Math Atlas

SSS와 SASSSS & SAS

GeometryGeometry · 3. 삼각형의 합동3. Triangle Congruence

학습 목표
  • SSS·SAS 합동 조건을 말하고, "끼인각"의 조건을 정확히 지킬 수 있다.
  • 주어진 정보에서 합동 조건을 판별하고 올바른 대응으로 합동을 선언할 수 있다.
  • 공통변(반사성)·맞꼭지각을 합동 재료로 동원하는 첫 합동 증명을 쓸 수 있다.
  • 합동 증명 뒤에 대응 부분을 꺼내(CPCTC) 결론을 완성할 수 있다.

여섯 대신 셋

합동을 선언하려면 등식 여섯 개가 성립해야 한다 — 그런데 여섯을 다 확인하는 사람은 없다. 삼각형은 정보 세 조각만 잘 고르면 나머지가 저절로 따라오는 도형이기 때문이다.

기준은 이것이다. 어떤 정보 묶음이 주어졌을 때, 그 정보에 맞는 삼각형을 그려 보라. 그릴 수 있는 삼각형이 (놓인 위치와 방향을 무시하고) 단 하나라면, 같은 묶음을 만족하는 두 삼각형은 같은 삼각형을 두 번 그린 셈이니 합동일 수밖에 없다. 정보가 삼각형을 결정한다고 말한다.

SSS: 변 셋이면 끝

막대 세 개를 끝끼리 이어 삼각형을 만들어 보면 이상한 일이 벌어진다 — 더 이상 아무것도 움직일 수 없다. 네 막대로 만든 사각형은 손으로 밀면 힘없이 찌그러지지만, 삼각형은 버틴다. 세 변의 길이가 모양 전체를 붙들어 버리기 때문이다.

삼각형은 버티고, 사각형은 같은 네 변으로도 찌그러진다.

철교의 트러스, 자전거 프레임, 공사장 비계에 삼각형이 가득한 이유가 이것이다 — 구조물 설계자들은 이 정리를 강철로 쓰고 있는 셈이다.

SSS 합동 조건 — 세 쌍의 대응변이 각각 같으면 두 삼각형은 합동이다.

컴퍼스로도 같은 결론에 닿는다: 밑변을 놓고 두 끝에서 나머지 두 길이를 반지름으로 원을 그리면, 셋째 꼭짓점은 두 원의 교점 — 위아래 두 자리뿐이고 둘은 서로 뒤집은 짝이라 같은 삼각형이다.

SAS: 두 변과 끼인각

두 변과 각 하나로도 결정된다 — 단, 아무 각이나가 아니라 두 변 사이에 끼인 각이어야 한다.

SAS 합동 조건 — 두 쌍의 대응변과 그 끼인각이 각각 같으면 두 삼각형은 합동이다.

왜 결정되는지는 그리는 순서로 보인다. 각을 먼저 그리면 두 변이 뻗을 방향이 고정되고, 두 길이가 그 방향 위의 끝점 둘을 고정한다. 남은 셋째 변은 그 두 점을 잇는 수밖에 없다 — 두 점을 지나는 선분은 하나뿐이니까(첫 공리의 후예다).

SSS와 SAS는 증명 없이 공리로 얹는다. 실은 더 아껴서 하나만 공리로 두고 나머지를 증명해 낼 수도 있지만, 그 절약은 이 과정 밖의 일이다 — 늘 그렇듯 무엇을 공짜로 쓰는지만 분명히 해 두면 된다.

주의

SAS의 "끼인"은 장식이 아니다. 두 변과 끼이지 않은 각(이른바 SSA)은 삼각형을 결정하지 못할 수 있다 — 다음 차시에서 반례로 확인한다. 조건을 쓰기 전에 그 각이 두 변 사이에 있는지부터 확인하는 습관을 들이자.

첫 합동 증명

이제 증명이 도형을 실제로 움직이기 시작한다. 패턴은 셋 — 재료 모으기(변·각 세 조각), 합동 선언(조건 이름 대기), 수확(대응 부분 꺼내기).

예제 1 · 맞꼭지각이 재료가 된다

선분 AC\overline{AC}BD\overline{BD}가 점 MM에서 서로를 이등분한다. AB=CDAB = CD임을 증명하여라.

A B C D M
서로를 이등분하는 두 선분 — M 좌우로 SAS가 성립한다.

증명.

문장 근거
AM=CMAM = CM MMAC\overline{AC}의 중점 — 중점의 정의
BM=DMBM = DM MMBD\overline{BD}의 중점 — 중점의 정의
AMB=CMD\angle AMB = \angle CMD 맞꼭지각 정리
AMBCMD\triangle AMB \cong \triangle CMD ①, ③, ② — SAS
AB=CDAB = CD 합동인 삼각형의 대응변

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AMB\angle AMB가 변 AMAMBMBM 사이에 끼어 있음을 확인하라 — ④에 재료를 ①③② 순서로 적은 것은 변–각–변의 샌드위치를 눈에 보이게 하려는 관례다. 그리고 ③: 아무도 각을 주지 않았지만 맞꼭지각 정리가 무료로 재료를 만들어 냈다. 그림 속에 숨은 공짜 재료 — 맞꼭지각, 그리고 곧 만날 공통변 — 를 찾는 눈이 합동 증명의 절반이다.

예제 2 · 공통변이 재료가 된다

사각형 ABCDABCD에서 AB=ADAB = AD, CB=CDCB = CD다. B=D\angle B = \angle D임을 증명하여라.

A B D C
연 모양 — 대각선 AC가 공통변이다.

증명. 대각선 AC\overline{AC}를 긋는다.

문장 근거
AB=ADAB = AD 주어진 조건
CB=CDCB = CD 주어진 조건
AC=ACAC = AC 반사성
ABCADC\triangle ABC \cong \triangle ADC ①, ②, ③ — SSS
B=D\angle B = \angle D 합동인 삼각형의 대응각

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③이 낯익을 것이다 — "BC=BCBC = BC가 왜 한 줄을 차지하나"라던 그 반사성이, 여기서는 두 삼각형이 공유하는 변을 양쪽 재료로 등록하는 절차로 일한다. 보조선 하나(대각선)를 긋는 순간 사각형 문제가 삼각형 두 개의 문제로 바뀌었다는 점도 눈여겨 두자.

어느 조건인지 읽는 법

주어진 정보를 변(S)과 각(A)으로 세어 배열까지 확인한다 — 변 셋이면 SSS, 변–각–변 샌드위치면 SAS. 각이 두 변 사이에 있지 않으면 (아직은) 어느 조건도 아니다. 재료 하나가 모자랄 때 그림을 뒤지면, 맞꼭지각·공통변·중점·이등분선이 어딘가에서 공짜 재료를 내밀고 있는 경우가 대부분이다.

Goals
  • State the SSS and SAS congruence criteria, and honor the "included angle" requirement exactly.
  • Identify which criterion given information matches, and declare the congruence with the correct correspondence.
  • Write first congruence proofs that recruit shared sides (reflexivity) and vertical angles as ingredients.
  • Finish a congruence proof by harvesting corresponding parts (CPCTC).

Three instead of six

A congruence declaration needs six equations to hold — yet nobody checks all six. Triangles are figures where three pieces of information, well chosen, drag the rest along automatically.

Here is the standard. Given a bundle of information, try to draw a triangle satisfying it. If only one triangle can be drawn (ignoring where it sits and how it is turned), then any two triangles satisfying that bundle are the same triangle drawn twice — congruent, no escape. We say the information determines the triangle.

SSS: three sides finish the job

Join three rods end to end into a triangle and something strange happens — nothing can move anymore. A four-rod quadrilateral collapses when you push it, but the triangle holds. Three side lengths lock down the entire shape.

The triangle holds; the quadrilateral slumps with the same four sides.

That is why truss bridges, bicycle frames, and scaffolding are full of triangles — structural engineers have been writing this theorem in steel all along.

SSS Congruence Criterion — if three pairs of corresponding sides are equal, the triangles are congruent.

A compass reaches the same verdict: lay down the base, swing arcs of the two remaining lengths from its ends, and the third vertex must be an intersection of the two arcs — just two spots, one above and one below, and they are flipped copies of each other. One triangle.

SAS: two sides and the included angle

Two sides and one angle also determine a triangle — provided the angle is not just any angle but the one included between the two sides.

SAS Congruence Criterion — if two pairs of corresponding sides and their included angles are equal, the triangles are congruent.

Why it determines: draw in order. The angle fixes the directions the two sides leave in; the two lengths fix the endpoints on those directions; and the third side has no choice but to join those two points — only one segment passes through two points (a descendant of our very first postulate).

SSS and SAS join the postulate list without proof. One could be thriftier — postulate just one and prove the others from it — but that economy belongs outside this course. As always, all that matters is being clear about what we use for free.

Watch out

The word "included" in SAS is not decoration. Two sides with a non-included angle (so-called SSA) can fail to determine a triangle — next lesson supplies the counterexample. Before invoking SAS, make it a habit to check that the angle sits between the two sides.

First congruence proofs

Now proofs start moving actual figures. The pattern has three beats — gather ingredients (three pieces: sides, angles), declare the congruence (name the criterion), harvest (pull out corresponding parts).

Example 1 · Vertical angles as an ingredient

Segments AC\overline{AC} and BD\overline{BD} bisect each other at MM. Prove that AB=CDAB = CD.

A B C D M
Two segments bisecting each other — SAS on either side of M.

Proof.

Statement Reason
AM=CMAM = CM MM is the midpoint of AC\overline{AC} — definition of midpoint
BM=DMBM = DM MM is the midpoint of BD\overline{BD} — definition of midpoint
AMB=CMD\angle AMB = \angle CMD Vertical Angles Theorem
AMBCMD\triangle AMB \cong \triangle CMD ①, ③, ② — SAS
AB=CDAB = CD Corresponding sides of congruent triangles

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Confirm that AMB\angle AMB is included between sides AMAM and BMBM — and note the ①③② order in line ④, the customary way of displaying the side–angle–side sandwich. Then look at ③: nobody gave us an angle, yet the Vertical Angles Theorem manufactured one free of charge. Spotting the free ingredients hiding in a figure — vertical angles, and the shared sides coming next — is half of every congruence proof.

Example 2 · A shared side as an ingredient

In quadrilateral ABCDABCD, AB=ADAB = AD and CB=CDCB = CD. Prove that B=D\angle B = \angle D.

A B D C
A kite — the diagonal AC is the shared side.

Proof. Draw the diagonal AC\overline{AC}.

Statement Reason
AB=ADAB = AD Given
CB=CDCB = CD Given
AC=ACAC = AC Reflexive property
ABCADC\triangle ABC \cong \triangle ADC ①, ②, ③ — SSS
B=D\angle B = \angle D Corresponding angles of congruent triangles

\blacksquare

Line ③ should look familiar — the same reflexive property that once seemed too obvious for a line of its own, now formally registering the shared side as an ingredient for both triangles. And notice what one auxiliary line did: drawing the diagonal turned a quadrilateral problem into a problem about two triangles.

Reading off the right criterion

Count the given pieces as sides (S) and angles (A), then check the arrangement — three sides is SSS; a side–angle–side sandwich is SAS. An angle not between the two sides matches (as yet) no criterion at all. And when one ingredient seems missing, search the figure: a vertical angle, a shared side, a midpoint, a bisector is usually holding out free material somewhere.