מרחקים לכוכבים נעשית בעזרת "פרלקס" - שיטה המבוססת על צ.ז.צ.
GPS
מערכת GPS משתמשת בעקרונות גאומטריים דומים לקביעת מיקום.
רובוטיקה
רובוטים מחשבים מסלולים בעזרת חישובי זווית ומרחק - יישומים של צ.ז.צ.
דוגמה - נימוק לפי צ.ז.צ
בדוגמה הזו נתרגל את סדר הכתיבה: קודם מזהים את שתי הצלעות, אחר כך את הקודקוד המשותף שלהן, ורק בסוף מכריזים על צ.ז.צ.
דוגמה 1 - נימוק בסיסי לפי צ.ז.צ
שלב 1 מתוך 7הצעד הראשון: לזהות את הצלעות הנתונות. במשולש הראשון - ו-; במשולש השני - ו-.
שיטת עבודה לצ.ז.צ
סמנו צלעות
מצאו את שתי הצלעות השוות בכל משולש.
כתבו את ההתאמה שלהן.
חפשו זווית כלואה
הזווית חייבת להיות בין שתי הצלעות.
אם היא ליד אחת מהן בלבד, עוצרים.
נסחו חפיפה
כתבו את שמות המשולשים לפי ההתאמה.
ציינו: לפי צ.ז.צ.
ארבעה דפוסי הוכחה נפוצים בצ.ז.צ
בכל בעיית צ.ז.צ שתפגשו, הזווית הכלואה לא תמיד נתונה במפורש - לפעמים צריך להוכיח אותה. הנה ארבעת הדפוסים העיקריים שתראו שוב ושוב בבעיות החפיפה:
דפוסי הוכחה לזווית כלואה
דפוס 1: זוויות קודקודיות
כשנתונים שני קווים נחתכים, נוצרות זוויות שוות.
בקודקוד.
שני זוגות צלעות + הזווית הזו = צ.ז.צ.
דפוס 2: צלע משותפת
כשנקודה בתוך המשולש או על צלע, יש קטע משותף.
- שווה לעצמה.
מאפשר ל-צ.ז.צ ב-.
דפוס 3: אמצע צלע
כש- אמצע , אז .
אם יש גם זווית שווה ב-, יש צ.ז.צ.
מתאים לבעיות תיכון ומשולש שווה שוקיים.
דפוס 4: קווים מקבילים
קווים מקבילים יוצרים זוויות מתחלפות שוות.
(זוויות מתחלפות).
מספק את הזווית הכלואה.
דוגמאות לזווית כלואה
מתאים
, , והזווית בין שתי הצלעות.
לא מתאים
, , אבל הזווית אינה בין שתי הצלעות האלה.
מתאים
, , והזווית בין שתי הצלעות (B הקודקוד המשותף).
לא מתאים
, , והזווית - C אינו הקודקוד המשותף.
תרגול מדורג
תרגול 1 - האם זו זווית כלואה (קל)
נתון , ו-. האם הנתונים מתאימים לצ.ז.צ?
תרגול 2 - נתון שלא מספיק (בינוני)
נתון , ו-. האם זה צ.ז.צ?
תרגול 3 - איזה נתון חסר לצ.ז.צ (אתגר)
נתון ו-. איזה נתון זווית ישלים צ.ז.צ?
המילה כלואה מצילה מטעויות
הטעות הנפוצה בצ.ז.צ היא לספור שתי צלעות וזווית בלי לשאול איפה הזווית נמצאת. הכליאה היא לא פרט קטן, היא הסיבה שהמשפט עובד.
מפת טעויות נפוצות בצ.ז.צ
| טעות | למה זו טעות | תיקון |
|---|---|---|
| לזהות שתי צלעות וזווית ולקרוא לזה צ.ז.צ | הזווית חייבת להיות בין הצלעות, לא ליד אחת | תמיד שואלים: איפה הזווית? בדיוק בין הצלעות? |
| להתבלבל בין צ.ז.צ לצ.צ.ז (לא כלואה / SSA) | SSA אינה משפט חפיפה - יכולים להיות 0, 1, או 2 משולשים | מסמנים בציור: שתי צלעות נפגשות בקודקוד הזווית? |
| לדלג על שלב ההתאמה | התאמה שגויה - חפיפה שגויה | תמיד מתחילים מהתאמת קודקודים |
| להזניח צלע משותפת בבעיות מורכבות | משולשים משותפים לעיתים חולקים צלע - היא 'נסתרת' | תמיד בודקים: יש קטע משותף? כותבים: שווה לעצמה. |
| להניח שזוויות נראות שוות בלי הוכחה | ציור הוא רק עזר - לא הוכחה | מציינים מאיזה משפט/נתון הזוויות שוות |
| לבלבל בין סדר הצלעות בהתאמה | ≠ כשמדברים על חפיפה | סדר הקודקודים בהתאמה הוא קריטי |
| לחשוב שצ.ז.צ עובד גם עם זווית קהה גדולה ( | זה דווקא נכון! צ.ז.צ עובד לכל זווית בין 0 ל-180 | אין סייג על גודל הזווית - היא רק חייבת להיות הזווית הכלואה |
| לחפש משפט אחר כשיש כבר צ.ז.צ | אם יש לכם שלושת הנתונים הנדרשים לצ.ז.צ, לא צריך עוד | מספיק לציין את שלושת הזוגות ולכתוב 'לפי צ.ז.צ' |
המילה כלואה מצילה מטעויות
בכל פעם שאתם רואים שתי צלעות וזווית, אל תמהרו. צ.ז.צ עובד רק כאשר הזווית נמצאת בין שתי הצלעות המסומנות.
- מצאו את נקודת המפגש של הצלעות.
- בדקו שהזווית היא בדיוק שם.
- בדקו שאין צלע משותפת שלא רשמתם.
- רק אז כתבו את משפט החפיפה.
קישור ללמידה
צ.ז.צ במסגרת הפרק
מהמודולים הקודמים
הכרנו צ.צ.צ - שלוש צלעות. עכשיו במקום להזדקק לכל שלוש הצלעות, מספיקות שתיים אם הן משלימות זווית כלואה.
במודול הנוכחי
צ.ז.צ - שתי צלעות והזווית הכלואה ביניהן. המשפט הראשון שמשתמש בנתון מעורב (צלעות וזווית).
במודול הבא
ז.צ.ז - שתי זוויות והצלע הכלואה ביניהן. עוד וריאציה של אותו רעיון - שלושה נתונים נכונים מספיקים לחפיפה.
שאלות לחשיבה עמוקה
שאלה לחשיבה
מדוע זווית שאינה כלואה לא נותנת אותו ביטחון כמו זווית כלואה?
כאשר הזווית כלואה, היא קובעת את הפתיחה בין שתי הצלעות ולכן קובעת את מיקום הקודקוד השלישי. אם הזווית אינה בין הצלעות, אפשר לעיתים לבנות יותר מאפשרות אחת, ולכן הנתונים אינם קובעים משולש יחיד.
שאלה לחשיבה
האם משפט צ.ז.צ עובד גם במקרה של זווית קהה (גדולה מ-)?
כן! משפט צ.ז.צ תקף לכל זווית - חדה (פחות מ-), ישרה (), או קהה (גדולה מ- וקטנה מ-). אין הגבלה על גודל הזווית הכלואה. כל עוד שתי הצלעות שוות והזווית ביניהן שווה - המשפט מתקיים והמשולשים חופפים.
שאלה לחשיבה
מודד קרקע צריך לדעת מרחק בין שתי נקודות שאי אפשר ללכת ביניהן (יש נהר באמצע). איך הוא יכול להשתמש בצ.ז.צ?
המודד יכול לבחור נקודה ניידת ולמדוד שני אורכים מנקודה זו לכל אחת משתי הנקודות. אז הוא מודד את הזווית בין שני האורכים. עם שני אורכים וזווית כלואה - יש לו מספיק מידע כדי לחשב את האורך השלישי (המרחק בין שתי הנקודות) באמצעות חישוב גאומטרי או טריגונומטרי. זה בדיוק יישום של צ.ז.צ - כי הנתונים שלו הם מספיק כדי לקבוע את המשולש לחלוטין.
שאלה לחשיבה
במכניקה ובהנדסה משתמשים במבנה משולשי כי הוא 'יציב'. איך זה קשור לצ.ז.צ?
מבנה הוא 'יציב' אם בהינתן אורכי המוטות, הצורה לא יכולה להשתנות. במשולש - שלוש מוטות באורכים נתונים יוצרות משולש יחיד (לפי צ.צ.צ). אבל גם אם יש לך מבנה משולשי שבו שתי מוטות באורכים מסוימים מחוברות בקודקוד וזווית קבועה ביניהן, צ.ז.צ מבטיח שזו הצורה היחידה האפשרית. לכן ברום של בית, בגשר תלוי, או באהל קמפינג - מבנה משולשי לא 'יקום' או 'יקרוס' תחת לחץ. במלבן, לעומת זאת, אפשר ללחוץ ולקבל מקבילית - אין יציבות. כל יום, מהנדסים בונים גשרי תלייה ומגדלי הולכת חשמל ממוטות מסודרים במשולשים, בדיוק בגלל שצ.ז.צ ושאר משפטי החפיפה מבטיחים שהצורה לא תשתנה.
שאלה לחשיבה
במשולש שווה שוקיים ABC עם , מותחים את התיכון מ-A לבסיס. איך צ.ז.צ מסביר שהתיכון הוא גם גובה?
בואו נסמן את התיכון , כאשר אמצע . רוצים להוכיח ש-. ננסה את צ.ז.צ במשולשים ו-: יש לנו (משולש שווה שוקיים), (צלע משותפת), ואם נדע ש- - יש לנו צ.ז.צ. אבל זה הנתון שלא נתון! לכן ההוכחה הקלאסית היא דווקא ב-צ.צ.צ: , (תיכון), . אחרי שמוכיחים חפיפה, מקבלים , ושני הזוויות יחד הן (קו ישר), אז כל אחת . זוהי דוגמה יפה לכך שלפעמים יש כמה דרכים להוכחה, ולא תמיד הראשונה שעולה לראש (צ.ז.צ) היא הנכונה.
צ.ז.צ ביישומים מורכבים
מעבר ליישומים בסיסיים, צ.ז.צ הוא יסוד של תחומים מתקדמים בהנדסה ובאמנות. בואו נסתכל על כמה דוגמאות שבהן המשפט הוא הסיבה שמבנים עומדים, גשרים נושאים, ואסטרונאוטים יודעים איפה הם.
צ.ז.צ ביישומים אמיתיים מורכבים
גשרי גמלון
גשר ברוקלין ופירמידות הזכוכית בלובר נבנים ממאות משולשים. כל אחד יציב בזכות צ.ז.צ או צ.צ.צ. אם אחד היה מקבל צורה אחרת, הגשר היה קורס.
מנופי מספריים
מנופי בנייה מתבססים על שני משולשים שמתחברים בציר. כשמרחיבים את הבסיס, הצ.ז.צ קובע את הגובה. ידיעת הזווית מבטיחה את הבטיחות.
GPS וטריאנגולציה
לוויינים משדרים מיקום וזמן. המכשיר שלכם מחשב מרחק לכל לוויין, ואז משתמש בעקרונות צ.ז.צ ומשפטים גאומטריים נוספים כדי לקבוע את מיקומכם המדויק.
סיירת חוצה יבשת
המודדים שמיפו את הודו במאה ה-19 השתמשו בטריאנגולציה. מודדים זווית ושני אורכים, ואז צ.ז.צ נותן את הצלע השלישית. דיוק של 1 ס"מ על מרחק של 100 ק"מ.
צילום סטריאו (3D)
מצלמת 3D לוקחת שתי תמונות מנקודות ידועות. אם מזהים את אותו אובייקט בשתי התמונות, הזוויות נמדדות וצ.ז.צ נותן את המרחק לאובייקט - זה איך מצלמות 3D 'מבינות' עומק.
ארכיטקטורה: כיפת בית הכנסת המרכזי בירושלים
כיפות בנויות ממשולשים. המהנדס מתכנן זווית וצלעות, וצ.ז.צ מבטיח שכל המשולשים יהיו זהים, יוצרים סימטריה מושלמת.