Przeczytaj
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.

Bok kwadratu oznaczony jest symbolem , który oznacza też długość tego boku. Punkt jest punktem przecięcia przekątnych, oznacza przekątną (i jej długość). Symbolem oznaczamy pole kwadratu .
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 . 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 ) jest równe , 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.
Niech oznacza pole figury . Wtedy:
figury przystające mają równe pola;
jeżeli figura jest zawarta w figurze to ;
jeżeli , 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 , gdzie jest liczbą naturalną
Weźmy kwadrat o boku jednostek. Podzielmy dwa sąsiednie boki kwadratu na 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 .

Ponieważ odcinki poprowadzono równolegle do boków, to czworokąty otrzymane w ten sposób mają wszystkie kąty proste. Poza tym boki zostały podzielone na równych odcinków to każdy z otrzymanych czworokątów ma wszystkie boki równe o długości . To oznacza, że kwadrat o boku został podzielony na kwadraty o polu jednostkowym.
Do wyznaczenia pola wystarczy policzyć, ile jest kwadratów jednostkowych.
Zauważamy, że w wyniku podziału jednego z boków kwadratu na części otrzymujemy rzędów, a w wyniku podziału drugiego boku na równych części dostajemy kwadratów jednostkowych w każdym rzędzie. Ostatecznie kwadrat został podzielony na kwadratów jednostkowych, więc jego pole jest sumą pól tych kwadratów i w efekcie jednostek kwadratowych.
W dalszej części tego materiału będziemy zakładać, że jednostka jest ustalona i będziemy pomijać odniesienie jednostki tam, gdzie to nie prowadzi do nieporozumień.
Wyznaczymy pole kwadratu o boku .
Rozwiązanie
Dzielimy kwadrat jak na poniższym rysunku.

Dostajemy rzędów po kwadratów w każdym, więc pole kwadratu o boku jest równe jednostki kwadratowe.
Zauważmy, że wzór na pole został już wyprowadzony, więc .
Pole kwadratu o boku długości , gdzie jest liczbą naturalną
Chcemy wyznaczyć pole kwadratu o boku .
Podzielmy każdy bok kwadratu jednostkowego na równych części, a następnie metodą opisaną wyżej na przystających kwadratów o boku . Ponieważ pole kwadratu jednostkowego jest równe , to pole każdego z tak uzyskanych kwadratów jest równe .
Ostatecznie wzór na pole kwadratu o boku jest następujący:
Wyznaczymy pole kwadratu o boku .
Rozwiązanie
Po zastosowaniu wzoru pole kwadratu o boku mamy .
Gdybyśmy chcieli sami wyznaczyć pole tego kwadratu bez odwoływania się do wzoru, to kwadrat jednostkowy należy podzielić na przystających kwadratów metodą opisaną wyżej. Pole kwadratu o boku jest polem jednego z tych dziewięciu kwadratów, więc jest równe .
Pole kwadratu o boku długości wymiernej
Chcemy wyznaczyć pole kwadratu o boku wymiernym, czyli , gdzie , są liczbami naturalnymi.
Metodą opisaną wyżej konstruujemy kwadrat o boku . Jego pole jest równe .
Układamy kwadraty o boku w rzędach, po kwadratów w każdym rzędzie.
W ten sposób powstał kwadrat o boku . Składa się on z kwadratów o polu .
Ostatecznie .
Pole kwadratu o boku długości niewymiernej – dla zainteresowanych
Chcemy wyznaczyć pole kwadratu o boku , gdzie jest liczbą niewymierną.
Każda liczba niewymierna ma nieskończone rozwinięcie dziesiętne ...
Jeżeli utniemy tę liczbę na -tym miejscu po przecinku to dostaniemy .
Liczbę nazywamy -tym reduktem liczby . Licznik -tego reduktu oznaczamy symbolem .
Wyznaczymy kilka początkowych reduktów liczby .
Rozwiązanie
Rozwinięcie dziesiętne tej liczby jest postaci .
Wtedy
, , , , , , ,...
, , , , , , ,...
Jeśli liczba ma nieskończone rozwinięcie dziesiętne, to dla dowolnej liczby naturalnej zachodzi nierówność .
Wróćmy teraz do problemu wyznaczenia pola kwadratu o boku .

Dla dowolnego pole kwadratu jest większe od pola kwadratu o boku oraz jest mniejsze od pola kwadratu o boku .
Boki tych kwadratów są liczbami wymiernymi.
W ten sposób pole wyznaczone jest w przybliżeniu. Dokładność tego przybliżenia jest różnicą między polami kwadratów ograniczających kwadrat .
Na rysunku widać, że różnica ta, to suma pól dwóch czerwonych (przystających) prostokątów o bokach i oraz kwadratu o boku .
Różowy prostokąt składa się z kwadratów o boku , więc pole różowego prostokąta jest równe .
Stąd dokładność przybliżenia wynosi .
Stąd w przybliżeniu pole jest równe .
Teraz zauważmy, że przy dążącym do nieskończoności zbiega do a zbiega do zera.
Zatem w granicy dostajemy .
Pole kwadratu o boku jest równe .
Wykorzystanie podobieństwa kwadratów do wyznaczenia pola kwadratu o boku
Innym sposobem wyznaczenia wzoru na pole kwadratu jest zastosowanie podobieństwa kwadratów. Ponieważ wszystkie kwadraty są do siebie podobne, to kwadrat o boku jest podobny do kwadratu jednostkowego w skali . Z własności pola figur podobnych wynika, że jego pole jest równe .
Kwadrat jest podobny do kwadratu jednostkowego w skali a kwadrat jest podobny do kwadratu w skali . Wyznaczymy bok i pole kwadratu i kwadratu .
Rozwiązanie
Z podobieństwa wynika, że bok kwadratu jest równy a pole kwadratu jest równe .
Podobnie, bok kwadratu jest równy . Po zastosowaniu wzoru na pole kwadratu dostajemy, że pole kwadratu jest równe .
Sprawdzimy teraz, czy nie popełniliśmy błędu w wyliczeniach wyznaczając pole kwadratu w inny sposób – wykorzystując skalę podobieństwa.
Pole kwadratu jest równe .
Dwa sposoby wyliczenia pola doprowadziły do tego samego wyniku.
Wzory skróconego mnożenia
Udowodnimy wzory na kwadrat sumy i różnicy wykorzystując pole kwadratu.
1. Popatrzmy na rysunek, na którym przedstawiono kwadrat o boku .

Prowadzimy linie równoległe do boków tego kwadratu, tak, żeby odciąć kwadrat o boku .
Wtedy pole kwadratu o boku jest równe sumie pól następujących czworokątów: niebieski kwadrat o boku , zielony kwadrat o boku i dwa różowe prostokąty o bokach i .
Stąd .
2. Do dowodu wzoru na kwadrat różnicy zakładamy, że i wykonujemy rysunek analogiczny do poprzedniego. Duży kwadrat ma bok , niebieski kwadrat ma bok , a zielony ma bok . Bierzemy jeszcze pod uwagę dwa prostokąty o bokach i .

Aby dostać pole kwadratu o boku odejmujemy od pola kwadratu o boku pola dwóch prostokątów o bokach i , ale te prostokąty mają część wspólną – kwadrat o boku , którego pole musimy dodać.
Stąd .
Pole kwadratu, którego wierzchołki mają całkowite współrzędne
Jeśli podane są współrzędne dwóch sąsiednich wierzchołków kwadratu , to długość boku jest równa .
Jeśli podane są współrzędne dwóch przeciwległych wierzchołków kwadratu , , to długość przekątnej jest równa .
Pole kwadratu, którego dwa wierzchołki mają współrzędne i jest równe:
jeśli wierzchołki te są wierzchołkami sąsiednimi;
jeśli wierzchołki te są wierzchołkami przeciwległymi.
Dane są wierzchołki kwadratu , , . 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 i . Jeśli długości są równe, to , są wierzchołkami sąsiednimi. Jeśli długości nie są równe, to wierzchołki krótszego są sąsiednie.
Stąd pole kwadratu jest równe .
Jeśli współrzędne , dwóch sąsiednich wierzchołków kwadratu są liczbami całkowitymi, to pole kwadratu jest też liczbą całkowitą. Własność ta nie zachodzi dla wierzchołków przeciwległych.
jeśli wierzchołki te są wierzchołkami sąsiednimi. Korzystając z faktu, że suma i różnica oraz kwadrat liczb całkowitych są liczbami całkowitymi dostajemy, że jest liczbą całkowitą.
Pokażemy przykład dwóch przeciwległych wierzchołków kwadratu, które mają współrzędne całkowite, ale pole kwadratu nie jest liczbą całkowitą.
Rozwiązanie
Weźmy punkty i , które są przeciwległymi wierzchołkami kwadratu. Wtedy .
Punktami kratowymiPunktami kratowymi nazywamy punkty o współrzędnych całkowitych.
Prawdziwe jest twierdzenie Picka, które mówi o polu wielokąta, którego wierzchołkami są punkty kratowe.
Pole wielokąta, którego wierzchołkami są punkty kratowe jest równe , gdzie jest liczbą punktów kratowych należących do wnętrza wielokąta a jest liczbą punktów kratowych należących do brzegu wielokąta.
Obliczymy pole kwadratu przedstawionego na rysunku, stosując twierdzenie Picka oraz wyznaczając pole kwadratu z użyciem twierdzenia Pitagorasa potwierdzimy wynik.

Rozwiązanie
Wewnątrz kwadratu jest punktów kratowych, a na brzegu jest punktów kratowych. Stąd .
Policzymy teraz długość boku kwadratu patrząc na punkty kratowe. Dla dowolnego boku kwadratu budujemy kwadrat, dla którego ten bok jest przekątną. Ten nowy kwadrat ma bok długości , więc jego przekątna ma długość .
Stad pole kwadratu . Obydwie metody doprowadziły do tego samego wyniku.
Wykorzystanie przekątnej do wyznaczania pola kwadratu
Długość przekątnej kwadratu o boku można wyznaczyć z twierdzenia Pitagorasa w następujący sposób:

Stąd też można wyznaczyć długość boku z długości przekątnej .
Pole kwadratu o przekątnej jest równe .
Na rysunku przekątna kwadratu ma długość .

Wyznaczymy pola i długości boków wszystkich kwadratów na rysunku.
Rozwiązanie
,
Bok kwadratu jest przekątną kwadratu , więc , .
,
,
Zauważmy, że pole kolejnego kwadratu jest połową pola kwadratu poprzedniego. Stąd można wyznaczyć skalę podobieństwa kolejnego kwadratu do kwadratu poprzedniego
.
Wyznaczymy pole kwadratu wpisanego w okrąg o promieniu .

Rozwiązanie
Średnica okręgu jest przekątną kwadratu, bo w okręgu kąt oparty na średnicy jest kątem prostym. Stąd średnica kwadratu ma długość . I stąd .
Wyznaczymy pole kwadratu opisanego na okręgu o promieniu .

Rozwiązanie
Promień okręgu poprowadzony do punktu styczności z kwadratem jest prostopadły do boków kwadratu. Stąd mamy, że kąt jest prosty i odcinki i są równe. Stąd jest kwadratem.
To samo zachodzi dla pozostałych wierzchołków kwadratu , więc średnica okręgu ma długość równą długości boku kwadratu. Stąd i pole .
Słownik
punkty o współrzędnych całkowitych