Kwadrat jest czworokątem, który ma wszystkie boki równe i wszystkie kąty proste. Przekątne kwadratu przecinają się pod kątem prostym i dzielą się w połowie. W naszych rozważaniach będziemy stosowali oznaczenia przedstawione na rysunku.

R1J3S3LNk8f6u

Bok kwadratu ABCD oznaczony jest symbolem a, który oznacza też długość tego boku. Punkt S jest punktem przecięcia przekątnych, d oznacza przekątną (i jej długość). Symbolem P oznaczamy pole kwadratu ABCD.

Na początek zajmiemy się problemem mierzenia. Problem mierzenia w starożytności był bardzo trudnym zadaniem, gdyż nie znano pojęcia liczb rzeczywistych, a co za tym idzie nie stosowano wzorów takich jak P=a2. Problem zmierzenia pola figury sprowadzano do porównywania z figurami, których pole było znane.

Spróbujmy zastosować sposób myślenia starożytnych do wyznaczenia pola kwadratu. Przyjmujemy założenie, że pole kwadratu o boku długości równej jednej jednostce (czyli 1 j) jest równe 1 j2, czyli jedna jednostka kwadratowa. Pole to będziemy nazywali polem jednostkowym i będzie to wzorzec, do którego będziemy odnosić pozostałe wyliczenia.

Pokażemy, jak wyznaczać pole kwadratu w zależności od tego jaką liczbą jest długość boku kwadratu, począwszy od liczb naturalnych, potem odwrotności liczb naturalnych, następnie liczb wymiernych, by ostatecznie wyprowadzić wzór na pole kwadratu o boku długości rzeczywistej.

Dowody dotyczące pola figur opierają się na następujących własnościach pola.

Własności pola
Własność: Własności pola

Niech PF oznacza pole figury F. Wtedy:

  1. figury przystające mają równe pola;

  1. jeżeli figura F1 jest zawarta w figurze F2 to PF1PF2;

  1. jeżeli F1, F2 są rozłączne, to pole ich sumy jest równe sumie pól. Prawdziwa jest też ogólniejsza własność, że pole sumy figur jest równe sumie ich pól odjąć pole ich części wspólnej.

Pole kwadratu o boku długości n, gdzie n jest liczbą naturalną

Weźmy kwadrat o boku a=n jednostek. Podzielmy dwa sąsiednie boki kwadratu na n równych odcinków. Zadanie to można wykonać konstrukcyjnie przy pomocy cyrkla i linijki bez podziałki. Łączymy punkty podziału boków odcinkami równoległymi do boków, tak jak na przykładowym rysunku dla n=5.

R1e1vEjehydLr

Ponieważ odcinki poprowadzono równolegle do boków, to czworokąty otrzymane w ten sposób mają wszystkie kąty proste. Poza tym boki zostały podzielone na n równych odcinków to każdy z otrzymanych czworokątów ma wszystkie boki równe o długości 1 j. To oznacza, że kwadrat o boku n został podzielony na kwadraty o polu jednostkowym.

Do wyznaczenia pola P wystarczy policzyć, ile jest kwadratów jednostkowych.

Zauważamy, że w wyniku podziału jednego z boków kwadratu na n części otrzymujemy n rzędów, a w wyniku podziału drugiego boku na n równych części dostajemy n kwadratów jednostkowych w każdym rzędzie. Ostatecznie kwadrat został podzielony na n·n=n2 kwadratów jednostkowych, więc jego pole P jest sumą pól tych kwadratów i w efekcie P=n2 jednostek kwadratowych.

Uwaga!

W dalszej części tego materiału będziemy zakładać, że jednostka jest ustalona i będziemy pomijać odniesienie jednostki tam, gdzie to nie prowadzi do nieporozumień.

Przykład 1

Wyznaczymy pole kwadratu o boku 8.

Rozwiązanie

Dzielimy kwadrat jak na poniższym rysunku.

RM0LvwoMega2n

Dostajemy 8 rzędów po 8 kwadratów w każdym, więc pole kwadratu o boku 8 jest równe 64 jednostki kwadratowe.

Zauważmy, że wzór na pole został już wyprowadzony, więc P=82=64.

Pole kwadratu o boku długości 1n, gdzie n jest liczbą naturalną

Chcemy wyznaczyć pole kwadratu o boku a=1n.

Podzielmy każdy bok kwadratu jednostkowego na n równych części, a następnie metodą opisaną wyżej na n2 przystających kwadratów o boku a=1n. Ponieważ pole kwadratu jednostkowego jest równe 1, to pole każdego z tak uzyskanych kwadratów jest równe a=1n2.

Ostatecznie wzór na pole kwadratu o boku a=1n jest następujący:

P=1n2=1n2
Przykład 2

Wyznaczymy pole kwadratu o boku 13.

Rozwiązanie

Po zastosowaniu wzoru pole kwadratu o boku a=1n mamy P=132=19.

Gdybyśmy chcieli sami wyznaczyć pole tego kwadratu bez odwoływania się do wzoru, to kwadrat jednostkowy należy podzielić na 9 przystających kwadratów metodą opisaną wyżej. Pole kwadratu o boku 13 jest polem jednego z tych dziewięciu kwadratów, więc jest równe 19.

Pole kwadratu o boku długości wymiernej

Chcemy wyznaczyć pole kwadratu o boku wymiernym, czyli a=mn, gdzie m, n są liczbami naturalnymi.

Metodą opisaną wyżej konstruujemy kwadrat o boku 1n. Jego pole jest równe 1n2.

Układamy kwadraty o boku 1nm rzędach, po m kwadratów w każdym rzędzie.

W ten sposób powstał kwadrat o boku mn. Składa się on z m2 kwadratów o polu 1n2.

Ostatecznie P=m2n2=mn2.

Pole kwadratu o boku długości niewymiernej – dla zainteresowanych

Chcemy wyznaczyć pole kwadratu o boku a, gdzie a jest liczbą niewymierną.

Każda liczba niewymierna ma nieskończone rozwinięcie dziesiętne a=c0,c1c2c3...

Jeżeli utniemy tę liczbę na n-tym miejscu po przecinku to dostaniemy an=c0c1...cn10n.

Liczbę an nazywamy n-tym reduktem liczby a. Licznik n-tego reduktu c0c1...cn oznaczamy symbolem ln.

Przykład 3

Wyznaczymy kilka początkowych reduktów liczby a=3.

Rozwiązanie

Rozwinięcie dziesiętne tej liczby jest postaci 1,7320508.

Wtedy

a0=1, a1=1710, a2=173100=173102, a3=1732103, a4=17320104, a5=173205105, a6=1732050103,...

l0=1, l1=17, l2=173, l3=1732, l4=17320, l5=173205, l6=1732050,...

Ograniczenie liczby a przez jej redukt
Własność: Ograniczenie liczby a przez jej redukt

Jeśli liczba a ma nieskończone rozwinięcie dziesiętne, to dla dowolnej liczby naturalnej n zachodzi nierówność an<a<ln+110n=an+110n.

Wróćmy teraz do problemu wyznaczenia pola kwadratu o boku a.

RyqPd5E38ogzk

Dla dowolnego n pole P kwadratu ABCD jest większe od pola kwadratu o boku an oraz jest mniejsze od pola kwadratu o boku an+110n.

Boki tych kwadratów są liczbami wymiernymi.

W ten sposób pole P wyznaczone jest w przybliżeniu. Dokładność tego przybliżenia jest różnicą między polami kwadratów ograniczających kwadrat ABCD.

Na rysunku widać, że różnica ta, to suma pól dwóch czerwonych (przystających) prostokątów o bokach an110n oraz kwadratu o boku 110n.

Różowy prostokąt składa się z ln kwadratów o boku 110n, więc pole różowego prostokąta jest równe ln102n.

Stąd dokładność przybliżenia wynosi rn=2ln102n+1102n=2an10n+1102n.

Stąd w przybliżeniu pole P jest równe Pan2+rn.

Teraz zauważmy, że przy n dążącym do nieskończoności an2 zbiega do a2rn zbiega do zera.

Zatem w granicy dostajemy P=a2.

o polu kwadratu
Twierdzenie: o polu kwadratu

Pole kwadratu o boku a jest równe P=a2.

Wykorzystanie podobieństwa kwadratów do wyznaczenia pola kwadratu o boku a

Innym sposobem wyznaczenia wzoru na pole kwadratu jest zastosowanie podobieństwa kwadratów. Ponieważ wszystkie kwadraty są do siebie podobne, to kwadrat o boku a jest podobny do kwadratu jednostkowego w skali k=a. Z własności pola figur podobnych wynika, że jego pole P jest równe P=k2·1=a2.

Przykład 4

Kwadrat K jest podobny do kwadratu jednostkowego w skali k=34 a kwadrat L jest podobny do kwadratu K w skali l=6. Wyznaczymy bok i pole kwadratu K i kwadratu L.

Rozwiązanie

Z podobieństwa wynika, że bok kwadratu K jest równy a=34 a pole kwadratu K jest równe k2·1=916.

Podobnie, bok kwadratu L jest równy l·a=6·34=92. Po zastosowaniu wzoru na pole kwadratu dostajemy, że pole kwadratu L jest równe 922=814.

Sprawdzimy teraz, czy nie popełniliśmy błędu w wyliczeniach wyznaczając pole kwadratu L w inny sposób – wykorzystując skalę podobieństwa.

Pole kwadratu L jest równe l2·P=62·916=36·916=814.

Dwa sposoby wyliczenia pola doprowadziły do tego samego wyniku.

Wzory skróconego mnożenia

Udowodnimy wzory na kwadrat sumy i różnicy wykorzystując pole kwadratu.

Wzory skróconego mnożenia
Twierdzenie: Wzory skróconego mnożenia
  1. a+b2=a2+2ab+b2

  1. a-b2=a2-2ab+b2

Dowód

1. Popatrzmy na rysunek, na którym przedstawiono kwadrat o boku a+b.

R11nnJLNOTvos

Prowadzimy linie równoległe do boków tego kwadratu, tak, żeby odciąć kwadrat o boku A.

Wtedy pole kwadratu P o boku a+b jest równe sumie pól następujących czworokątów: niebieski kwadrat o boku a, zielony kwadrat o boku b i dwa różowe prostokąty o bokach ab.

Stąd P=a+b2=a2+2ab+b2.

2. Do dowodu wzoru na kwadrat różnicy zakładamy, że a>b i wykonujemy rysunek analogiczny do poprzedniego. Duży kwadrat ma bok a, niebieski kwadrat ma bok a-b, a zielony ma bok b. Bierzemy jeszcze pod uwagę dwa prostokąty o bokach ab.

R1SCSXjSEqvvO

Aby dostać pole P kwadratu o boku a-b odejmujemy od pola kwadratu o boku a pola dwóch prostokątów o bokach ab, ale te prostokąty mają część wspólną – kwadrat o boku b, którego pole musimy dodać.

Stąd P=ab2=a22ab+b2.

Pole kwadratu, którego wierzchołki mają całkowite współrzędne

Jeśli podane są współrzędne dwóch sąsiednich wierzchołków kwadratu A=ax,ay, B=bx,by to długość boku AB jest równa a=axbx2+ayby2.

Jeśli podane są współrzędne dwóch przeciwległych wierzchołków kwadratu A=ax,ay, C=cx,cy, to długość przekątnej AC jest równa c=axcx2+aycy2.

Pole kwadratu, którego dwa wierzchołki mają współrzędne ax,aybx,by jest równe:

  1. P=axbx2+ayby2 jeśli wierzchołki te są wierzchołkami sąsiednimi;

  1. P=axbx2+ayby22 jeśli wierzchołki te są wierzchołkami przeciwległymi.

Przykład 5

Dane są 3 wierzchołki kwadratu K=4, 6, L=-1,5, M=0,0. Wyznaczymy jego pole.

Rozwiązanie

Wystarczy wybrać parę wierzchołków, które są sąsiednie lub parę wierzchołków, które są przeciwległe i zastosować powyższe twierdzenie.

W tym celu wyznaczamy długości odcinków KLLM. Jeśli długości są równe, to K, L są wierzchołkami sąsiednimi. Jeśli długości nie są równe, to wierzchołki krótszego są sąsiednie.

KL=412+652=25+1=26

LM=102+502=1+25=26

Stąd pole kwadratu jest równe 262=26.

o polu kwadratu, którego dwa sąsiednie wierzchołki mają współrzędne całkowite
Twierdzenie: o polu kwadratu, którego dwa sąsiednie wierzchołki mają współrzędne całkowite

Jeśli współrzędne A=ax,ay, B=bx,by dwóch sąsiednich wierzchołków kwadratu są liczbami całkowitymi, to pole kwadratu jest też liczbą całkowitą. Własność ta nie zachodzi dla wierzchołków przeciwległych.

Dowód

P=axbx2+ayby2 jeśli wierzchołki te są wierzchołkami sąsiednimi. Korzystając z faktu, że suma i różnica oraz kwadrat liczb całkowitych są liczbami całkowitymi dostajemy, że P jest liczbą całkowitą.

Przykład 6

Pokażemy przykład dwóch przeciwległych wierzchołków kwadratu, które mają współrzędne całkowite, ale pole kwadratu nie jest liczbą całkowitą.

Rozwiązanie

Weźmy punkty A=2,4C=5,4, które są przeciwległymi wierzchołkami kwadratu. Wtedy P=252+4422=92.

Punktami kratowymipunkty kratowePunktami kratowymi nazywamy punkty o współrzędnych całkowitych.

Prawdziwe jest twierdzenie Picka, które mówi o polu wielokąta, którego wierzchołkami są punkty kratowe.

Picka
Twierdzenie: Picka

Pole wielokąta, którego wierzchołkami są punkty kratowe jest równe P=ω+δ21, gdzie ω jest liczbą punktów kratowych należących do wnętrza wielokąta a δ jest liczbą punktów kratowych należących do brzegu wielokąta.

Przykład 7

Obliczymy pole kwadratu K przedstawionego na rysunku, stosując twierdzenie Picka oraz wyznaczając pole kwadratu z użyciem twierdzenia Pitagorasa potwierdzimy wynik.

RWImcC5LyyoZt

Rozwiązanie

Wewnątrz kwadratu jest 13 punktów kratowych, a na brzegu jest 12 punktów kratowych. Stąd P=13+1221=18.

Policzymy teraz długość boku kwadratu K patrząc na punkty kratowe. Dla dowolnego boku kwadratu budujemy kwadrat, dla którego ten bok jest przekątną. Ten nowy kwadrat ma bok długości 3, więc jego przekątna ma długość 32.

Stad pole kwadratu P=322=18. Obydwie metody doprowadziły do tego samego wyniku.

Wykorzystanie przekątnej do wyznaczania pola kwadratu

Długość d przekątnej kwadratu o boku a można wyznaczyć z twierdzenia Pitagorasa w następujący sposób:

R1ZJzXRabasoP
d22+d22=a2
2·d24=a2
2d2=4a2
d=a2.

Stąd też można wyznaczyć długość boku z długości przekątnej a=d2.

o polu kwadratu z wykorzystaniem przekątnej
Twierdzenie: o polu kwadratu z wykorzystaniem przekątnej

Pole kwadratu o przekątnej d jest równe P=d22.

Dowód

P=a2=d22=d22

Przykład 8

Na rysunku przekątna kwadratu IJFG ma długość 8.

R1ajM2gVncZps

Wyznaczymy pola i długości boków wszystkich kwadratów na rysunku.

Rozwiązanie

PIJFG=822=32, IJ=82=822=42

Bok kwadratu IJFG jest przekątną kwadratu CFHG, więc PCFHG=4222=16, HF=422=4.

PACEF=422=8, FE=42=422=22

PABCD=2222=4, AB=222=2

Zauważmy, że pole kolejnego kwadratu jest połową pola kwadratu poprzedniego. Stąd można wyznaczyć skalę podobieństwa kolejnego kwadratu do kwadratu poprzedniego

k=12=12.

Przykład 9

Wyznaczymy pole kwadratu wpisanego w okrąg o promieniu r.

RZINg9ItRYpFf

Rozwiązanie

Średnica okręgu jest przekątną kwadratu, bo w okręgu kąt oparty na średnicy jest kątem prostym.  Stąd średnica kwadratu ma długość d=2r. I stąd P=d22=4r22=2r2.

Przykład 10

Wyznaczymy pole kwadratu opisanego na okręgu o promieniu r.

RVq4d3dRDUq1d

Rozwiązanie

Promień okręgu poprowadzony do punktu styczności z kwadratem jest prostopadły do boków kwadratu. Stąd mamy, że kąt KON jest prosty i odcinki KOON są równe. Stąd AKON jest kwadratem.

To samo zachodzi dla pozostałych wierzchołków kwadratu ABCD, więc średnica okręgu ma długość równą długości boku kwadratu. Stąd d=2r i pole P=2r2=4r2.

Słownik

punkty kratowe
punkty kratowe

punkty o współrzędnych całkowitych