7.7 Twierdzenie Pitagorasa. Twierdzenie odwrotne do twierdzenia Pitagorasa
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Punkt $A$ leży na dwusiecznej kąta prostego. Wiedząc, że odległość punktu $A$ od każdego z ramion tego kąta jest równa $5 \text{ cm}$, oblicz odległość punktu $A$ od wierzchołka tego kąta.
Odległość wynosi $5\sqrt{2} \text{ cm}$.
WSKAZÓWKI:
1) Zauważ, że dwusieczna kąta prostego dzieli go na dwa mniejsze kąty o równej mierze. Skoro kąt wyjściowy ma $90^{\circ}$, to każdy z tych kątów będzie miał miarę:$$90^{\circ} : 2 = 45^{\circ}$$2) Odległość punktu od ramienia kąta to długość odcinka prostopadłego, który łączy ten punkt z ramieniem. Oznacza to, że jeśli rzucisz punkt $A$ na oba ramiona kąta, otrzymasz czworokąt, w którym co najmniej trzy kąty (przy wierzchołku oraz przy rzutach) są proste.
3) Zastanów się, jaką figurą geometryczną jest czworokąt utworzony przez wierzchołek kąta, rzuty punktu $A$ na ramiona oraz sam punkt $A$. Jeśli odległości od obu ramion są równe ($5$ $cm$), to figura ta ma wszystkie boki równej długości.
4) Odległość punktu $A$ od wierzchołka kąta to długość przekątnej tego czworokąta. Możesz ją obliczyć, korzystając z twierdzenia Pitagorasa w jednym z powstałych trójkątów prostokątnych:$$a^{2} + b^{2} = c^{2}$$gdzie $a$ oraz $b$ to przyprostokątne (odległości od ramion), a $c$ to szukana odległość od wierzchołka.
ROZWIĄZANIE:
a) Analiza figury utworzonej przez punkt $A$ i ramiona kąta.
Przyjmijmy, że wierzchołek kąta prostego znajduje się w punkcie $O$. Ramiona kąta oznaczmy jako proste $k$ oraz $l$. Punkt $A$ leży na dwusiecznej tego kąta. Niech punkt $B$ będzie rzutem prostokątnym punktu $A$ na ramię $k$, a punkt $C$ rzutem prostokątnym punktu $A$ na ramię $l$.
Z definicji odległości punktu od prostej wiemy, że odcinki $AB$ oraz $AC$ są prostopadłe do ramion. Zatem kąty $\angle OBA$ oraz $\angle OCA$ mają miary po $90^{\circ}$. Ponieważ kąt przy wierzchołku $O$ również jest prosty ($90^{\circ}$), czworokąt $OBAC$ posiada trzy kąty proste, co czyni go prostokątem.
Z treści zadania wiemy, że odległości od obu ramion są równe i wynoszą $5$ $cm$. Zatem:$$AB = 5$$$$AC = 5$$W prostokącie boki przeciwległe są równe, więc $OC = AB = 5$ oraz $OB = AC = 5$. Ponieważ wszystkie boki tego prostokąta mają długość $5$ $cm$, czworokąt $OBAC$ jest kwadratem.
b) Obliczanie odległości punktu $A$ od wierzchołka $O$.
Szukana odległość to długość odcinka $OA$. Odcinek ten jest przekątną kwadratu $OBAC$ o boku $a = 5$. Aby go obliczyć, rozważamy trójkąt prostokątny $OBA$. Stosujemy twierdzenie Pitagorasa:$$OA^{2} = OB^{2} + AB^{2}$$Podstawiamy znane długości przyprostokątnych, czyli $OB = 5$ oraz $AB = 5$:$$OA^{2} = 5^{2} + 5^{2}$$Podnosimy liczby do kwadratu:$$OA^{2} = 25 + 25$$Wykonujemy dodawanie po prawej stronie równania:$$OA^{2} = 50$$Aby wyznaczyć $OA$, musimy wyciągnąć pierwiastek kwadratowy z obu stron:$$OA = \sqrt{50}$$Liczbę pod pierwiastkiem możemy zapisać jako iloczyn $25$ oraz $2$:$$OA = \sqrt{25 \cdot 2}$$Wyłączamy czynnik przed znak pierwiastka, wiedząc, że $\sqrt{25} = 5$:$$OA = 5\sqrt{2}$$Odległość punktu $A$ od wierzchołka kąta wynosi $5\sqrt{2}$ $cm$.
Zadanie 2 (3 pkt)
W trójkącie prostokątnym średni bok jest o $1$ cm krótszy od przeciwprostokątnej. Wiedząc, że najkrótszy bok tego trójkąta ma długość $5$ cm, oblicz długości pozostałych boków.
Pozostałe boki mają długości $12$ cm oraz $13$ cm.
WSKAZÓWKI:
1) Podstawowym narzędziem do rozwiązywania zadań związanych z trójkątem prostokątnym jest twierdzenie Pitagorasa. Mówi ono, że suma kwadratów długości przyprostokątnych jest równa kwadratowi długości przeciwprostokątnej:$$a^{2} + b^{2} = c^{2}$$gdzie $a$ i $b$ to przyprostokątne, a $c$ to przeciwprostokątna.
2) Zidentyfikuj zależności między bokami podane w treści zadania. Najkrótszy bok to jedna z przyprostokątnych ($a = 5$). Średni bok to druga przyprostokątna ($b$). Przeciwprostokątna ($c$) jest zawsze najdłuższym bokiem. Skoro średni bok jest o $1$ cm krótszy od przeciwprostokątnej, możesz zapisać:$$b = c - 1$$lub wygodniej dla obliczeń:$$c = b + 1$$3) Podczas rozwiązywania równania kwadratowego, które powstanie po podstawieniu danych do twierdzenia Pitagorasa, skorzystaj ze wzoru skróconego mnożenia na kwadrat sumy:$$\left(a + b\right)^{2} = a^{2} + 2 \cdot a \cdot b + b^{2}$$ROZWIĄZANIE:
a) Wprowadzenie oznaczeń i ułożenie równania.
Przyjmijmy, że boki trójkąta to $a$, $b$ oraz $c$. Z treści zadania wiemy, że najkrótszy bok $a = 5$ cm. Średni bok oznaczymy jako $b$. Przeciwprostokątna $c$ jest o $1$ cm dłuższa od boku $b$, co zapisujemy jako:$$c = b + 1$$Stosujemy twierdzenie Pitagorasa:$$a^{2} + b^{2} = c^{2}$$Podstawiamy nasze dane: $a = 5$ oraz $c = b + 1$ do wzoru:$$5^{2} + b^{2} = \left(b + 1\right)^{2}$$b) Przekształcanie równania i obliczanie długości średniego boku.
Najpierw obliczamy kwadrat liczby $5$ po lewej stronie równania:$$25 + b^{2} = \left(b + 1\right)^{2}$$Teraz rozpisujemy prawą stronę równania, korzystając ze wzoru skróconego mnożenia $\left(a + b\right)^{2} = a^{2} + 2ab + b^{2}$:$$25 + b^{2} = b^{2} + 2 \cdot b \cdot 1 + 1^{2}$$Upraszczamy prawą stronę, wykonując mnożenie i potęgowanie:$$25 + b^{2} = b^{2} + 2b + 1$$Zauważamy, że wyrażenie $b^{2}$ występuje po obu stronach równania. Odejmujemy $b^{2}$ od obu stron, co powoduje ich redukcję:$$25 = 2b + 1$$Chcemy wyznaczyć niewiadomą $b$, więc musimy przenieść liczbę $1$ na lewą stronę równania. Pamiętamy o zmianie znaku na przeciwny:$$25 - 1 = 2b$$Wykonujemy odejmowanie:$$24 = 2b$$Aby otrzymać wartość $b$, dzielimy obie strony równania przez liczbę stojącą przy niewiadomej, czyli przez $2$:$$b = \frac{24}{2}$$$$b = 12$$Długość średniego boku wynosi $12$ cm.
c) Obliczanie długości przeciwprostokątnej.
Skorzystamy z wcześniej ustalonej zależności $c = b + 1$. Podstawiamy wyliczoną wartość $b = 12$:$$c = 12 + 1$$$$c = 13$$Długość przeciwprostokątnej wynosi $13$ cm.
Zadanie 3 (3 pkt)
Sprawdź, czy trójkąt o podanych długościach boków jest prostokątny:
a) $1,5 \text{ dm}; 1,3 \text{ dm}; 0,9 \text{ dm}$
b) $2 \text{ dm}; 12 \text{ cm}; 16 \text{ cm}$
a) Nie; b) Tak.
WSKAZÓWKI:
1) Aby sprawdzić, czy trójkąt jest prostokątny, należy skorzystać z twierdzenia odwrotnego do twierdzenia Pitagorasa. Mówi ono, że jeśli suma kwadratów dwóch krótszych boków trójkąta jest równa kwadratowi najdłuższego boku, to trójkąt ten jest prostokątny.
2) Wzór, który należy sprawdzić, to:$$a^{2} + b^{2} = c^{2}$$gdzie $a$ oraz $b$ to długości krótszych boków (przyprostokątnych), a $c$ to długość najdłuższego boku (przeciwprostokątnej).
3) Przed przystąpieniem do obliczeń upewnij się, że wszystkie długości boków są wyrażone w tej samej jednostce. Jeśli jednostki są różne (jak w podpunkcie b), musisz je najpierw ujednolicić.
4) Jeśli po obliczeniu obu stron równania otrzymasz tę samą liczbę, trójkąt jest prostokątny. Jeśli wyniki będą różne, trójkąt nie jest prostokątny.
ROZWIĄZANIE:
a) Sprawdzanie trójkąta o bokach $1,5$ $dm$; $1,3$ $dm$; $0,9$ $dm$.
Wszystkie boki są podane w decymetrach, więc nie musimy zamieniać jednostek. Najpierw identyfikujemy najdłuższy bok, który potencjalnie może być przeciwprostokątną. Jest to $c = 1,5$ $dm$. Pozostałe dwa boki to $a = 1,3$ $dm$ oraz $b = 0,9$ $dm$.
Podnosimy każdą z długości do kwadratu:
Obliczamy kwadrat boku $a$:$$a^{2} = \left(1,3\right)^{2} = 1,69$$Obliczamy kwadrat boku $b$:$$b^{2} = \left(0,9\right)^{2} = 0,81$$Obliczamy kwadrat najdłuższego boku $c$:$$c^{2} = \left(1,5\right)^{2} = 2,25$$Teraz sumujemy kwadraty dwóch krótszych boków:$$a^{2} + b^{2} = 1,69 + 0,81 = 2,5$$Następnie porównujemy otrzymaną sumę z kwadratem najdłuższego boku:$$2,5 \neq 2,25$$Ponieważ suma kwadratów dwóch krótszych boków ($2,5$) nie jest równa kwadratowi najdłuższego boku ($2,25$), trójkąt o podanych bokach nie jest prostokątny.
b) Sprawdzanie trójkąta o bokach $2$ $dm$; $12$ $cm$; $16$ $cm$.
Zauważamy, że boki są podane w różnych jednostkach (decymetry i centymetry). Musimy je ujednolicić. Zamieńmy decymetry na centymetry, wiedząc, że $1$ $dm = 10$ $cm$.
Długość pierwszego boku wynosi:$$2 \cdot 10 = 20$$$cm$.
Nasze boki mają teraz długości: $20$ $cm$, $12$ $cm$ oraz $16$ $cm$.
Identyfikujemy najdłuższy bok: $c = 20$ $cm$. Pozostałe boki to $a = 12$ $cm$ oraz $b = 16$ $cm$.
Podnosimy każdą z długości do kwadratu:
Obliczamy kwadrat boku $a$:$$a^{2} = 12^{2} = 144$$Obliczamy kwadrat boku $b$:$$b^{2} = 16^{2} = 256$$Obliczamy kwadrat najdłuższego boku $c$:$$c^{2} = 20^{2} = 400$$Sumujemy kwadraty dwóch krótszych boków:$$a^{2} + b^{2} = 144 + 256$$Dodajemy liczby do siebie:$$144 + 256 = 400$$Porównujemy wynik z kwadratem najdłuższego boku:$$400 = 400$$Suma kwadratów dwóch krótszych boków jest dokładnie równa kwadratowi najdłuższego boku. Na mocy twierdzenia odwrotnego do twierdzenia Pitagorasa stwierdzamy, że trójkąt o bokach $20$ $cm$, $12$ $cm$ i $16$ $cm$ jest prostokątny.
Zadanie 4 (3 pkt)
W prostokącie $ABCD$ bok $AB$ ma długość $5\text{ cm}$, a bok $BC$ ma $2\text{ cm}$. Na boku $DC$ obrano punkt $E$ tak, że $|DE| : |EC| = 1 : 4$. Czy trójkąt $ABE$ jest prostokątny? Odpowiedź uzasadnij.
Tak, trójkąt $ABE$ jest prostokątny.
WSKAZÓWKI:
1) Rozpocznij od wyznaczenia długości odcinków $DE$ oraz $EC$. Pamiętaj, że bok $DC$ ma taką samą długość jak bok $AB$, czyli $5$ $cm$. Wykorzystaj podany stosunek $1 : 4$, aby podzielić tę długość na dwie części.
2) Zauważ, że w prostokącie wszystkie kąty wewnętrzne są proste. Oznacza to, że trójkąty $ADE$ oraz $BCE$ są trójkątami prostokątnymi. Wykorzystaj twierdzenie Pitagorasa:$$a^{2} + b^{2} = c^{2}$$aby obliczyć kwadraty długości odcinków $AE$ oraz $BE$. Będą one bokami trójkąta $ABE$.
3) Aby sprawdzić, czy trójkąt $ABE$ jest prostokątny, skorzystaj z twierdzenia odwrotnego do twierdzenia Pitagorasa. Sprawdź, czy suma kwadratów dwóch krótszych boków ($AE^{2} + BE^{2}$) jest równa kwadratowi najdłuższego boku ($AB^{2}$).
ROZWIĄZANIE:
a) Obliczanie długości odcinków $DE$ oraz $EC$.
W prostokącie $ABCD$ boki przeciwległe są równej długości, zatem $|DC| = |AB| = 5$ $cm$. Punkt $E$ leży na boku $DC$ i dzieli go w stosunku $1 : 4$. Oznacza to, że cały odcinek składa się z $1 + 4 = 5$ jednakowych części.
Długość jednej części wynosi:$$\frac{5}{5} = 1$$$cm$
Zatem długości odcinków to:
$|DE| = 1 \cdot 1 = 1$ $cm$
$|EC| = 4 \cdot 1 = 4$ $cm$
b) Obliczanie kwadratu długości boku $AE$.
Rozpatrujemy trójkąt $ADE$. Jest on prostokątny, ponieważ kąt przy wierzchołku $D$ jest kątem prostokąta. Długość boku $AD$ jest równa długości boku $BC$, czyli $2$ $cm$. Stosujemy twierdzenie Pitagorasa:$$|AE|^{2} = |AD|^{2} + |DE|^{2}$$Podstawiamy wartości $|AD| = 2$ oraz $|DE| = 1$:$$|AE|^{2} = 2^{2} + 1^{2}$$Podnosimy liczby do kwadratu:$$|AE|^{2} = 4 + 1$$$$|AE|^{2} = 5$$c) Obliczanie kwadratu długości boku $BE$.
Rozpatrujemy trójkąt $BCE$. Jest on prostokątny, ponieważ kąt przy wierzchołku $C$ jest kątem prostym prostokąta. Stosujemy twierdzenie Pitagorasa:$$|BE|^{2} = |BC|^{2} + |EC|^{2}$$Podstawiamy wartości $|BC| = 2$ oraz $|EC| = 4$:$$|BE|^{2} = 2^{2} + 4^{2}$$Wykonujemy potęgowanie:$$|BE|^{2} = 4 + 16$$$$|BE|^{2} = 20$$d) Sprawdzenie, czy trójkąt $ABE$ jest prostokątny.
Mamy dany trójkąt $ABE$ o bokach $AE$, $BE$ oraz $AB$. Znamy kwadraty ich długości:
$|AE|^{2} = 5$
$|BE|^{2} = 20$
$|AB|^{2} = 5^{2} = 25$
Sprawdzamy, czy zachodzi równość $|AE|^{2} + |BE|^{2} = |AB|^{2}$:$$5 + 20 = 25$$Leva strona równania wynosi $25$, co jest dokładnie równe kwadratowi długości boku $AB$.
Ponieważ suma kwadratów dwóch krótszych boków jest równa kwadratowi najdłuższego boku, na mocy twierdzenia odwrotnego do twierdzenia Pitagorasa stwierdzamy, że trójkąt $ABE$ jest prostokątny, a kąt prosty znajduje się przy wierzchołku $E$.
Zadanie 5 (3 pkt)
Sprawdź, czy dany trójkąt jest prostokątny, ostrokątny czy rozwartokątny, jeśli długości jego boków pozostają w stosunku:
a) $8 : 15 : 17$,
b) $4 : 5 : 8$,
c) $3 : 1 : \sqrt{10}$,
d) $\sqrt{11} : \sqrt{5} : \sqrt{13}$.
a) prostokątny, b) rozwartokątny, c) prostokątny, d) ostrokątny.
WSKAZÓWKI:
1) Aby określić rodzaj trójkąta na podstawie długości jego boków $a$, $b$ oraz $c$, musisz najpierw wskazać najdłuższy bok. Przyjmijmy, że jest to bok $c$.
2) Skorzystaj z twierdzenia odwrotnego do twierdzenia Pitagorasa oraz jego uogólnień:
- Jeśli $a^{2} + b^{2} = c^{2}$, trójkąt jest prostokątny.
- Jeśli $a^{2} + b^{2} < c^{2}$, trójkąt jest rozwartokątny (suma kwadratów krótszych boków jest mniejsza niż kwadrat najdłuższego boku).
- Jeśli $a^{2} + b^{2} > c^{2}$, trójkąt jest ostrokątny (suma kwadratów krótszych boków jest większa niż kwadrat najdłuższego boku).
3) Ponieważ boki podane są w stosunku, możesz do obliczeń przyjąć te liczby jako bezpośrednie długości boków. Stała proporcjonalności $k$ i tak uległaby skróceniu podczas porównywania wartości.
ROZWIĄZANIE:
a) Badanie trójkąta o bokach w stosunku $8 : 15 : 17$.
1) Najpierw ustalamy, który z boków jest najdłuższy. Porównujemy liczby $8$, $15$ oraz $17$. Największą z nich jest $17$, więc przyjmujemy $c = 17$, natomiast pozostałe boki to $a = 8$ i $b = 15$.
2) Obliczamy sumę kwadratów dwóch krótszych boków:$$a^{2} + b^{2} = 8^{2} + 15^{2}$$Podnosimy liczby do kwadratu:$$a^{2} + b^{2} = 64 + 225$$Dodajemy te wartości do siebie:$$a^{2} + b^{2} = 289$$3) Obliczamy kwadrat najdłuższego boku:$$c^{2} = 17^{2}$$Wykonujemy potęgowanie:$$c^{2} = 289$$4) Porównujemy obie otrzymane wartości. Zauważamy, że:$$289 = 289$$czyli zachodzi równość:$$a^{2} + b^{2} = c^{2}$$Ponieważ suma kwadratów dwóch boków jest równa kwadratowi trzeciego boku, trójkąt jest prostokątny.
b) Badanie trójkąta o bokach w stosunku $4 : 5 : 8$.
1) Wskazujemy najdłuższy bok. Liczba $8$ jest największa, zatem $c = 8$, a $a = 4$ i $b = 5$.
2) Obliczamy sumę kwadratów krótszych boków:$$a^{2} + b^{2} = 4^{2} + 5^{2}$$$$a^{2} + b^{2} = 16 + 25$$$$a^{2} + b^{2} = 41$$3) Obliczamy kwadrat najdłuższego boku:$$c^{2} = 8^{2}$$$$c^{2} = 64$$4) Porównujemy wyniki:$$41 < 64$$Zatem zachodzi relacja:$$a^{2} + b^{2} < c^{2}$$Suma kwadratów dwóch boków jest mniejsza od kwadratu najdłuższego boku, co oznacza, że trójkąt jest rozwartokątny.
c) Badanie trójkąta o bokach w stosunku $3 : 1 : \sqrt{10}$.
1) Musimy ustalić, która liczba jest największa. Wiemy, że $3 = \sqrt{9}$ oraz $1 = \sqrt{1}$. Ponieważ $\sqrt{10}$ jest większe od $\sqrt{9}$, to $\sqrt{10}$ jest najdłuższym bokiem. Przyjmujemy $c = \sqrt{10}$, $a = 3$ oraz $b = 1$.
2) Obliczamy sumę kwadratów krótszych boków:$$a^{2} + b^{2} = 3^{2} + 1^{2}$$$$a^{2} + b^{2} = 9 + 1$$$$a^{2} + b^{2} = 10$$3) Obliczamy kwadrat najdłuższego boku:$$c^{2} = \left(\sqrt{10}\right)^{2}$$Pierwiastek kwadratowy podniesiony do potęgi drugiej daje liczbę podpierwiastkową:$$c^{2} = 10$$4) Porównujemy wyniki:$$10 = 10$$Skoro $a^{2} + b^{2} = c^{2}$, trójkąt o takich bokach jest prostokątny.
d) Badanie trójkąta o bokach w stosunku $\sqrt{11} : \sqrt{5} : \sqrt{13}$.
1) Największą liczbą pod pierwiastkiem jest $13$, więc najdłuższym bokiem jest $c = \sqrt{13}$. Pozostałe boki to $a = \sqrt{11}$ oraz $b = \sqrt{5}$.
2) Obliczamy sumę kwadratów dwóch krótszych boków:$$a^{2} + b^{2} = \left(\sqrt{11}\right)^{2} + \left(\sqrt{5}\right)^{2}$$Pozbywamy się pierwiastków poprzez potęgowanie:$$a^{2} + b^{2} = 11 + 5$$$$a^{2} + b^{2} = 16$$3) Obliczamy kwadrat najdłuższego boku:$$c^{2} = \left(\sqrt{13}\right)^{2}$$$$c^{2} = 13$$4) Porównujemy wyniki:$$16 > 13$$Otrzymaliśmy relację:$$a^{2} + b^{2} > c^{2}$$Suma kwadratów mniejszych boków przewyższa kwadrat najdłuższego boku, zatem dany trójkąt jest ostrokątny.
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Punkt $S$ znajduje się na dwusiecznej kąta prostego w odległości $4 \text{ cm}$ od obu jego ramion. Jaka jest odległość punktu $S$ od wierzchołka tego kąta?
Odległość punktu $S$ od wierzchołka kąta wynosi $4\sqrt{2} \text{ cm}$.
Zadanie 2 (3 pkt)
W pewnym trójkącie prostokątnym przeciwprostokątna jest o $2$ cm dłuższa od jednej z przyprostokątnych. Oblicz długości tych boków, jeśli najkrótszy bok trójkąta ma długość $12$ cm.
Długości pozostałych boków to $35$ cm oraz $37$ cm.
Zadanie 3 (3 pkt)
Sprawdź, czy trójkąt o podanych długościach boków jest prostokątny:
a) $0,8 \text{ dm}; 1,5 \text{ dm}; 1,7 \text{ dm}$
b) $1 \text{ dm}; 8 \text{ cm}; 5 \text{ cm}$
a) Tak; b) Nie.
Zadanie 4 (3 pkt)
W prostokącie $ABCD$ bok $AB$ ma długość $15\text{ cm}$, a bok $BC$ ma $6\text{ cm}$. Na boku $DC$ obrano punkt $E$ tak, że $|DE| : |EC| = 1 : 4$. Czy trójkąt $ABE$ jest prostokątny? Odpowiedź uzasadnij.
Tak, trójkąt $ABE$ jest prostokątny.
Zadanie 5 (3 pkt)
Sprawdź, czy dany trójkąt jest prostokątny, ostrokątny czy rozwartokątny, jeśli długości jego boków pozostają w stosunku:
a) $7 : 24 : 25$,
b) $5 : 6 : 9$,
c) $1 : \sqrt{8} : 3$,
d) $\sqrt{3} : \sqrt{6} : \sqrt{8}$.
a) prostokątny, b) rozwartokątny, c) prostokątny, d) ostrokątny.
