Podobieństwo trójkątów prostokątnych

Tales w swoich obliczeniach wykorzystał własności trójkątów prostokątnych podobnych.
Zauważmy, że jeżeli jeden z kątów ostrych trójkąta prostokątnego ma miarę równą jednemu z kątów ostrych drugiego trójkąta prostokątnego, to miary wszystkich kątów w tych trójkątach są równe.
Można też wykazać, że jeżeli miary wszystkich kątów w dwóch trójkątach prostokątnych są równe, to odpowiednie boki tych trójkątów są proporcjonalne.
Zatem, aby określić podobieństwo trójkątów prostokątnych, wystarczy stwierdzić, że trójkąty te mają równy jeden z kątów ostrych bądź stosunek dwóch ich odpowiednich boków jest równy (z twierdzenia Pitagorasa wynika, że znając długości dwóch boków trójkąta prostokątnego, można obliczyć długość trzeciego boku).

R1Z0ky730VYW11
Ważne!
RowCTEI8IIxQ81
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.

Dwa trójkąty prostokątne są podobne, gdy stosunek dwóch ich odpowiednich boków jest równy.

R1ZJh5VGvbVEs1
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
Przykład 1

Przyprostokątne trójkąta prostokątnego ABC są równe 36 i 77. Przeciwprostokątna w trójkącie EFG jest równa 17, a jedna z przyprostokątnych 7,2. Sprawdź, czy trójkąty te są podobne.

R52eH91B8pOPt1
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.

Obliczymy długość przyprostokątnej FD trójkąta DEF, korzystając z twierdzenia Pitagorasa.

d2+7,22=172
d2=289-51,84
d2=237,16
d=15,4

bo

d>0

Znajdujemy stosunek dłuższych przyprostokątnych trójkątów ABC i  DEF, a następnie krótszych.

7715,4=5
367,2=5

Znalezione stosunki są równe, zatem trójkąty są podobne. Skala podobieństwa jest równa 5.

Przykład 2

W trójkącie prostokątnym EWA podobnym do trójkąta BUT kąty pozostają w stosunku 1:2:3.
Przeciwprostokątna trójkąta BUT ma długość 6 cm. Oblicz pole trójkąta BUT.
Obliczamy miary kątów ostrych trójkąta EWA.

x+2x+3x=180°

gdzie

x>0
6x=180°
x=30°
2x=60°

Kąty ostre trójkąta EWA mają miary 30° i 60°.
Z podobieństwa trójkątów wynika, że miary kątów trójkąta BUT są równe miarom kątów trójkąta EWA.

R9P5geeE6Rjhy1
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.

Oznaczmy u, t – długości przyprostokątnych trójkąta BUT. Z własności trójkąta prostokątnego o kątach 30° i 60° wynika, że t=3 cm, u=33 cm.
Możemy więc obliczyć pole trójkąta BUT.

P=12⋅3⋅33=4,53

Pole trójkąta BUT jest równe 4,53 cm2

i4OVMKy7yZ_d5e200

Zastosowanie podobieństwa trójkątów prostokątnych

Przykład 3

Trójkąt ABC jest wpisany w okrąg o środku w punkcie D. Kąt ACB ma miarę 45°. Trójkąt EFG jest podobny do trójkąta ABD w skali 5:1. Najdłuższy bok trójkąta EFG ma długość 80. Oblicz długość okręgu o środku w punkcie D i promieniu DA.
Trójkąt ABC jest wpisany w okrąg, zatem punkty A, B, C leżą na okręgu.

RYNya6SNLOuW41
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.

Kąt ADB jest kątem środkowym opartym na tym samym łuku co kąt ACB. Ma zatem miarę dwa razy od niego większą .

∢ADB=2⋅∢ACB
∢ADB=2⋅45°=90°

Kąt ADB jest prosty, więc trójkąt ADB jest prostokątny.
Ponieważ AD=BD, zatem trójkąt ADB jest równoramienny.
Trójkąt EFG jest podobny do trójkąta ADB, jest więc też trójkątem prostokątnym równoramiennym. Najdłuższy jego bok to przeciwprostokątna. Z podobieństwa trójkątów wynika, że przeciwprostokątna trójkąta ADB jest pięciokrotnie krótsza od przeciwprostokątnej trójkąta EFG.

AB=80:5=16

Odcinek DA to przyprostokątna trójkąta ABD. Obliczamy długość tego odcinka.

AB=DA⋅2
DA=162=82

Obliczamy długość okręgu.

L=2⋅π⋅82=16π2

Długość okręgu o środku w punkcie D i promieniu DA jest równa 16π2.

Przykład 4

Na placu Świątecznym stoi choinka, która rzuca cień długości 10 m. W tym samym czasie stojący pod drzewem Mikołaj o wzroście 180 cm rzuca cień długości 1,2 m. Oblicz wysokość choinki.
Oznaczamy przez x wysokość choinki.
Zapisujemy wzrost Mikołaja w metrach.

 180 cm = 1,8 m

Korzystając z podobieństwa trójkątów prostokątnych ACE i BCD, zapisujemy odpowiednią proporcję, z której wyznaczamy x.

x1,8=101,2
1,2x=18x=15

Wysokość choinki jest równa 15 m.

Przykład 5

Aby określić przybliżoną odległość statku od brzegu, można wykorzystać sposób podany przez Talesa.
Na brzegu należy wbić cztery patyki. Pierwszy w punkcie A – leżącym najbliżej statku. Drugi w punkcie B, znajdującym się w określonej odległości od punktu A (np. w odległości 60 kroków). Trzeci w punkcie C, znajdującym się w określonej odległości od B (np. 30 kroków) i leżącym na prostej AB. Teraz należy znaleźć taki punkt D, leżący na prostej prostopadłej do prostej AC, że patyki wbite w punkcie B oraz D i statek S znajdują się na jednej linii.
Załóżmy, że odległość z punktu C do punktu D wynosi 90 kroków. Trójkąty ASB i BCD są trójkątami prostokątnymi podobnymi – miary ich kątów są równe. Zapisujemy wynikającą stąd proporcję i wyznaczamy długość odcinka AS, czyli odległość statku od brzegu.

|AB||AS|=|BC||CD|
60|AS|=3090
30AS=60⋅90
AS=180

Przyjmując, że długość kroku człowieka wynosi około 0,7 m, stwierdzamy, że odległość statku od brzegu wynosi około 0,7 m⋅180 ≈126 m.

R1eyFW1HFxXjR1
Przykład 6

W trapezie prostokątnym ABCD, w którym kąt ADC jest prosty, przedłużono ramiona do przecięcia w punkcie E. Podstawy trapezu ABCD mają długości 4 i 6. Wysokość trapezu jest równa 10. Oblicz długość odcinka BE.

RS3DiI5wLEsdF1
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.

Trójkąt CDE otrzymany po przedłużeniu ramion AD i BC trapezu, jest trójkątem prostokątnym. Odcinki AB i CD są równoległe, zatem kąty trójkąta CDE są równe kątom trójkąta prostokątnego AEB. Trójkąty te są podobne, zatem stosunki ich odpowiednich boków są równe.
Korzystając z tego, obliczymy długość x boku ED trójkąta CDE.

EDDC=EAAB
x4=x+106
6x=4x+40
2x=40
x=20

Trójkąt AEB jest trójkątem prostokątnym o przyprostokątnych długości x+10 i 6, czyli 30 i 6.
Odcinek BE jest przeciwprostokątną tego trójkąta. Jego długość obliczamy, korzystając z twierdzenia Pitagorasa.

BE2=302+62
BE2=936
BE=936=626

Długość odcinka BE jest równa 626.

Przykład 7

W trójkącie prostokątnym ABC poprowadzono wysokość CD z wierzchołka kąta prostego. Punkt D podzielił przeciwprostokątną AB na odcinki AD=x i DB=y. Wykaż, że CD2=xy.
Oznaczmy: α,β - miary kątów ostrych w trójkącie ABC.

R1TPwGnyqvWZA1
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.

Odcinek CD dzieli trójkąt ABC na dwa trójkąty prostokątne ADC i CDB.
Kąty ostre w trójkącie ADC mają miary α i 90°-α. Kąty ostre w trójkącie CDB mają miary β i  90°-β.
Ponieważ α+β=90°, więc β=90°-α i α=90°-β. Zatem trójkąty ADC i CDB mają równe kąty, są więc podobne.

RjRrwovREB8b21
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.

Zapisujemy wynikającą stąd proporcję i wyznaczamy CD2.

CDAD=DBCD
CDx=yCD
CD2=xy
i4OVMKy7yZ_d5e371
classicmobile
Ćwiczenie 1

Trójkąty prostokątne T i M są podobne. Jeden z kątów trójkąta T ma miarę 35°. Wynika z tego, że różnica miar kątów ostrych trójkąta M jest równa

R1e2a92b80Y6B
static
A
Ćwiczenie 2

Sprawdź, czy romby o przekątnych długości 9 dm i 4 dm oraz 5 dm i 11,25 dm są podobne.

B
Ćwiczenie 3

Wykaż, że trójkąty ABD i BCD są podobne.

R1ObfRp1sU3J61
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
A
Ćwiczenie 4

Wskaż parę wielokątów podobnych. Uzasadnij, że są one podobne.

R3pxUgTDHcz2Q1
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
B
Ćwiczenie 5

W  trójkąt prostokątny ABC wpisano kwadrat ADEF o boku długości 4 cm tak, jak na rysunku.
Oblicz pole tego trójkąta, wiedząc, że przyprostokątna AC ma długość 9 cm.

Re92PnBG0UUDC1
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
B
Ćwiczenie 6

W trójkącie prostokątnym poprowadzono z wierzchołka kąta prostego wysokość. Wykaż, że utworzone w ten sposób trójkąty są podobne.

B
Ćwiczenie 7

W  trójkącie prostokątnym wysokość poprowadzona z wierzchołka kąta prostego podzieliła przeciwprostokątną na odcinki długości 25 dm i 9 dm. Oblicz pole trójkąta.

B
Ćwiczenie 8

W okrąg o promieniu długości 2,5 cm wpisano trójkąt A’B’C’ podobny do trójkąta prostokątnego ABC o bokach długości 9 cm, 12 cm i 15 cm. Jaki obwód ma trójkąt A’B’C’?

B
Ćwiczenie 9

W trójkącie prostokątnym ABC stosunek długości przyprostokątnych jest równy 75.
Trójkąt A’B’C’ jest podobny do trójkąta ABC. Krótsza przyprostokątna trójkąta A’B’C’ ma długość
10 cm. Jaką długość ma druga przyprostokątna?

i4OVMKy7yZ_d5e606
A
Ćwiczenie 10

W trójkącie prostokątnym ABC stosunek długości przyprostokątnych jest równy 43.
W trójkącie A’B’C’ długości boków wynoszą 15 cm, 12 cm, 9 cm. Czy ten trójkąt jest podobny do trójkąta ABC?

A
Ćwiczenie 11

W trójkącie prostokątnym wysokość opuszczona z wierzchołka kąta prostego dzieli przeciwprostokątną na odcinki długości 5 cm i 10 cm. Oblicz długość tej wysokości.

B
Ćwiczenie 12

Trójkąt prostokątny ABC ma przyprostokątne, długości 4 i 3. Znajdź długość wysokości opuszczonej z wierzchołka kąta prostego na przeciwprostokątną.

B
Ćwiczenie 13

Trójkąt prostokątny ABC ma przyprostokątne długości 4 i 3. Znajdź długości odcinków na które wysokość opuszczona z wierzchołka kąta prostego dzieli przeciwprostokątną.

C
Ćwiczenie 14

Udowodnij, że długość wysokości trójkąta prostokątnego opuszczonej z wierzchołka kąta prostego jest średnią geometryczną iloczynu długości odcinków, na które dzieli ona przeciwprostokątną.

B
Ćwiczenie 15

Przekątna trapezu prostokątnego podzieliła go na dwa trójkąty prostokątne podobne. Krótsze ramię trapezu ma długość 6, a krótsza podstawa 8. Oblicz obwód trapezu.

B
Ćwiczenie 16

W  trójkącie prostokątnym wysokość poprowadzona z wierzchołka kąta prostego podzieliła przeciwprostokątną długości 30 na dwa odcinki, z których jeden ma długość x. Oblicz pole trójkąta.

C
Ćwiczenie 17

Dwa okręgi styczne zewnętrznie zostały wpisane w kąt (każdy z nich jest styczny do ramion kąta). Odległości środków tych okręgów od wierzchołka kąta wynoszą odpowiednio 20 i 30. Oblicz obwody okręgów.

C
Ćwiczenie 18

Podstawy trapezu mają długości 16 i 12, a wysokość trapezu ma długość 9,6. Znajdź odległości punktu przecięcia się przedłużeń ramion boków nierównoległych tego trapezu od obu podstaw.