Geometria płaska – rozwiązywanie trójkątów, pole trójkąta, pole koła
Sprawdzian
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
W wycinek koła o promieniu \(12\text{ cm}\) wpisano okrąg o promieniu \(4\text{ cm}\). Oblicz pole wycinka koła.
\(P_w = 24\pi\text{ cm}^2\)
Wskazówki:
- Okrąg wpisany w wycinek koła jest styczny do obu promieni ograniczających wycinek oraz do łuku tego wycinka.
- Środek okręgu wpisanego leży na osi symetrii wycinka (na dwusiecznej kąta środkowego \(\alpha\)).
- Odległość od wierzchołka wycinka \(S\) do środka okręgu wpisanego \(O\) wynosi \(R - r\), gdzie \(R\) to promień wycinka koła, a \(r\) to promień okręgu wpisanego.
- Promień okręgu poprowadzony do punktu styczności z ramieniem wycinka jest do niego prostopadły, co pozwala wyznaczyć kąt środkowy \(\alpha\) z trójkąta prostokątnego.
- Pole wycinka koła o kącie \(\alpha\) i promieniu \(R\) obliczamy ze wzoru: \(P_w = \dfrac{\alpha}{360^\circ} \cdot \pi R^2\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i analiza relacji geometrycznych:
Niech \(S\) oznacza wierzchołek wycinka koła, a \(R = 12\text{ cm}\) jego promień. Okrąg o środku \(O\) i promieniu \(r = 4\text{ cm}\) jest wpisany w ten wycinek, co oznacza, że jest styczny do obu promieni wycinka w punktach \(A\) i \(B\) oraz styczny wewnętrznie do łuku wycinka w punkcie \(K\).Punkty \(S\), \(O\) oraz punkt styczności z łukiem \(K\) są współliniowe, a długość odcinka \(SK\) jest równa promieniowi wycinka \(R\): $$ |SK| = R = 12\text{ cm} $$ Ponieważ odcinek \(OK\) jest promieniem okręgu wpisanego (\(|OK| = r = 4\text{ cm}\)), odległość środka okręgu \(O\) od wierzchołka wycinka \(S\) wynosi: $$ |SO| = |SK| - |OK| = R - r = 12 - 4 = 8\text{ cm} $$ -
Wyznaczenie miary kąta środkowego wycinka koła (\(\alpha\)):
Sposób I – Z definicji sinusa w trójkącie prostokątnym \(SAO\):
Promień okręgu wpisanego \(OA\) poprowadzony do punktu styczności \(A\) jest prostopadły do ramienia wycinka (\(OA \perp SA\)). Trójkąt \(SAO\) jest trójkątem prostokątnym o kącie prostym przy wierzchołku \(A\). Prosta \(SO\) jest dwusieczną kąta środkowego wycinka \(\alpha\), zatem kąt \(\angle ASO = \dfrac{\alpha}{2}\). W trójkącie prostokątnym \(SAO\) obliczamy sinus kąta \(\dfrac{\alpha}{2}\): $$ \sin\left(\dfrac{\alpha}{2}\right) = \dfrac{|OA|}{|SO|} = \dfrac{r}{R - r} $$ Podstawiamy dane wartości: $$ \sin\left(\dfrac{\alpha}{2}\right) = \dfrac{4}{8} = \dfrac{1}{2} $$ Ponieważ \(\dfrac{\alpha}{2}\) jest kątem ostrym w trójkącie prostokątnym, otrzymujemy: $$ \dfrac{\alpha}{2} = 30^\circ \implies \alpha = 60^\circ $$
Sposób II – Z własności trójkąta prostokątnego o kątach \(30^\circ, 60^\circ, 90^\circ\):
W trójkącie prostokątnym \(SAO\) długość przyprostokątnej \(|OA| = 4\text{ cm}\) jest dokładnie dwa razy krótsza od przeciwprostokątnej \(|SO| = 8\text{ cm}\): $$ |SO| = 2 \cdot |OA| $$ Z twierdzenia odwrotnego do własności trójkąta prostokątnego o kątach \(30^\circ, 60^\circ, 90^\circ\) wynika, że kąt leżący naprzeciw tej przyprostokątnej ma miarę: $$ \dfrac{\alpha}{2} = 30^\circ \implies \alpha = 60^\circ $$ -
Obliczenie pola wycinka koła:
Pole wycinka koła o promieniu \(R = 12\text{ cm}\) i kącie środkowym \(\alpha = 60^\circ\) wyraża się wzorem: $$ P_w = \dfrac{\alpha}{360^\circ} \cdot \pi R^2 $$ Podstawiamy wyznaczone wartości: $$ \begin{aligned} P_w &= \dfrac{60^\circ}{360^\circ} \cdot \pi \cdot 12^2 \\[8pt] &= \dfrac{1}{6} \cdot \pi \cdot 144 \\[8pt] &= \dfrac{144}{6} \cdot \pi \\[8pt] &= 24\pi\text{ cm}^2 \end{aligned} $$ -
Podsumowanie i rysunek wynikowy:
Kąt środkowy wycinka wynosi \(\alpha = 60^\circ\), co oznacza, że wycinek stanowi dokładnie \(\dfrac{60^\circ}{360^\circ} = \dfrac{1}{6}\) pełnego koła o promieniu \(12\text{ cm}\). Pole całego koła wynosi \(P_k = \pi \cdot 12^2 = 144\pi\text{ cm}^2\), a pole wycinka to \(\dfrac{1}{6} \cdot 144\pi = 24\pi\text{ cm}^2\).
Odpowiedź:
Pole wycinka koła wynosi \(P_w = 24\pi\text{ cm}^2\).
Pole wycinka koła wynosi \(P_w = 24\pi\text{ cm}^2\).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 2 (3 pkt)
Trójkąt ma boki o długościach 7 dm, 24 dm i 25 dm. Oblicz jego pole powierzchni. Następnie wyznacz promień okręgu wpisanego w ten trójkąt oraz promień okręgu opisanego na nim.
Pole powierzchni trójkąta: \(P = 84\text{ dm}^2\)
Promień okręgu wpisanego: \(r = 3\text{ dm}\)
Promień okręgu opisanego: \(R = \dfrac{25}{2}\text{ dm} = 12{,}5\text{ dm}\)
Promień okręgu wpisanego: \(r = 3\text{ dm}\)
Promień okręgu opisanego: \(R = \dfrac{25}{2}\text{ dm} = 12{,}5\text{ dm}\)
Wskazówki:
- Sprawdź, czy dany trójkąt jest prostokątny, stosując twierdzenie odwrotne do twierdzenia Pitagorasa: zbadaj, czy suma kwadratów dwóch krótszych boków jest równa kwadratowi najdłuższego boku (\(a^2 + b^2 = c^2\)).
- W trójkącie prostokątnym pole powierzchni jest równe połowie iloczynu przyprostokątnych: \(P = \dfrac{a \cdot b}{2}\). Alternatywnie pole można wyznaczyć ze wzoru Herona dla dowolnego trójkąta.
- Promień okręgu wpisanego w trójkąt prostokątny można obliczyć ze specjalnego wzoru \(r = \dfrac{a + b - c}{2}\) lub z ogólnego wzoru powiązanego z polem i połową obwodu: \(P = p \cdot r\).
- Środek okręgu opisanego na trójkącie prostokątnym leży dokładnie w środku przeciwprostokątnej, co oznacza, że promień okręgu opisanego to połowa przeciwprostokątnej: \(R = \dfrac{c}{2}\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i weryfikacja rodzaju trójkąta za pomocą twierdzenia odwrotnego do twierdzenia Pitagorasa:
Niech boki trójkąta mają długości: $$a = 7\text{ dm}, \quad b = 24\text{ dm}, \quad c = 25\text{ dm}$$ Sprawdzamy warunek Pitagorasa dla dwóch krótszych boków: $$\begin{aligned} a^2 + b^2 &= 7^2 + 24^2 \\[8pt] &= 49 + 576 \\[8pt] &= 625 \end{aligned}$$ Kwadrat najdłuższego boku wynosi: $$c^2 = 25^2 = 625$$ Ponieważ \(a^2 + b^2 = c^2\) (\(625 = 625\)), z twierdzenia odwrotnego do twierdzenia Pitagorasa wynika, że dany trójkąt jest prostokątny. Przyprostokątnymi są boki o długościach \(7\text{ dm}\) oraz \(24\text{ dm}\), a przeciwprostokątną bok o długości \(25\text{ dm}\). -
Obliczenie pola powierzchni trójkąta (dwoma sposobami):
• Sposób I (z wzoru na pole trójkąta prostokątnego):
W trójkącie prostokątnym jedna przyprostokątna jest podstawą, a druga wysokością opuszczoną na tę podstawę: $$\begin{aligned} P &= \dfrac{a \cdot b}{2} \\[8pt] &= \dfrac{7 \cdot 24}{2} \\[8pt] &= 7 \cdot 12 \\[8pt] &= 84\text{ dm}^2 \end{aligned}$$ • Sposób II (ze wzoru Herona dla dowolnego trójkąta):
Wyznaczamy połowę obwodu trójkąta \(p\): $$\begin{aligned} p &= \dfrac{a + b + c}{2} \\[8pt] &= \dfrac{7 + 24 + 25}{2} = \dfrac{56}{2} = 28\text{ dm} \end{aligned}$$ Stosujemy wzór Herona \(P = \sqrt{p(p - a)(p - b)(p - c)}\): $$\begin{aligned} P &= \sqrt{28 \cdot (28 - 7) \cdot (28 - 24) \cdot (28 - 25)} \\[8pt] &= \sqrt{28 \cdot 21 \cdot 4 \cdot 3} \\[8pt] &= \sqrt{(4 \cdot 7) \cdot (7 \cdot 3) \cdot 4 \cdot 3} \\[8pt] &= \sqrt{4^2 \cdot 7^2 \cdot 3^2} \\[8pt] &= 4 \cdot 7 \cdot 3 = 84\text{ dm}^2 \end{aligned}$$ Oba sposoby dają identyczny wynik \(P = 84\text{ dm}^2\). -
Wyznaczenie promienia okręgu wpisanego \(r\) (dwoma sposobami):
• Sposób I (ze związku pola trójkąta z promieniem okręgu wpisanego):
Dla dowolnego trójkąta zachodzi relacja \(P = p \cdot r\), gdzie \(p\) to połowa obwodu: $$\begin{aligned} 84 &= 28 \cdot r \quad \Big/ : 28 \\[8pt] r &= \dfrac{84}{28} = 3\text{ dm} \end{aligned}$$ • Sposób II (ze wzoru na promień okręgu wpisanego w trójkąt prostokątny):
Dla trójkąta prostokątnego o przyprostokątnych \(a, b\) i przeciwprostokątnej \(c\): $$\begin{aligned} r &= \dfrac{a + b - c}{2} \\[8pt] &= \dfrac{7 + 24 - 25}{2} \\[8pt] &= \dfrac{31 - 25}{2} = \dfrac{6}{2} = 3\text{ dm} \end{aligned}$$ -
Wyznaczenie promienia okręgu opisanego \(R\):
W trójkącie prostokątnym kąt prosty wpisany w okrąg opiera się na średnicy tego okręgu. Oznacza to, że przeciwprostokątna \(c\) jest średnicą okręgu opisanego (\(2R = c\)): $$\begin{aligned} R &= \dfrac{c}{2} \\[8pt] &= \dfrac{25}{2} = 12{,}5\text{ dm} \end{aligned}$$ Można to również potwierdzić ogólnym wzorem na promień okręgu opisanego: $$\begin{aligned} R &= \dfrac{a \cdot b \cdot c}{4P} \\[8pt] &= \dfrac{7 \cdot 24 \cdot 25}{4 \cdot 84} = \dfrac{4200}{336} = \dfrac{25}{2} = 12{,}5\text{ dm} \end{aligned}$$ -
Rysunek wynikowy z naniesionym okręgiem wpisanym i opisanym:
Poniższy szkic przedstawia trójkąt prostokątny wraz ze środkami obu okręgów oraz promieniami \(r = 3\text{ dm}\) i \(R = 12{,}5\text{ dm}\).
Odpowiedź:
Pole powierzchni trójkąta: \(P = 84\text{ dm}^2\)
Promień okręgu wpisanego: \(r = 3\text{ dm}\)
Promień okręgu opisanego: \(R = \dfrac{25}{2}\text{ dm} = 12{,}5\text{ dm}\)
Pole powierzchni trójkąta: \(P = 84\text{ dm}^2\)
Promień okręgu wpisanego: \(r = 3\text{ dm}\)
Promień okręgu opisanego: \(R = \dfrac{25}{2}\text{ dm} = 12{,}5\text{ dm}\)
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 3 (3 pkt)
Rozważ trójkąt prostokątny, w którym jedna z przyprostokątnych stanowi \(\dfrac{3}{5}\) długości przeciwprostokątnej. Wyznacz stosunek pola koła wpisanego w ten trójkąt do pola koła opisanego na nim.
\(\dfrac{4}{25}\) (czyli \(4 : 25\))
Wskazówki:
- Oznacz długości boków trójkąta prostokątnego za pomocą jednej zmiennej pomocniczej: przeciwprostokątną jako \(c = 5x\), a jedną z przyprostokątnych jako \(a = 3x\).
- Drugą przyprostokątną \(b\) wyznacz bezpośrednio z twierdzenia Pitagorasa: \(a^2 + b^2 = c^2\).
- W trójkącie prostokątnym o przyprostokątnych \(a, b\) i przeciwprostokątnej \(c\):
- promień okręgu opisanego to połowa przeciwprostokątnej: \(R = \dfrac{c}{2}\),
- promień okręgu wpisanego obliczamy ze wzoru: \(r = \dfrac{a + b - c}{2}\) lub ze związku \(P = p \cdot r\).
- Stosunek pól kół o promieniach \(r\) i \(R\) jest równy kwadratowi stosunku ich promieni: $$\dfrac{P_w}{P_o} = \dfrac{\pi r^2}{\pi R^2} = \left(\dfrac{r}{R}\right)^2$$
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i wyznaczenie długości boków trójkąta:
Niech \(c\) oznacza długość przeciwprostokątnej trójkąta prostokątnego, a \(a\) i \(b\) długości jego przyprostokątnych. Z treści zadania jedna z przyprostokątnych wynosi: $$a = \dfrac{3}{5}c$$ Dla wygody rachunków przyjmijmy \(c = 5x\) (gdzie \(x > 0\)). Wtedy: $$a = \dfrac{3}{5} \cdot 5x = 3x$$Długość drugiej przyprostokątnej \(b\) obliczamy z twierdzenia Pitagorasa: $$\begin{aligned} a^2 + b^2 &= c^2 \\[8pt] (3x)^2 + b^2 &= (5x)^2 \\[8pt] 9x^2 + b^2 &= 25x^2 \\[8pt] b^2 &= 25x^2 - 9x^2 \\[8pt] b^2 &= 16x^2 \\[8pt] b &= \sqrt{16x^2} = 4x \end{aligned}$$ Boki badanego trójkąta tworzą klasyczny trójkąt pitagorejski o stosunku długości boków \(3 : 4 : 5\). -
Sposób I – Wyznaczenie promieni ze standardowych własności trójkąta prostokątnego:
Promień \(R\) koła opisanego na trójkącie prostokątnym jest równy połowie długości przeciwprostokątnej: $$\begin{aligned} R &= \dfrac{c}{2} = \dfrac{5x}{2} \end{aligned}$$ Promień \(r\) koła wpisanego w trójkąt prostokątny wyraża się wzorem: $$\begin{aligned} r &= \dfrac{a + b - c}{2} \\[8pt] &= \dfrac{3x + 4x - 5x}{2} \\[8pt] &= \dfrac{2x}{2} \\[8pt] &= x \end{aligned}$$ Wyznaczamy pole koła wpisanego \(P_w\) oraz pole koła opisanego \(P_o\): $$\begin{aligned} P_w &= \pi r^2 = \pi \cdot x^2 = \pi x^2 \\[8pt] P_o &= \pi R^2 = \pi \cdot \left(\dfrac{5x}{2}\right)^2 = \pi \cdot \dfrac{25x^2}{4} = \dfrac{25}{4}\pi x^2 \end{aligned}$$ Obliczamy stosunek pola koła wpisanego do pola koła opisanego: $$\begin{aligned} \dfrac{P_w}{P_o} &= \dfrac{\pi x^2}{\dfrac{25}{4}\pi x^2} \\[8pt] &= \dfrac{1}{\dfrac{25}{4}} \\[8pt] &= \dfrac{4}{25} \end{aligned}$$ -
Sposób II – Wyznaczenie promienia koła wpisanego z pola trójkąta i obwodu:
Pole trójkąta prostokątnego obliczamy jako połowę iloczynu przyprostokątnych: $$\begin{aligned} P &= \dfrac{1}{2} \cdot a \cdot b = \dfrac{1}{2} \cdot 3x \cdot 4x = 6x^2 \end{aligned}$$ Obwód trójkąta \(L\) wynosi: $$\begin{aligned} L &= a + b + c = 3x + 4x + 5x = 12x \end{aligned}$$ Połowa obwodu trójkąta to: $$\begin{aligned} p &= \dfrac{L}{2} = \dfrac{12x}{2} = 6x \end{aligned}$$ Korzystamy ze związku łączącego pole trójkąta z promieniem koła wpisanego \(P = p \cdot r\): $$\begin{aligned} r &= \dfrac{P}{p} = \dfrac{6x^2}{6x} = x \end{aligned}$$ Stosunek pól dwóch kół jest równy kwadratowi stosunku ich promieni: $$\begin{aligned} \dfrac{P_w}{P_o} &= \left(\dfrac{r}{R}\right)^2 = \left(\dfrac{x}{\dfrac{5}{2}x}\right)^2 = \left(\dfrac{2}{5}\right)^2 = \dfrac{4}{25} \end{aligned}$$ -
Rysunek wynikowy z naniesionymi kołami wpisanym i opisanym:
Środek koła opisanego \(S_o\) leży w środku przeciwprostokątnej \(AB\), natomiast środek koła wpisanego \(S_w\) leży w odległości \(r = x\) od obu przyprostokątnych:
Odpowiedź:
Stosunek pola koła wpisanego do pola koła opisanego wynosi \(\dfrac{4}{25}\) (czyli \(4 : 25\)).
Stosunek pola koła wpisanego do pola koła opisanego wynosi \(\dfrac{4}{25}\) (czyli \(4 : 25\)).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 4 (5 pkt)
W trójkącie, którego boki mają długości \(a = 8\), \(b = 4\sqrt{6}\), a kąt naprzeciwko boku \(a\) wynosi \(\alpha = 45^\circ\), oblicz kąty \(\beta\), \(\gamma\) oraz długość boku \(c\).
Zadanie ma dwa rozwiązania (istnieją dwa trójkąty spełniające warunki):
Przypadek 1 (trójkąt ostrokątny):
\(\beta = 60^\circ\), \(\gamma = 75^\circ\), \(c = 4\sqrt{3} + 4 = 4(\sqrt{3} + 1)\)
Przypadek 2 (trójkąt rozwartokątny):
\(\beta = 120^\circ\), \(\gamma = 15^\circ\), \(c = 4\sqrt{3} - 4 = 4(\sqrt{3} - 1)\)
Przypadek 1 (trójkąt ostrokątny):
\(\beta = 60^\circ\), \(\gamma = 75^\circ\), \(c = 4\sqrt{3} + 4 = 4(\sqrt{3} + 1)\)
Przypadek 2 (trójkąt rozwartokątny):
\(\beta = 120^\circ\), \(\gamma = 15^\circ\), \(c = 4\sqrt{3} - 4 = 4(\sqrt{3} - 1)\)
Wskazówki:
- Zastosuj twierdzenie sinusów: \(\dfrac{a}{\sin\alpha} = \dfrac{b}{\sin\beta}\), aby wyznaczyć wartość \(\sin\beta\).
- Dla wyznaczonej wartości \(\sin\beta\) w przedziale kątów trójkąta \((0^\circ, 180^\circ)\) istnieją dwa możliwe kąty: kąt ostry \(\beta_1\) oraz kąt rozwarty \(\beta_2 = 180^\circ - \beta_1\). Sprawdź, czy suma \(\alpha + \beta\) jest w obu przypadkach mniejsza niż \(180^\circ\).
- Kąt \(\gamma\) oblicz z sumy miar kątów w trójkącie (\(\gamma = 180^\circ - (\alpha + \beta)\)). Długość boku \(c\) wyznacz za pomocą twierdzenia sinusów lub twierdzenia cosinusów.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i analiza wyjściowych danych:
W trójkącie \(ABC\) standardowo oznaczamy boki i leżące naprzeciw nich kąty: $$|BC| = a = 8, \quad |AC| = b = 4\sqrt{6}, \quad |AB| = c$$ $$\sphericalangle CAB = \alpha = 45^\circ, \quad \sphericalangle ABC = \beta, \quad \sphericalangle BCA = \gamma$$ Zauważmy, że \(b = 4\sqrt{6} = \sqrt{96} \approx 9{,}80\), zatem \(b > a\). Ponieważ naprzeciw większego boku musi leżeć większy kąt, zachodzi \(\beta > \alpha = 45^\circ\). -
Wyznaczenie wartości kąta \(\beta\) za pomocą twierdzenia sinusów:
Zgodnie z twierdzeniem sinusów: $$\dfrac{a}{\sin\alpha} = \dfrac{b}{\sin\beta}$$ Podstawiamy dane zadania \(a = 8\), \(b = 4\sqrt{6}\) oraz \(\sin 45^\circ = \dfrac{\sqrt{2}}{2}\): $$\dfrac{8}{\dfrac{\sqrt{2}}{2}} = \dfrac{4\sqrt{6}}{\sin\beta}$$ $$\begin{aligned} \dfrac{16}{\sqrt{2}} &= \dfrac{4\sqrt{6}}{\sin\beta} \\[8pt] 8\sqrt{2} &= \dfrac{4\sqrt{6}}{\sin\beta} \end{aligned}$$ Wyznaczamy \(\sin\beta\): $$\begin{aligned} \sin\beta &= \dfrac{4\sqrt{6}}{8\sqrt{2}} \\[8pt] &= \dfrac{1}{2} \cdot \sqrt{\dfrac{6}{2}} \\[8pt] &= \dfrac{\sqrt{3}}{2} \end{aligned}$$ Wykres funkcji sinus w przedziale \((0^\circ, 180^\circ)\) osiąga wartość \(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\) dla dwóch kątów:Otrzymujemy dwa potencjalne kąty: $$\beta_1 = 60^\circ \quad \text{lub} \quad \beta_2 = 180^\circ - 60^\circ = 120^\circ$$ Weryfikujemy warunek istnienia trójkąta z kątem \(\alpha = 45^\circ\):
• Dla \(\beta_1 = 60^\circ\): \(\alpha + \beta_1 = 45^\circ + 60^\circ = 105^\circ < 180^\circ\) (warunek spełniony),
• Dla \(\beta_2 = 120^\circ\): \(\alpha + \beta_2 = 45^\circ + 120^\circ = 165^\circ < 180^\circ\) (warunek spełniony).
Oba przypadki są geometrycznie poprawne. -
Rozpatrzenie Przypadku 1 (\(\beta = 60^\circ\) – trójkąt ostrokątny):
Obliczamy miarę kąta \(\gamma_1\): $$\gamma_1 = 180^\circ - (\alpha + \beta_1) = 180^\circ - (45^\circ + 60^\circ) = 75^\circ$$ Długość boku \(c_1\) wyznaczamy na dwa sposoby:
• Sposób I – Twierdzenie cosinusów dla boku \(a\):
Zapisujemy równanie cosinusów względem boku leżącego naprzeciw kąta \(\alpha = 45^\circ\): $$a^2 = b^2 + c^2 - 2bc\cos\alpha$$ Wstawiamy wartości liczbowe: $$\begin{aligned} 8^2 &= (4\sqrt{6})^2 + c^2 - 2 \cdot 4\sqrt{6} \cdot c \cdot \cos 45^\circ \\[8pt] 64 &= 96 + c^2 - 8\sqrt{6} \cdot c \cdot \dfrac{\sqrt{2}}{2} \\[8pt] 64 &= 96 + c^2 - 4\sqrt{12} \cdot c \\[8pt] 64 &= 96 + c^2 - 8\sqrt{3} \cdot c \end{aligned}$$ Porządkujemy równanie kwadratowe zmiennej \(c\): $$c^2 - 8\sqrt{3}c + 32 = 0$$ Obliczamy wyróżnik: $$\begin{aligned} \Delta &= (-8\sqrt{3})^2 - 4 \cdot 1 \cdot 32 \\[8pt] &= 192 - 128 = 64 \\[8pt] \sqrt{\Delta} &= 8 \end{aligned}$$ Ponieważ w Przypadku 1 kąt \(\gamma_1 = 75^\circ\) jest największym kątem w trójkącie, bok \(c_1\) musi być większy niż \(b = 4\sqrt{6} \approx 9{,}8\): $$c_1 = \dfrac{8\sqrt{3} + 8}{2} = 4\sqrt{3} + 4 = 4(\sqrt{3} + 1) \approx 10{,}93$$ • Sposób II – Twierdzenie sinusów z użyciem \(\sin 75^\circ\):
Wartość \(\sin 75^\circ\) wyznaczamy ze wzoru na sinus sumy kątów: $$\begin{aligned} \sin 75^\circ &= \sin(45^\circ + 30^\circ) \\[8pt] &= \sin 45^\circ\cos 30^\circ + \cos 45^\circ\sin 30^\circ \\[8pt] &= \dfrac{\sqrt{2}}{2} \cdot \dfrac{\sqrt{3}}{2} + \dfrac{\sqrt{2}}{2} \cdot \dfrac{1}{2} = \dfrac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4} \end{aligned}$$ Z twierdzenia sinusów: $$\begin{aligned} \dfrac{c_1}{\sin 75^\circ} &= \dfrac{a}{\sin 45^\circ} \\[8pt] c_1 &= \dfrac{8}{\dfrac{\sqrt{2}}{2}} \cdot \sin 75^\circ \\[8pt] &= 8\sqrt{2} \cdot \dfrac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4} \\[8pt] &= 2\sqrt{2}(\sqrt{6} + \sqrt{2}) = 2\sqrt{12} + 4 = 4\sqrt{3} + 4 \end{aligned}$$ -
Rozpatrzenie Przypadku 2 (\(\beta = 120^\circ\) – trójkąt rozwartokątny):
Obliczamy miarę kąta \(\gamma_2\): $$\gamma_2 = 180^\circ - (\alpha + \beta_2) = 180^\circ - (45^\circ + 120^\circ) = 15^\circ$$ W tym przypadku kąt \(\gamma_2 = 15^\circ\) jest najmniejszym kątem w trójkącie, zatem odpowiadający mu bok \(c_2\) jest mniejszym z pierwiastków wcześniej wyznaczonego równania kwadratowego: $$c_2 = \dfrac{8\sqrt{3} - 8}{2} = 4\sqrt{3} - 4 = 4(\sqrt{3} - 1) \approx 2{,}93$$ Weryfikacja za pomocą twierdzenia sinusów z użyciem \(\sin 15^\circ = \sin(45^\circ - 30^\circ) = \dfrac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4}\): $$\begin{aligned} c_2 &= 8\sqrt{2} \cdot \sin 15^\circ \\[8pt] &= 8\sqrt{2} \cdot \dfrac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4} \\[8pt] &= 2\sqrt{2}(\sqrt{6} - \sqrt{2}) \\[8pt] &= 2\sqrt{12} - 4 = 4\sqrt{3} - 4 \end{aligned}$$ -
Rysunek wynikowy ilustrujący oba otrzymane trójkąty:
Odcinek \(AC\) o długości \(4\sqrt{6}\) oraz promień \(BC = 8\) tworzą dwa punkty przecięcia \(B_1\) i \(B_2\) z ramieniem kąta \(45^\circ\):
Odpowiedź:
Przypadek 1: \(\beta = 60^\circ\), \(\gamma = 75^\circ\), \(c = 4\sqrt{3} + 4\)
Przypadek 2: \(\beta = 120^\circ\), \(\gamma = 15^\circ\), \(c = 4\sqrt{3} - 4\)
Przypadek 1: \(\beta = 60^\circ\), \(\gamma = 75^\circ\), \(c = 4\sqrt{3} + 4\)
Przypadek 2: \(\beta = 120^\circ\), \(\gamma = 15^\circ\), \(c = 4\sqrt{3} - 4\)
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 5 (3 pkt)
Dwa boki trójkąta mają długość \(a = 3\text{ cm}\), \(b = 5\text{ cm}\), a kąt między nimi ma miarę \(60^\circ\). Oblicz sinusy pozostałych kątów tego trójkąta.
Sinus kąta leżącego naprzeciw boku \(a = 3\text{ cm}\):
\(\sin \alpha = \dfrac{3\sqrt{57}}{38}\)
Sinus kąta leżącego naprzeciw boku \(b = 5\text{ cm}\):
\(\sin \beta = \dfrac{5\sqrt{57}}{38}\)
\(\sin \alpha = \dfrac{3\sqrt{57}}{38}\)
Sinus kąta leżącego naprzeciw boku \(b = 5\text{ cm}\):
\(\sin \beta = \dfrac{5\sqrt{57}}{38}\)
Wskazówki:
- Mając dane dwa boki oraz kąt między nimi, długość trzeciego boku \(c\) można wyznaczyć z twierdzenia cosinusów: \(c^2 = a^2 + b^2 - 2ab \cos \gamma\). Pamiętaj, że \(\cos 60^\circ = \dfrac{1}{2}\).
- Po wyznaczeniu długości trzeciego boku \(c = \sqrt{19}\text{ cm}\), sinusy pozostałych kątów (\(\alpha\) leżącego naprzeciw boku \(a\) oraz \(\beta\) leżącego naprzeciw boku \(b\)) najprościej obliczyć z twierdzenia sinusów: \(\dfrac{a}{\sin \alpha} = \dfrac{b}{\sin \beta} = \dfrac{c}{\sin \gamma}\).
- Pamiętaj o usunięciu niewymierności z mianowników otrzymanych ułamków.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i wyznaczenie długości trzeciego boku \(c\) z twierdzenia cosinusów:
W trójkącie przyjmijmy standardowe oznaczenia:- \(a = 3\text{ cm}\) – bok leżący naprzeciw kąta \(\alpha\),
- \(b = 5\text{ cm}\) – bok leżący naprzeciw kąta \(\beta\),
- \(\gamma = 60^\circ\) – kąt zawarty między bokami \(a\) i \(b\),
- \(c\) – trzeci bok trójkąta leżący naprzeciw kąta \(\gamma\).
-
Sposób I – Obliczenie \(\sin \alpha\) oraz \(\sin \beta\) z twierdzenia sinusów:
Zgodnie z twierdzeniem sinusów stosunek długości boku trójkąta do sinusa kąta leżącego naprzeciw tego boku jest stały: $$ \dfrac{a}{\sin \alpha} = \dfrac{b}{\sin \beta} = \dfrac{c}{\sin \gamma} $$ Wstawiamy znane wartości \(c = \sqrt{19}\) oraz \(\sin \gamma = \sin 60^\circ = \dfrac{\sqrt{3}}{2}\): $$ \dfrac{c}{\sin \gamma} = \dfrac{\sqrt{19}}{\dfrac{\sqrt{3}}{2}} = \dfrac{2\sqrt{19}}{\sqrt{3}} $$ Wyznaczamy \(\sin \alpha\) (kąta naprzeciw boku \(a = 3\)): $$ \begin{aligned} \dfrac{a}{\sin \alpha} &= \dfrac{c}{\sin \gamma} \\[8pt] \sin \alpha &= \dfrac{a \cdot \sin \gamma}{c} \\[8pt] &= \dfrac{3 \cdot \dfrac{\sqrt{3}}{2}}{\sqrt{19}} = \dfrac{3\sqrt{3}}{2\sqrt{19}} \end{aligned} $$ Usuwamy niewymierność z mianownika, mnożąc licznik i mianownik przez \(\sqrt{19}\): $$ \begin{aligned} \sin \alpha &= \dfrac{3\sqrt{3} \cdot \sqrt{19}}{2 \cdot 19} \\[8pt] &= \dfrac{3\sqrt{57}}{38} \end{aligned} $$ Wyznaczamy \(\sin \beta\) (kąta naprzeciw boku \(b = 5\)): $$ \begin{aligned} \sin \beta &= \dfrac{b \cdot \sin \gamma}{c} \\[8pt] &= \dfrac{5 \cdot \dfrac{\sqrt{3}}{2}}{\sqrt{19}} = \dfrac{5\sqrt{3}}{2\sqrt{19}} \end{aligned} $$ Usuwamy niewymierność z mianownika: $$ \begin{aligned} \sin \beta &= \dfrac{5\sqrt{3} \cdot \sqrt{19}}{2 \cdot 19} \\[8pt] &= \dfrac{5\sqrt{57}}{38} \end{aligned} $$ -
Sposób II – Wykorzystanie pola trójkąta:
Pole trójkąta o danych bokach \(a = 3\), \(b = 5\) i kącie \(\gamma = 60^\circ\) wynosi: $$ P = \dfrac{1}{2} a b \sin \gamma = \dfrac{1}{2} \cdot 3 \cdot 5 \cdot \sin 60^\circ = \dfrac{15}{2} \cdot \dfrac{\sqrt{3}}{2} = \dfrac{15\sqrt{3}}{4} $$ To samo pole możemy wyrazić za pomocą pozostałych par boków: $$ P = \dfrac{1}{2} b c \sin \alpha \implies \dfrac{15\sqrt{3}}{4} = \dfrac{1}{2} \cdot 5 \cdot \sqrt{19} \cdot \sin \alpha $$ Wyznaczamy \(\sin \alpha\): $$ \begin{aligned} \sin \alpha &= \dfrac{\dfrac{15\sqrt{3}}{4}}{\dfrac{5\sqrt{19}}{2}} \\[8pt] &= \dfrac{15\sqrt{3}}{4} \cdot \dfrac{2}{5\sqrt{19}} \\[8pt] &= \dfrac{3\sqrt{3}}{2\sqrt{19}} = \dfrac{3\sqrt{57}}{38} \end{aligned} $$ Podobnie dla kąta \(\beta\): $$ P = \dfrac{1}{2} a c \sin \beta \implies \dfrac{15\sqrt{3}}{4} = \dfrac{1}{2} \cdot 3 \cdot \sqrt{19} \cdot \sin \beta $$ $$ \begin{aligned} \sin \beta &= \dfrac{\dfrac{15\sqrt{3}}{4}}{\dfrac{3\sqrt{19}}{2}} \\[8pt] &= \dfrac{15\sqrt{3}}{4} \cdot \dfrac{2}{3\sqrt{19}} \\[8pt] &= \dfrac{5\sqrt{3}}{2\sqrt{19}} = \dfrac{5\sqrt{57}}{38} \end{aligned} $$ Obie metody dają identyczne rezultaty.
Odpowiedź:
\(\sin \alpha = \dfrac{3\sqrt{57}}{38}\)
\(\sin \beta = \dfrac{5\sqrt{57}}{38}\)
\(\sin \alpha = \dfrac{3\sqrt{57}}{38}\)
\(\sin \beta = \dfrac{5\sqrt{57}}{38}\)
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
W wycinek koła o promieniu $18\,\text{cm}$ wpisano okrąg o promieniu $6\,\text{cm}$. Oblicz pole wycinka koła.
$54\pi\,\text{cm}^2$
Zadanie 2 (3 pkt)
Trójkąt ma boki o długościach \(9\,\text{dm},\ 40\,\text{dm}\) i \(41\,\text{dm}\). Oblicz jego pole powierzchni. Następnie wyznacz promień okręgu wpisanego w ten trójkąt oraz promień okręgu opisanego na nim.
Pole: $\frac{1}{2} \cdot 9 \cdot 40 = 180 \text{ dm}^2$
Promień wpisany: $r = \frac{180}{45} = 4 \text{ dm}$
Promień opisany: $R = \frac{41}{2} = 20{,}5 \text{ dm}$
Zadanie 3 (3 pkt)
Rozważ trójkąt prostokątny, w którym jedna z przyprostokątnych stanowi $\frac{4}{5}$ długości przeciwprostokątnej. Wyznacz stosunek pola koła wpisanego w ten trójkąt do pola koła opisanego na nim.
$\frac{4}{25}$
Zadanie 4 (5 pkt)
Wyznacz kąty $\beta, \gamma$ i bok $c$ trójkąta wiedząc, że naprzeciw boków $a, b, c$ leżą kąty odpowiednio $\alpha, \beta, \gamma$ oraz $\alpha = 45^\circ, b = 5\sqrt{6}, a = 10$.
Kąt $\beta = 60^\circ$,
Kąt $\gamma = 75^\circ$,
Bok $c = 5+5\sqrt{3}$.
lub
Kąt $\beta = 120^\circ$,
Kąt $\gamma = 15^\circ$,
Bok $c = -5+5\sqrt{3}$.
Zadanie 5 (3 pkt)
Dwa boki trójkąta mają długość $a = 4$ cm, $b = 5$ cm, a kąt między nimi ma miarę $60^\circ$. Oblicz sinusy pozostałych kątów tego trójkąta.
$\sin \alpha = \frac{2\sqrt{7}}{7}$ i $\sin \beta = \frac{5\sqrt{7}}{14}$
