Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Podstawowe pojęcia

Na rysunku przedstawiony jest czworokąt ABCD z zaznaczonymi kątami.

R18jPSuRs6Rg2

Odcinki AB, BC, CD, DA nazywamy bokami czworokąta ABCD. Dla uproszczenia oznaczamy je małymi literami a, b, c, d. Litery te są stosowane zarówno do nazywania boków jak i do zapisania długości boków.

Punkty A, B, C, D są wierzchołkami czworokąta. Jeśli wierzchołki leżą na jednym boku, to mówimy, że są sąsiednie a w przeciwnym przypadku – są przeciwległe.

Odcinek łączący dwa przeciwległe wierzchołki nazywamy przekątną.

Stąd wynika od razu, że czworokąt ma dwie przekątne.

Boki, które mają wspólny wierzchołek, nazywamy bokami sąsiednimi a w przeciwnym przypadku – przeciwległymi.

Kąty α, β, γ, δ nazywamy kątami wewnętrznymi (lub krócej kątami) czworokąta.

Jeśli dwa kąty mają wspólne ramię (bok czworokąta) to są kątami sąsiednimi a w przeciwnym przypadku – przeciwległymi.

Suma kątów czworokąta wynosi 360°.

Podział ze względu na wypukłość kątów

Figurą wypukłą nazywamy taką figurę, dla której odcinek łączący dowolne dwa punkty należące do tej figury jest zawarty w tej figurze.

Kąt jest wypukły jeśli ma miarę mniejszą lub równą 180°. W czworokątach wewnętrzny kąt wypukłykąt wypukłykąt wypukły ma miarę mniejszą niż 180°.

Kąt, który ma miarę większą niż 180° nazywany jest kątem wklęsłym.

Przykład 1

Pokażemy, że kąt wklęsłykąt wklęsłykąt wklęsły nie jest wypukły.

Rozwiązanie

Przeanalizujmy rysunek.

R1AxuQbwtCHvP

Punkty AB należą do kąta α. Natomiast odcinek AB w części DE nie leży w obrębie tego kąta, a to znaczy, że ten kąt nie jest wypukły.

czworokąt wklęsły i wypukły
Definicja: czworokąt wklęsły i wypukły

Czworokąt jest wypukłyczworokąt wypukłyCzworokąt jest wypukły jeśli jest figurą wypukłą. Czworokąt, jest wklęsłyczworokąt wklęsłyCzworokąt, jest wklęsły jeśli nie jest figurą wypukłą.

charakteryzacja wypukłości
Własność: charakteryzacja wypukłości
  1. Czworokąt jest wypukły wtedy i tylko wtedy, gdy jego wszystkie cztery kąty wewnętrzne są wypukłe. Czworokąt jest wklęsły wtedy i tylko wtedy, gdy dokładnie jeden z jego kątów wewnętrznych jest wklęsły.

  2. Przekątne w czworokącie wypukłym zawierają się w tym czworokącie, natomiast w czworokącie wklęsłym jedna przekątna leży poza czworokątem.

Zauważmy, że czworokąt może mieć tylko jeden kąt wklęsły, bo gdyby miał dwa takie kąty, to suma ich miar byłaby większa od 360° a to nie jest możliwe, gdyż suma wszystkich kątów czworokąta jest równa 360°.

Na rysunku poniżej czworokąt niebieski jest wypukły, a zielony jest wklęsły. Przekątne narysowane są linią przerywaną. Widać, że przekątna EG w czworokącie zielonym leży poza tym czworokątem, więc przekątne nie przecinają się.

R16dQWEjulXms

W czworokącie wypukłym przekątne się przecinają.

Otrzymaliśmy więc pierwszy podział czworokątów na wypukłe i wklęsłe.

R1WMd6Cd8QMaQ

Podział ze względu na równoległość boków

Trapezem nazywamy czworokąt, który ma przynajmniej jedną parę boków równoległych.

Boki równoległe nazywamy podstawami, a pozostałe dwa boki – ramionami.

charakteryzacja trapezów
Własność: charakteryzacja trapezów
  1. Suma kątów przy ramieniu trapezu jest równa 180°.

  2. Jeżeli w czworokącie suma kątów przy jednym z boków jest równa 180°, to ten czworokąt jest trapezem.

  3. Jeśli czworokąt jest trapezem, to jest wypukły.

Dowód

Własności 1. i 2. wynikają z twierdzenia o prostych równoległych przeciętych trzecią prostą. Własności 1. i 2. wykluczają sytuację, w której jeden z kątów miałby miarę większą od 180°, więc trapeztrapeztrapez jest czworokątem wypukłym.

RhTwTb0SIyif2
Przykład 2

Na rysunku przedstawione są czworokąty z zaznaczonymi kątami. Pokażemy, które z nich są trapezami, a które nie są.

R1HT6oHRt6m7r

Rozwiązanie

Czworokąty niebieskie są trapezami, bo suma miar dwóch sąsiednich kątów jest równa 180°.

Czworokąty różowe nie są trapezami, bo jeden z nich jest wklęsły a w pozostałych dwóch suma miar żadnych dwóch sąsiednich kątów nie jest równa 180°.

o przekątnych trapezu
Twierdzenie: o przekątnych trapezu

Punkt P przecięcia przekątnych trapezu ABCD, w którym ABCD dzieli przekątne w stosunku AB:CD, czyli przy oznaczeniach z rysunku AP:CP=AB:CD.

RIfNeIQnoOEqu

Dowód tego twierdzenia wynika wprost z odwrotnego twierdzenia Talesa.

Trapez o równych ramionach nazywany jest trapezem równoramiennym.

trapezów równoramiennych
Własność: trapezów równoramiennych
  1. W trapezie równoramiennym o różnych podstawach kąty przy podstawach są równe. Ponadto, kąt przy dłuższej podstawie jest ostry, a kąt przy krótszej podstawie jest rozwarty.

  2. Jeśli przekątne w trapezie są równej długości, to jest on trapezem równoramiennym.

Dowód

Skorzystamy z rysunku. Jeśli trapez ma podstawy różnej długości, to jego ramiona można przedłużyć do punktu O tak, by powstał trójkąt DCO, w którym ABCD. Z twierdzenia Talesa wynika, że jeśli AD=BC, to trójkąt DCO jest równoramienny, więc kąty przy wierzchołku DC są równe. Stąd kąty trapezu przy wierzchołkach AB są równe jako kąty przyległe do kąta β. To dowodzi własności 1.

R2KFBEbzphLNE

Aby pokazać własność 2., załóżmy, że przekątne ACBD są równej długości. Stąd i z twierdzenia o przekątnych trapezu wynika, że DP=CP oraz AP=BP. Poza tym trójkąty APDBPC mają równe kąty przy wierzchołku P jako kąty wierzchołkowe.

Z cechy przystawanie trójkątów b-k-b trójkąty APDBPC są przystające i stąd AD=BC.

Przykład 3

Pokażemy, że jeśli w trapezie kąty przy podstawie są równe, to trapez jest równoramienny.

Rozwiązanie

Jeśli kąty przy podstawie są kątami prostymi, to trapez jest prostokątem, czyli jest równoramienny. W przeciwnym przypadku przedłużenia ramion przecinają się tworząc trójkąt równoramienny. Druga podstawa trapezu ma wierzchołki na ramionach kąta, który tworzą przedłużenia ramion trapezu. Z równoległości podstaw trapezu i z twierdzenia Talesa wynika, że trapez jest równoramiennytrapez równoramiennytrapez jest równoramienny.

Klasycznie równoległobokrównoległobokrównoległobok definiuje się jako czworokąt, który ma dwie pary boków równoległych. Stąd wynika, że równoległobok jest trapezem.

Spróbujmy jednak scharakteryzować trapez, w którym podstawy są równej długości.

charakteryzacja równoległoboków
Własność: charakteryzacja równoległoboków
  1. Trapez, którego podstawy są równe, jest równoległobokiem.

  2. Równoległobok jest trapezem równoramiennym.

  3. Przekątne równoległoboku przecinają się w połowie.

  4. Jeśli przekątne czworokąta przecinają się w połowie, to czworokąt jest równoległobokiem.

  5. Suma sąsiednich kątów w równoległoboku jest równa 180°, a kąty przeciwległe są równe.

Dowód

Na rysunku odcinki ABCD mają równe długości. Linie przerywane przedstawiają proste przechodzące przez punkty A, DB, C, odpowiednio. Proste te są równoległe, bo w przeciwnym przypadku miałyby punkt przecięcia O i wtedy twierdzenie Talesa przeczyłoby równości podstaw ABCD.

RQhy59GKfY5jd

To dowodzi własności 1. oraz 2.

Własności 3. i 4. wynikają z twierdzenia o przekątnych w trapezie i z twierdzenia Talesa.

Natomiast własność 5. wynika z faktu, że ramiona równoległoboku są zarówno podstawami jak i ramionami, a suma kątów przy ramionach trapezu jest równa
180°.

Przykład 4

Pokażemy, że przekątna równoległoboku dzieli równoległobok na dwa trójkąty przystające.

Rozwiązanie

Weźmy dowolną przekątną równoległoboku, na przykład AC na rysunku.

R4B51gE2lGX4S

Wtedy odpowiednie boki w trójkątach ADCABC są równe, więc na mocy cechy przystawania b-b-b trójkąty te są przystające.

Otrzymaliśmy więc podział czworokątów wypukłych jak  na rysunku.

RmR5hUnRDI4zS

Podział ze względu na kąt prosty

Z faktu, że w czworokącie jest jeden kąt prosty, nie wynika jakaś szczególna własność. Taki czworokąt może być zarówno wypukły jak i wklęsły. Zatem do klasyfikacji potrzeba jeszcze dodatkowych warunków.

Jeśli zapytamy o czworokąty, w których są dwa kąty proste, to wykluczymy czworokąty wklęsłe, bo suma dwóch pozostałych kątów jest wtedy równa 180°.

Jeśli czworokąt ma dwa przeciwległe kąty proste, to możemy tylko powiedzieć, że jest wypukły.

Jeśli natomiast ma dwa sąsiednie kąty proste, to jest trapezem jak pokażemy w dowodzie własności prostokątaprostokątprostokąta.

Trapez, w którym kąt przy podstawie jest prosty, nazywamy trapezem prostokątnym.

Wprost z własności kątów trapezu wynika, że trapez prostokątny ma dwa kąty proste przy ramieniu.

Przykład 5

Na rysunku przedstawiono czworokąty, które mają przynajmniej jeden kąt prosty. Określimy rodzaj podanych czworokątów.

RA7Fjtbe7qZEE

Rozwiązanie

Czworokąty różowe mają jeden kąt prosty. Jeden z nich jest wypukły (po lewej) a drugi jest wklęsły. Nie mają żadnych dodatkowych cech charakterystycznych.

Czworokąt zielony ma przeciwległe kąty proste. Jest wypukły i nie ma żadnych dodatkowych cech charakterystycznych.

Czworokąty niebieskie mają dwa kąty sąsiednie proste. Są trapezami prostokątnymi.

Prostokąt to czworokąt, który ma wszystkie kąty proste.

charakteryzacja prostokątów
Własność: charakteryzacja prostokątów
  1. Prostokąt jest trapezem prostokątnym.

  2. Prostokąt jest równoległobokiem.

  3. Jeżeli w trapezie kąty przy podstawie są proste, to ten trapez jest prostokątem.

  4. Jeżeli w równoległoboku jeden z kątów jest prosty, to jest on prostokątem.

Dowód

Skorzystamy z oznaczeń na rysunku

RsdcmbTBL2toL

Załóżmy, że w czworokącie kąty przy wierzchołkach AB są proste. Wtedy boki ADBC są równoległe, więc czworokąt ten jest trapezem prostokątnym. Z definicji prostokąta wynika też, że kąt przy wierzchołku C jest prosty i stąd CDAB. Zatem prostokąt jest równoległobokiem. Pokazaliśmy więc własności 1.
2.

Jeżeli kąty przy podstawie AB trapezu ABCD są proste, to ADBC są prostopadłe do AB oraz ADBC, ale CD jest równoległa do AB, więc ADBC są prostopadłe do CD. Stąd ABCD jest prostokątem.

Załóżmy, że w równoległoboku ABCD kąt przy wierzchołku A jest prosty. Wtedy kąt przeciwległy do niego ma tę samą miarę, więc też jest prosty. Natomiast miary kątów sąsiednich do tego kąta sumują się z nim do 180°, więc kąty sąsiednie są proste. Pokazaliśmy więc, że równoległobok ABCD jest prostokątem.

Wprost z faktu, że prostokąt jest równoległobokiem, wynika, że przeciwległe boki prostokąta są równe i że przekątne prostokąta dzielą się w połowie.

Przykład 6

Na rysunku przedstawiona jest litera N. Pokażemy, z jakich rozłącznych czworokątów można zbudować tę literę.

RDHp3UBaAffV4

Rozwiązanie

Podział wzdłuż zaznaczonych odcinków wskazuje dwa prostokąty i jeden równoległobok.

RqIJa8JhhrMzn

Ten rysunek przedstawia podział na równoległobok i dwa trapezy.

RfRhZB3mjmBqx

Kolejna linia dzieli literę na dwa trapezy i dwa prostokąty.

R1R5gdSellKRN

Otrzymaliśmy więc podział trapezów jak na rysunku.

RVBfrI1qHxJVq

Podział ze względu na równość boków

Kolejną cechą pozwalającą rozróżniać czworokąty jest równość boków.

Jeżeli czworokąt ma dwie pary równych boków przeciwległych, to jest on równoległobokiem.

Jeśli czworokąt ma dwie pary równych boków sąsiednich, to dostaniemy czworokąt deltoidalnyczworokąt deltoidalnyczworokąt deltoidalny, a jeśli dodatkowo założymy, że jest wypukły, to dostaniemy deltoid.

Ostatecznie, jeśli czworokąt ma wszystkie boki równe, to jest rombemrombrombem.

Kwadrat definiuje się jako czworokąt, który ma wszystkie boki równe i wszystkie kąty proste.

Zatem kwadratkwadratkwadrat jest prostokątem, który ma wszystkie boki równe i jednocześnie jest rombem, który ma wszystkie kąty równe.

Przykład 7

Na rysunku równe boki oznaczone są tym samym kolorem. Określimy rodzaje narysowanych czworokątów.

RzDePEX2oWDh6

Rozwiązanie

Niebieskie figury to od lewej: deltoiddeltoiddeltoid, bo jest wypukły i ma dwie pary równych boków sąsiednich; kolejny jest czworokątem deltoidalnym, bo jest wklęsły i ma dwie pary równych boków sąsiednich; trzeci z nich jest równoległobokiem, bo ma równe dwie pary przeciwległych boków. Figury zielone to romby, bo mają wszystkie boki równe, a romb po prawej jest kwadratem.

Na rysunku w powyższym przykładzie zaznaczono również przekątne. Zauważmy, że w deltoidzie i dwóch rombach przekątne przecinają się pod kątem prostym.

przekątnych w deltoidzie
Własność: przekątnych w deltoidzie
  1. Przekątne deltoidu przecinają się pod kątem prostym i jedna z przekątnych dzieli drugą na połowy.

  2. Jeśli przekątne czworokąta przecinają się pod kątem prostym i jedna z przekątnych dzieli drugą na połowy, to jest on deltoidem.

  3. Przekątne rombu przecinają w połowie i pod kątem prostym.

Dowód

Niech czworokąt ABCD będzie deltoidem, przy czym BA=BC i
DA=DC.

R1HGdKpqWtxlD

Poprowadźmy symetralną przekątnej AC. Symetralna odcinka jest zbiorem punktów równoodległych od końców tego odcinka. Stąd wynika, że wierzchołki B i D leżą na symetralnej, więc przekątna AC przecina przekątną BD pod kątem prostym. W ten sposób pokazaliśmy własność 1.

Do dowodu własności 2 również wykorzystamy symetralną. Jeśli przekątne czworokąta ABCD przecinają się pod kątem prostym i przekątna BD dzieli AC na połowy. Wtedy czworokąt jest wypukły i  BD leży na symetralnej odcinka AC.

Stąd BA=BCDA=DC, więc czworokąt ABCD jest deltoidem.

Ponieważ romb jest deltoidem, to przekątne przecinają się pod kątem prostym. A ponieważ jest również równoległobokiem, to przekątne dzielą się w połowie.

Przekątne kwadratu są prostopadle do siebie i dzielą się w połowie, bo kwadrat jest rombem.

Otrzymaliśmy więc podział czworokątów jak  na rysunku.

RLWHsphUVdeZA

Ostateczna klasyfikacja czworokątów wygląda następująco:

RNKcfnagnfiHs

Słownik

kąt wypukły
kąt wypukły

kąt, który ma miarę mniejszą lub równą 180°

kąt wklęsły
kąt wklęsły

kąt, który ma miarę większą niż 180°

czworokąt wypukły
czworokąt wypukły

czworokąt, którego wszystkie cztery kąty wewnętrzne są wypukłe

czworokąt wklęsły
czworokąt wklęsły

czworokąt, którego jeden z kątów wewnętrznych jest wklęsły

trapez
trapez

czworokąt, który ma przynajmniej jedną parę boków równoległych

trapez równoramienny
trapez równoramienny

trapez, którego ramiona mają równe długości

równoległobok
równoległobok

czworokąt, który ma dwie pary boków równoległych

prostokąt
prostokąt

czworokąt, który ma wszystkie kąty proste

kwadrat
kwadrat

czworokąt, który ma wszystkie boki równe i wszystkie kąty proste

romb
romb

czworokąt, który ma wszystkie boki równe

deltoid
deltoid

czworokąt wypukły, który ma dwie pary równych boków sąsiednich

czworokąt deltoidalny
czworokąt deltoidalny

czworokąt, który ma dwie pary równych boków sąsiednich