R1RmP6vpINbu6
Ilustracja modernistyczny budynek w kolorze pomarańczowym. Jego ściany tworzą trójkąt.

M_R_W18_M2 Pola czworokątów

Źródło: Evgeny Tkachenko, dostępny w internecie: www.unsplash.com, domena publiczna.

6. Dowody geometryczne - pola wielokątów

Ponieważ matematyka jest nauką ścisłą, dlatego uznawanie faktów dotyczących badanych przez nią obiektów następuje wyłącznie na podstawie dowodów. Dowód to ścisłe, przebiegające zgodnie z ustalonymi regułami uzasadnienie danego stwierdzenia. W materiale omówimy różne dowody geometryczne, które dotyczą pól wielokątów. Bazując na części teoretycznej oraz omówionych przykładach, rozwiążemy ćwiczenia interaktywne.

Twoje cele
  • Określisz założenie oraz tezę dowodu geometrycznego.

  • Przeprowadzisz dowody geometryczne z wykorzystaniem pól wielokątów.

  • Wyznaczysz różne wzory na pola wielokątów.

  • Zastosujesz zdobytą wiedzę do rozwiązywania problemów matematycznych.

Przypomnijmy, jak zbudowane jest twierdzenietwierdzenietwierdzenie matematyczne.

Twierdzenie najczęściej ma postać zdania:

“Jeżeli p, to q”; pierwsza część p takiego zdania to założenie, które opisuje warunki, przy których spełnione jest twierdzenie; druga część q to teza zawierająca własność, która zachodzi, gdy spełnione są warunki opisane w założeniu.

W materiale omówimy przykłady dowodówdowód twierdzeniadowodów geometrycznych, w których występują pola wielokątówwielokątwielokątów. Czasami w dowodach będziemy używać wzoru na pole koła.

Przykład 1

Dany jest trójkąt prostokątny. Wykażemy, że suma pól trójkątów równobocznych o bokach będących przyprostokątnymi trójkąta jest równa polu trójkąta równobocznego o boku równym przeciwprostokątnej tego trójkąta.

Rozwiązanie:

Dowód

Narysujmy rysunek pomocniczy do zadania i wprowadźmy oznaczenia, jak na poniższym rysunku.

RhdCEdvPcPthe

Mamy pokazać, że PI+PII=PIII.

Zatem:

PI+PII=a234+b234=a2+b234

Ponieważ trójkąt jest prostokątny zatem a2+b2=c2.

Wobec tego PI+PII=a2+b234=c234=PIII.

Przykład 2

Wykażemy, że jeśli boki trójkąta mają długości a, b, c, a kąty odpowiednio α, β, γ, to pole trójkąta możemy obliczyć za pomocą wzoru P=c22·sinα·sinβsinα+β dla αβ90°.

Rozwiązanie:

Dowód

Narysujmy dowolny trójkąt i wprowadźmy oznaczenia, jak na poniższym rysunku:

RVC92EZGuoZgO

Do rozwiązania zadania wykorzystamy wzór na pole trójkąta postaci:

P=12·a·c·sinβ

Z twierdzenia sinusów wiadomo, że

asinα=csinγ

Wobec tego a=c·sinαsinγ.

Zatem:

P=12·c·c·sinα·sinβsinγ

Zauważmy, że sinγ=sin180°-α+β=sinα+β.

Zatem wzór na pole trójkąta zapisujemy w postaci:

P=c22·sinα·sinβsinα+β

Przykład 3

Wykażemy, że jeśli R jest promieniem okręgu opisanego, a r promieniem okręgu wpisanego w trójkąt równoboczny o boku R, to pole tego trójkąta opisuje się wzorem P=334R2 lub P=2734r2.

Rozwiązanie:

Dowód

Narysujmy trójkąt równoboczny oraz okrąg w niego wpisany i okrąg na nim opisany oraz wprowadźmy oznaczenia jak na rysunku.

RU0tdASfCfUQV

Niech a będzie długością boku trójkąta równobocznego.

Długość R promienia okręgu opisanego w zależności od wysokości trójkąta równobocznego wyraża się wzorem:

R=23h oraz h=a32

Zatem R=23·a32=a33.

Wobec tego a=3R3=3R.

Długość r promienia okręgu wpisanego w zależności od wysokości trójkąta równobocznego wyraża się wzorem:

r=13h oraz h=a32

Zatem r=13·a32=a36.

Wobec tego a=6r3=23r.

Jeżeli wykorzystamy wzór na pole trójkąta równobocznego o boku a postaci P=a234, to:

  • dla a=3R mamy P=3R2·34=334R2,

  • dla a=23r mamy P=23r2·34=1234r2=33r2.

Przykład 4

Wykażemy, że przekątne w dowolnym równoległoboku dzielą go na cztery trójkąty o równych polach.

Rozwiązanie:

Dowód

Załóżmy, że przekątne równoległoboku o długościach p i q przecinają się pod kątem α.

Narysujmy dowolny równoległobok i wprowadźmy oznaczenia, jak na poniższym rysunku.

RDQ0PqyizM669

Korzystając z przyjętych oznaczeń mamy:

PABO=12·12p·12q·sinα=18pqsinα

PCDO=12·12p·12q·sinα=18pqsinα

PAOD=12·12p·12q·sin180°-α=18pqsinα

PBCO=12·12p·12q·sin180°-α=18pqsinα

Zatem trójkąty powstałe z przecięcia równoległoboku jego przekątnymi mają równe pola.

Przykład 5

Dany jest trapez ABCD, w którym ABCD oraz podstawy mają długości ab, a wysokość ma długość h. Wykażemy, że jeśli O jest punktem przecięcia przekątnych tego trapezu, to trójkąty AODBOC mają równe pola powierzchni.

Rozwiązanie:

Narysujmy trapez i wprowadźmy oznaczenia, jak na rysunku.

Rz7j9YEkTT4YV

Zauważmy, że

PABD=PAOD+PABO

PABC=PBOC+PABO

Trójkąty ABDABC mają równe pola powierzchni, ponieważ mają wspólną podstawę a i wysokość h.

Wobec tego:

PAOD+PABO=PBOC+PABO

Czyli PAOD=PBOC.

Polecenie 1

Zapoznaj się z animacją dotyczącą dowodów geometrycznych związanych z polami wielokątów, a następnie wykonaj poniższe polecenie.

RxIPRWxelIQOh
Film nawiązujący do treści materiału dotyczącego dowodów geometrycznych.
Polecenie 2

Wykaż, że jeśli boki deltoidu mają długości ab, a kąty miedzy bokami o tej samej długości wynoszą odpowiednio αβ, to pole tego deltoidu wynosi a2sinα+b2sinβ2 lub absinα+β2.

RcCcoC7rLKlzD1
Ćwiczenie 1
Zaznacz poprawną odpowiedź. Jeżeli przekątne prostokąta mają długości p i q, a miara kąta między tymi przekątnymi wynosi alfa, to pole tego prostokąta jest równe: Możliwe odpowiedzi: 1. P, równa się, początek ułamka, jeden, mianownik, dwa, koniec ułamka, p q sinus alfa., 2. P, równa się, dwa p q sinus alfa., 3. P, równa się, początek ułamka, jeden, mianownik, osiem, koniec ułamka, p q sinus alfa.
1
Ćwiczenie 2

Na rysunku przedstawiono ośmiokąt foremny o boku długości a i kącie wewnętrznym α.

RbXsHYXoMAqTZ
R1PZBm2fkRYqv
Zaznacz wszystkie zdania, które są prawdziwe. Możliwe odpowiedzi: 1. Pole powierzchni tego ośmiokąta jest równe dwa, razy, nawias, jeden, plus, pierwiastek kwadratowy z dwa, zamknięcie nawiasu, a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego., 2. Pole powierzchni tego ośmiokąta jest równe nawias, jeden, plus, pierwiastek kwadratowy z dwa, zamknięcie nawiasu, a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego., 3. Jeżeli P jest polem powierzchni ośmiokąta, to a, równa się, pierwiastek kwadratowy z P, razy, nawias, pierwiastek kwadratowy z dwa, minus, jeden, zamknięcie nawiasu., 4. Miara kąta wewnętrznego w ośmiokącie jest równa sto trzydzieści pięć stopni.
RVLzBPl3EjSmx2
Ćwiczenie 3
Dany jest trójkąt równoramienny o podstawie długości a, ramieniu b i kącie między ramionami alfa.
Wstaw w tekst odpowiednie wyrażenia. Przeciągnij i upuść. Długość wysokości trójkąta opuszczonej na podstawę wynosi 1. początek ułamka, a b sinus nawias, sto osiemdziesiąt stopni, minus, alfa, zamknięcie nawiasu, mianownik, dwa, koniec ułamka, 2. początek ułamka, dwa a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, minus, b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, mianownik, dwa a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, koniec ułamka, 3. początek ułamka, b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, mianownik, dwa a, razy, sinus alfa, koniec ułamka, 4. początek ułamka, a b sinus nawias, dziewięćdziesiąt stopni, minus, początek ułamka, alfa, mianownik, dwa, koniec ułamka, zamknięcie nawiasu, mianownik, dwa, koniec ułamka, 5. początek ułamka, dwa b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, minus, a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, mianownik, dwa b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, koniec ułamka, 6. początek ułamka, b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, razy, sinus alfa, mianownik, a, koniec ułamka.
Pole trójkąta można obliczyć ze wzoru 1. początek ułamka, a b sinus nawias, sto osiemdziesiąt stopni, minus, alfa, zamknięcie nawiasu, mianownik, dwa, koniec ułamka, 2. początek ułamka, dwa a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, minus, b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, mianownik, dwa a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, koniec ułamka, 3. początek ułamka, b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, mianownik, dwa a, razy, sinus alfa, koniec ułamka, 4. początek ułamka, a b sinus nawias, dziewięćdziesiąt stopni, minus, początek ułamka, alfa, mianownik, dwa, koniec ułamka, zamknięcie nawiasu, mianownik, dwa, koniec ułamka, 5. początek ułamka, dwa b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, minus, a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, mianownik, dwa b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, koniec ułamka, 6. początek ułamka, b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, razy, sinus alfa, mianownik, a, koniec ułamka.
Cosinus kąta alfa wynosi 1. początek ułamka, a b sinus nawias, sto osiemdziesiąt stopni, minus, alfa, zamknięcie nawiasu, mianownik, dwa, koniec ułamka, 2. początek ułamka, dwa a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, minus, b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, mianownik, dwa a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, koniec ułamka, 3. początek ułamka, b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, mianownik, dwa a, razy, sinus alfa, koniec ułamka, 4. początek ułamka, a b sinus nawias, dziewięćdziesiąt stopni, minus, początek ułamka, alfa, mianownik, dwa, koniec ułamka, zamknięcie nawiasu, mianownik, dwa, koniec ułamka, 5. początek ułamka, dwa b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, minus, a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, mianownik, dwa b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, koniec ułamka, 6. początek ułamka, b indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, razy, sinus alfa, mianownik, a, koniec ułamka.
2
Ćwiczenie 4

W trapezie ABCD przekątne ACBD przecinają się w punkcie O, takim że AO:OC=4:1. Pole trójkąta AOD jest równe 16. Wykaż, że pole trapezu jest równe 100.

2
Ćwiczenie 5

Wykaż, że jeśli p jest najdłuższą przekątną sześciokąta foremnego, to pole tego sześciokąta jest równe 3p238.

2
Ćwiczenie 6

Dany jest trójkąt ABC, w którym AB=23, AC=22-6 oraz suma miar kątów leżących przy boku BC wynosi 75°. Wykaż, że pole tego trójkąta jest równe 3-924.

3
Ćwiczenie 7

Wykaż, że pole ośmiokąta foremnego o obwodzie równym L wyraża się wzorem:

P=1+2·L232.

R1heXXnDLzsMQ3
Ćwiczenie 8
Zaznacz poprawną odpowiedź. Jeżeli bok trójkąta równobocznego ma długość a, a L jest długością jego obwodu, to pole tego trójkąta wyraża się wzorem: Możliwe odpowiedzi: 1. P, równa się, początek ułamka, L indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, pierwiastek kwadratowy z trzy, mianownik, trzydzieści sześć, koniec ułamka., 2. P, równa się, początek ułamka, L indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, pierwiastek kwadratowy z trzy, mianownik, dwanaście, koniec ułamka., 3. P, równa się, początek ułamka, trzydzieści sześć pierwiastek kwadratowy z trzy, mianownik, L indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, koniec ułamka.

Słownik

wielokąt
wielokąt

część płaszczyzny ograniczona łamaną zwyczajną zamkniętą, wraz z tą łamaną

twierdzenie
twierdzenie

zdanie, które opisuje fakt, zależność lub równość, które możemy udowodnić

dowód twierdzenia
dowód twierdzenia

rozumowanie, mające na celu uzasadnić prawdziwość twierdzenia, prowadzące od założeń do tezy, wykorzystując przy tym inne fakty