15.4 Pole trójkąta, cz. 1
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Wyznacz wysokość trójkąta równobocznego, którego pole jest równe \(9\sqrt{3}\text{ cm}^2\).
\(h = 3\sqrt{3}\text{ cm}\)
Wskazówki:
- Skorzystaj ze wzorów na pole oraz wysokość trójkąta równobocznego o boku \(a\): $$ P = \dfrac{a^2\sqrt{3}}{4}, \qquad h = \dfrac{a\sqrt{3}}{2} $$
- Sposób I: Porównaj podane pole ze wzorem \(P = \dfrac{a^2\sqrt{3}}{4}\), aby wyznaczyć długość boku \(a\), a następnie oblicz wysokość \(h\).
- Sposób II: Wyznacz zależność wiążącą pole bezpośrednio z wysokością \(h\) (podstawiając \(a = \dfrac{2h}{\sqrt{3}}\) do wzoru na pole) i oblicz \(h\) w jednym etapie.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i własności trójkąta równobocznego:
W trójkącie równobocznym wszystkie boki mają jednakową długość \(a\), a wysokość \(h\) opuszczona na podstawę dzieli ją na dwie równe części o długości \(\dfrac{a}{2}\) i tworzy z nią kąt prosty. -
Sposób I – Wyznaczenie długości boku trójkąta i obliczenie wysokości:
Pole trójkąta równobocznego o boku \(a\) wyraża się wzorem: $$ P = \dfrac{a^2\sqrt{3}}{4} $$ Wstawiamy podaną wartość pola \(P = 9\sqrt{3}\text{ cm}^2\): $$ \dfrac{a^2\sqrt{3}}{4} = 9\sqrt{3} $$ Dzielimy obie strony równania przez \(\sqrt{3}\): $$ \begin{aligned} \dfrac{a^2}{4} &= 9 \\[8pt] a^2 &= 9 \cdot 4 \\[8pt] a^2 &= 36 \end{aligned} $$ Długość boku jest wartością dodatnią (\(a > 0\)), zatem: $$ a = \sqrt{36} = 6\text{ cm} $$ Mając wyznaczony bok \(a = 6\text{ cm}\), obliczamy wysokość trójkąta równobocznego ze wzoru: $$ \begin{aligned} h &= \dfrac{a\sqrt{3}}{2} \\[8pt] &= \dfrac{6\sqrt{3}}{2} = 3\sqrt{3}\text{ cm} \end{aligned} $$ -
Sposób II – Wyznaczenie wysokości bezpośrednio ze wzoru na pole uzależnionego od \(h\):
Przekształcamy wzór na wysokość \(h = \dfrac{a\sqrt{3}}{2}\), aby wyznaczyć bok \(a\) w zależności od \(h\): $$ a = \dfrac{2h}{\sqrt{3}} $$ Podstawiamy tę zależność do ogólnego wzoru na pole trójkąta \(P = \dfrac{1}{2}a \cdot h\): $$ \begin{aligned} P &= \dfrac{1}{2} \cdot \left(\dfrac{2h}{\sqrt{3}}\right) \cdot h \\[8pt] &= \dfrac{h^2}{\sqrt{3}} = \dfrac{h^2\sqrt{3}}{3} \end{aligned} $$ Wstawiamy \(P = 9\sqrt{3}\) do otrzymanego wzoru: $$ \dfrac{h^2\sqrt{3}}{3} = 9\sqrt{3} $$ Dzielimy obie strony przez \(\sqrt{3}\) i mnożymy przez \(3\): $$ \begin{aligned} \dfrac{h^2}{3} &= 9 \\[8pt] h^2 &= 27 \end{aligned} $$ Wyznaczamy dodatnią wartość wysokości \(h\): $$ \begin{aligned} h &= \sqrt{27} \\[8pt] &= \sqrt{9 \cdot 3} = 3\sqrt{3}\text{ cm} \end{aligned} $$
Odpowiedź:
\(h = 3\sqrt{3}\text{ cm}\)
\(h = 3\sqrt{3}\text{ cm}\)
Zadanie 2 (4 pkt)
Promień okręgu opisanego na trójkącie równobocznym jest o \(6\text{ cm}\) dłuższy od promienia okręgu wpisanego w ten trójkąt. Oblicz:
a) wysokość trójkąta
b) pole tego trójkąta.
a) wysokość trójkąta
b) pole tego trójkąta.
a) \(h = 18\text{ cm}\)
b) \(P = 108\sqrt{3}\text{ cm}^2\)
b) \(P = 108\sqrt{3}\text{ cm}^2\)
Wskazówki:
- W trójkącie równobocznym środki okręgów opisanego i wpisanego pokrywają się ze środkiem ciężkości trójkąta (punktem przecięcia wysokości).
- Wysokość \(h\) trójkąta równobocznego dzieli się w stosunku \(2 : 1\), co daje zależności: $$ R = \dfrac{2}{3}h, \qquad r = \dfrac{1}{3}h $$
- Różnica promieni wynosi zatem: $$ R - r = \dfrac{2}{3}h - \dfrac{1}{3}h = \dfrac{1}{3}h = r $$
- Mając wyznaczoną wysokość \(h\), bok \(a\) trójkąta obliczamy ze wzoru \(h = \dfrac{a\sqrt{3}}{2}\), a pole z zależności \(P = \dfrac{a^2\sqrt{3}}{4}\) (lub bezpośrednio z wysokości: \(P = \dfrac{h^2\sqrt{3}}{3}\)).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i analiza relacji między promieniami a wysokością trójkąta równobocznego:
W trójkącie równobocznym wysokości są jednocześnie dwusiecznymi kątów i symetralnymi boków. Punkt ich przecięcia \(O\) jest wspólnym środkiem okręgu opisanego (o promieniu \(R\)) oraz okręgu wpisanego (o promieniu \(r\)).Wysokość trójkąta jest sumą długości obu promieni: $$ h = R + r $$ -
Podpunkt a) Obliczenie wysokości trójkąta:
Z treści zadania promień okręgu opisanego jest o \(6\text{ cm}\) dłuższy od promienia okręgu wpisanego: $$ R - r = 6\text{ cm} $$ Wyrażamy promienie za pomocą wysokości \(h\): $$ R = \dfrac{2}{3}h, \qquad r = \dfrac{1}{3}h $$ Wstawiamy te zależności do równania: $$ \begin{aligned} \dfrac{2}{3}h - \dfrac{1}{3}h &= 6 \\[8pt] \dfrac{1}{3}h &= 6 \\[8pt] h &= 6 \cdot 3 = 18\text{ cm} \end{aligned} $$ (Zauważmy również, że \(r = 6\text{ cm}\) oraz \(R = 2r = 12\text{ cm}\), skąd \(h = R + r = 12 + 6 = 18\text{ cm}\)). -
Podpunkt b) Obliczenie pola trójkąta równobocznego:
Sposób I – Wyznaczenie długości boku \(a\) i obliczenie pola:
Znając wysokość \(h = 18\text{ cm}\), wyznaczamy długość boku \(a\) ze wzoru na wysokość trójkąta równobocznego: $$ \begin{aligned} h &= \dfrac{a\sqrt{3}}{2} \\[8pt] 18 &= \dfrac{a\sqrt{3}}{2} \\[8pt] a\sqrt{3} &= 36 \\[8pt] a &= \dfrac{36}{\sqrt{3}} = \dfrac{36\sqrt{3}}{3} = 12\sqrt{3}\text{ cm} \end{aligned} $$ Obliczamy pole trójkąta ze wzoru: $$ \begin{aligned} P &= \dfrac{a^2\sqrt{3}}{4} \\[8pt] &= \dfrac{(12\sqrt{3})^2 \cdot \sqrt{3}}{4} \\[8pt] &= \dfrac{(144 \cdot 3) \cdot \sqrt{3}}{4} \\[8pt] &= \dfrac{432\sqrt{3}}{4} = 108\sqrt{3}\text{ cm}^2 \end{aligned} $$
Sposób II – Wyznaczenie pola bezpośrednio z wysokości \(h\):
Pole trójkąta równobocznego można wyrazić bezpośrednio przez jego wysokość: $$ P = \dfrac{h^2\sqrt{3}}{3} $$ Podstawiając obliczoną wysokość \(h = 18\text{ cm}\): $$ \begin{aligned} P &= \dfrac{18^2 \cdot \sqrt{3}}{3} \\[8pt] &= \dfrac{324\sqrt{3}}{3} = 108\sqrt{3}\text{ cm}^2 \end{aligned} $$
Odpowiedź:
a) \(h = 18\text{ cm}\)
b) \(P = 108\sqrt{3}\text{ cm}^2\)
a) \(h = 18\text{ cm}\)
b) \(P = 108\sqrt{3}\text{ cm}^2\)
Zadanie 3 (3 pkt)
W trójkącie prostokątnym przyprostokątne mają długość \(9\text{ cm}\) i \(12\text{ cm}\). Oblicz odległość wierzchołka kąta prostego od przeciwprostokątnej.
\(7{,}2\text{ cm}\) (lub \(7\dfrac{1}{5}\text{ cm} = \dfrac{36}{5}\text{ cm}\))
Wskazówki:
- Odległość punktu od prostej to długość odcinka prostopadłego łączącego ten punkt z prostą. W przypadku trójkąta prostokątnego jest to wysokość \(h\) opuszczona z wierzchołka kąta prostego na przeciwprostokątną \(c\).
- W pierwszej kolejności wyznacz długość przeciwprostokątnej \(c\), korzystając z twierdzenia Pitagorasa: \(c = \sqrt{a^2 + b^2}\).
- Sposób I (metoda pól): Pole trójkąta prostokątnego można zapisać jako \(P = \dfrac{1}{2}ab\) lub \(P = \dfrac{1}{2}ch\). Porównanie tych wzorów prowadzi bezpośrednio do zależności \(h = \dfrac{ab}{c}\).
- Sposób II (trygonometria / podobieństwo): Wysokość \(h\) tworzy mniejszy trójkąt prostokątny o wspólnym kącie ostrym z trójkątem wyjściowym, co pozwala wyznaczyć \(h\) z definicji sinusa tego kąta.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i obliczenie długości przeciwprostokątnej z twierdzenia Pitagorasa:
W trójkącie prostokątnym \(ABC\) kąt prosty znajduje się przy wierzchołku \(C\). Przyprostokątne mają długości \(a = |BC| = 12\text{ cm}\) oraz \(b = |AC| = 9\text{ cm}\). Poszukiwaną odległością jest wysokość \(h = |CD|\) opuszczona prostopadle na przeciwprostokątną \(c = |AB|\).Długość przeciwprostokątnej \(c = |AB|\) obliczamy z twierdzenia Pitagorasa: $$ \begin{aligned} c^2 &= a^2 + b^2 \\[8pt] c^2 &= 12^2 + 9^2 \\[8pt] c^2 &= 144 + 81 \\[8pt] c^2 &= 225 \end{aligned} $$ Ponieważ długość odcinka jest wartością dodatnią (\(c > 0\)): $$ c = \sqrt{225} = 15\text{ cm} $$ -
Sposób I – Wyznaczenie odległości poprzez porównanie pól trójkąta:
Pole trójkąta prostokątnego można obliczyć, biorąc za podstawę i wysokość obie przyprostokątne: $$ \begin{aligned} P &= \dfrac{1}{2} \cdot a \cdot b \\[8pt] &= \dfrac{1}{2} \cdot 12 \cdot 9 = 54\text{ cm}^2 \end{aligned} $$ To samo pole można zapisać, przyjmując za podstawę przeciwprostokątną \(c\), a za wysokość odcinek \(h\): $$ P = \dfrac{1}{2} \cdot c \cdot h $$ Przyrównujemy oba wyrażenia na pole: $$ \dfrac{1}{2} \cdot c \cdot h = \dfrac{1}{2} \cdot a \cdot b \implies c \cdot h = a \cdot b $$ Wyznaczamy wysokość \(h\): $$ h = \dfrac{a \cdot b}{c} $$ Podstawiamy dane liczbowe: $$ \begin{aligned} h &= \dfrac{12 \cdot 9}{15} \\[8pt] &= \dfrac{108}{15} \\[8pt] &= \dfrac{36}{5} = 7\dfrac{1}{5}\text{ cm} = 7{,}2\text{ cm} \end{aligned} $$ -
Sposób II – Wyznaczenie odległości z wykorzystaniem trygonometrii:
Rozważmy kąt ostry przy wierzchołku \(B\), oznaczany jako \(\beta = \angle ABC\). W dużym trójkącie prostokątnym \(ABC\) wartość sinusa tego kąta to stosunek przyprostokątnej leżącej naprzeciwko kąta do przeciwprostokątnej: $$ \sin \beta = \dfrac{|AC|}{|AB|} = \dfrac{9}{15} = \dfrac{3}{5} $$ Rozpatrujemy mały trójkąt prostokątny \(CDB\), w którym kąt przy wierzchołku \(D\) jest prosty, a przeciwprostokątną jest odcinek \(|BC| = 12\text{ cm}\). Sinus kąta \(\beta\) wynosi w nim: $$ \sin \beta = \dfrac{h}{|BC|} = \dfrac{h}{12} $$ Przyrównujemy obie wartości sinusa: $$ \begin{aligned} \dfrac{h}{12} &= \dfrac{3}{5} \\[8pt] 5h &= 3 \cdot 12 \\[8pt] 5h &= 36 \\[8pt] h &= \dfrac{36}{5} = 7{,}2\text{ cm} \end{aligned} $$
Odpowiedź:
Odległość wierzchołka kąta prostego od przeciwprostokątnej wynosi \(7{,}2\text{ cm}\) (czyli \(7\dfrac{1}{5}\text{ cm}\)).
Odległość wierzchołka kąta prostego od przeciwprostokątnej wynosi \(7{,}2\text{ cm}\) (czyli \(7\dfrac{1}{5}\text{ cm}\)).
Zadanie 4 (3 pkt)
W trójkącie prostokątnym wysokość poprowadzona z wierzchołka kąta prostego jest równa \(6\text{ cm}\) i dzieli przeciwprostokątną na dwa odcinki, których długości pozostają w stosunku \(1 : 4\). Oblicz pole tego trójkąta.
\(P = 45\text{ cm}^2\)
Wskazówki:
- Skorzystaj z twierdzenia o wysokości w trójkącie prostokątnym opuszczonej na przeciwprostokątną: kwadrat wysokości jest równy iloczynowi długości odcinków, na które dzieli ona przeciwprostokątną, czyli \(h^2 = x \cdot y\).
- Oznacz długości odcinków przeciwprostokątnej jako \(x\) oraz \(4x\) zgodnie ze stosunkiem \(1 : 4\).
- Po wyznaczeniu \(x\) oblicz długość całej przeciwprostokątnej \(c = x + 4x = 5x\).
- Pole trójkąta oblicz jako połowę iloczynu przeciwprostokątnej i opuszczonej na nią wysokości: \(P = \dfrac{1}{2} c \cdot h\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i analiza podziału przeciwprostokątnej:
Niech \(ABC\) będzie trójkątem prostokątnym o kącie prostym przy wierzchołku \(C\). Wysokość \(h = |CD| = 6\text{ cm}\) opuszczona na przeciwprostokątną \(AB\) dzieli ją w punkcie \(D\) na dwa odcinki: \(|AD| = x\) oraz \(|DB| = y\). Ze stosunku \(1 : 4\) wynika, że \(y = 4x\). -
Sposób I – Wykorzystanie twierdzenia o wysokości opuszczonej na przeciwprostokątną:
Wysokość trójkąta prostokątnego poprowadzona z wierzchołka kąta prostego jest średnią geometryczną odcinków, na które dzieli przeciwprostokątną: $$ h^2 = |AD| \cdot |DB| $$ Podstawiamy \(h = 6\text{ cm}\), \(|AD| = x\) oraz \(|DB| = 4x\): $$ \begin{aligned} 6^2 &= x \cdot 4x \\[8pt] 36 &= 4x^2 \\[8pt] x^2 &= \dfrac{36}{4} \\[8pt] x^2 &= 9 \end{aligned} $$ Ponieważ długość odcinka musi być dodatnia (\(x > 0\)): $$ x = \sqrt{9} = 3\text{ cm} $$ Obliczamy długość drugiego odcinka oraz całej przeciwprostokątnej \(c = |AB|\): $$ |DB| = 4x = 4 \cdot 3 = 12\text{ cm} $$ $$ c = |AD| + |DB| = 3 + 12 = 15\text{ cm} $$ Mając długość przeciwprostokątnej oraz opuszczonej na nią wysokości, obliczamy pole trójkąta: $$ \begin{aligned} P &= \dfrac{1}{2} \cdot c \cdot h \\[8pt] &= \dfrac{1}{2} \cdot 15 \cdot 6 \\[8pt] &= 15 \cdot 3 = 45\text{ cm}^2 \end{aligned} $$ -
Sposób II – Obliczenie pól dwóch mniejszych trójkątów prostokątnych:
Wysokość \(CD\) dzieli trójkąt \(ABC\) na dwa trójkąty prostokątne: \(ADC\) oraz \(BDC\). Po wyznaczeniu długości odcinków podstawy (\(x = 3\text{ cm}\) oraz \(4x = 12\text{ cm}\)), pole całego trójkąta jest sumą pól obu części: $$ \begin{aligned} P_{ADC} &= \dfrac{1}{2} \cdot |AD| \cdot h = \dfrac{1}{2} \cdot 3 \cdot 6 = 9\text{ cm}^2 \\[8pt] P_{BDC} &= \dfrac{1}{2} \cdot |DB| \cdot h = \dfrac{1}{2} \cdot 12 \cdot 6 = 36\text{ cm}^2 \end{aligned} $$ Dodajemy pola obu trójkątów: $$ \begin{aligned} P &= P_{ADC} + P_{BDC} \\[8pt] &= 9 + 36 = 45\text{ cm}^2 \end{aligned} $$
Odpowiedź:
\(P = 45\text{ cm}^2\)
\(P = 45\text{ cm}^2\)
Zadanie 5 (3 pkt)
Pole trójkąta prostokątnego wynosi \(30\text{ cm}^2\), a cosinus jednego z kątów ostrych jest równy \(\dfrac{5}{13}\). Oblicz długości boków tego trójkąta.
Długości boków trójkąta wynoszą \(5\text{ cm}\), \(12\text{ cm}\) oraz \(13\text{ cm}\).
Wskazówki:
- Wykorzystaj definicję cosinusa w trójkącie prostokątnym jako stosunku długości przyprostokątnej przyległej do kąta do przeciwprostokątnej: \(\cos\alpha = \dfrac{a}{c}\).
- Wprowadź dodatni współczynnik proporcjonalności \(x > 0\), zapisując boki w postaci \(a = 5x\) oraz \(c = 13x\).
- Zastosuj twierdzenie Pitagorasa \(a^2 + b^2 = c^2\), aby uzależnić długość drugiej przyprostokątnej \(b\) od parametru \(x\).
- Ułóż równanie, podstawiając wyznaczone boki do wzoru na pole trójkąta prostokątnego \(P = \dfrac{1}{2} \cdot a \cdot b\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i oznaczenie boków trójkąta:
Niech \(a\) oraz \(b\) oznaczają długości przyprostokątnych, natomiast \(c\) będzie długością przeciwprostokątnej. Przyjmijmy, że kąt ostry \(\alpha\) leży przy przyprostokątnej \(a\). Z definicji cosinusa w trójkącie prostokątnym otrzymujemy: $$\cos \alpha = \dfrac{a}{c} = \dfrac{5}{13}$$ -
Wyznaczenie długości boków w zależności od parametru \(x\):
Z proporcji \(\dfrac{a}{c} = \dfrac{5}{13}\) wynika, że dla pewnej liczby rzeczywistej \(x > 0\) możemy zapisać: $$\begin{aligned} a &= 5x \\[8pt] c &= 13x \end{aligned}$$ Brakującą przyprostokątną \(b\) wyznaczamy za pomocą twierdzenia Pitagorasa: $$\begin{aligned} a^2 + b^2 &= c^2 \\[8pt] (5x)^2 + b^2 &= (13x)^2 \\[8pt] 25x^2 + b^2 &= 169x^2 \\[8pt] b^2 &= 169x^2 - 25x^2 \\[8pt] b^2 &= 144x^2 \end{aligned}$$ Ponieważ długość boku musi być wartością dodatnią (\(b > 0\)), po spierwiastkowaniu obu stron otrzymujemy: $$b = \sqrt{144x^2} = 12x$$ -
Obliczenie wartości parametru \(x\) z pola trójkąta:
Wzór na pole trójkąta prostokątnego o przyprostokątnych \(a\) i \(b\) ma postać: $$P = \dfrac{1}{2} \cdot a \cdot b$$ Podstawiamy zależności \(a = 5x\) i \(b = 12x\) oraz wartość pola \(P = 30\text{ cm}^2\): $$\begin{aligned} \dfrac{1}{2} \cdot 5x \cdot 12x &= 30 \\[8pt] 30x^2 &= 30 \\[8pt] x^2 &= 1 \end{aligned}$$ Uwzględniając założenie o dodatniości długości boków (\(x > 0\)), wyznaczamy: $$x = 1$$ -
Wyznaczenie ostatecznych długości boków trójkąta:
Wstawiamy obliczoną wartość \(x = 1\) do wyrażeń opisujących długości boków: $$\begin{aligned} a &= 5 \cdot 1 = 5\text{ cm} \\[8pt] b &= 12 \cdot 1 = 12\text{ cm} \\[8pt] c &= 13 \cdot 1 = 13\text{ cm} \end{aligned}$$
Odpowiedź:
Długości boków tego trójkąta wynoszą \(5\text{ cm}\), \(12\text{ cm}\) oraz \(13\text{ cm}\).
Długości boków tego trójkąta wynoszą \(5\text{ cm}\), \(12\text{ cm}\) oraz \(13\text{ cm}\).
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Wyznacz wysokość trójkąta równobocznego, którego pole jest równe $16\sqrt{3} \text{ cm}^{2}$.
Wysokość trójkąta wynosi $4\sqrt{3} \text{ cm}$.
Zadanie 2 (4 pkt)
Promień okręgu opisanego na trójkącie równobocznym jest o $2 \text{ cm}$ dłuższy od promienia okręgu wpisanego w ten trójkąt. Oblicz:
a) wysokość trójkąta
b) pole tego trójkąta.
a) $h = 6 \text{ cm}$
b) $P = 12\sqrt{3} \text{ cm}^2$
Zadanie 3 (3 pkt)
Przyprostokątne trójkąta prostokątnego są równe $8$ cm i $15$ cm. Oblicz odległość wierzchołka kąta prostego od przeciwprostokątnej.
Odległość wierzchołka kąta prostego od przeciwprostokątnej wynosi $7 \frac{1}{17}$ cm.
Zadanie 4 (3 pkt)
W trójkącie prostokątnym wysokość poprowadzona z wierzchołka kąta prostego jest równa $10$ cm i dzieli przeciwprostokątną na dwa odcinki, których długości pozostają w stosunku $1 : 4$. Oblicz pole tego trójkąta.
Pole trójkąta wynosi $125 \text{ cm}^2$.
Zadanie 5 (3 pkt)
W trójkącie prostokątnym o polu równym $60$ cm², cosinus jednego z kątów wynosi $\frac{15}{17}$. Wyznacz długości boków tego trójkąta.
Długości boków trójkąta to $8$ cm, $15$ cm oraz $17$ cm.
