12.6 Symetralne boków trójkąta. Okrąg opisany na trójkącie
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
W trójkącie prostokątnym $ABC$ długości przyprostokątnych $AC$ i $BC$ wynoszą odpowiednio $5$ i $12$. Punkt $P$ to punkt przecięcia symetralnej odcinka $BC$ z przeciwprostokątną $AB$. Oblicz odległość punktu $P$ od wierzchołków $B$ i $C$.
Odległość punktu $P$ od wierzchołka $B$ wynosi $PB = 6.5$, a odległość punktu $P$ od wierzchołka $C$ wynosi $PC = 6.5$.
WSKAZÓWKI:
1) Rozpocznij od obliczenia długości przeciwprostokątnej $AB$ trójkąta $ABC$. Skorzystaj w tym celu z twierdzenia Pitagorasa:$$AC^{2} + BC^{2} = AB^{2}$$gdzie $AC = 5$ oraz $BC = 12$.
2) Zauważ, że symetralna boku $BC$ jest prostą prostopadłą do tego boku i przechodzi przez jego środek (oznaczmy go jako $M$). Ponieważ bok $AC$ jest również prostopadły do boku $BC$ (wynika to z prostokątności trójkąta), symetralna jest równoległa do boku $AC$.
3) Wykorzystaj twierdzenie Talesa lub podobieństwo trójkątów. Trójkąt utworzony przez wierzchołek $B$, środek boku $BC$ (punkt $M$) oraz punkt $P$ jest podobny do dużego trójkąta $ABC$. Ułóż odpowiednią proporcję, aby wyznaczyć długość odcinka $PB$.
4) Przypomnij sobie kluczową własność symetralnej odcinka: każdy punkt leżący na symetralnej jest równo oddalony od końców tego odcinka. Oznacza to, że odległość punktu $P$ od punktu $B$ musi być taka sama jak odległość punktu $P$ od punktu $C$.
ROZWIĄZANIE:
a) Obliczanie długości przeciwprostokątnej $AB$.
W trójkącie prostokątnym $ABC$ znamy długości przyprostokątnych $AC = 5$ oraz $BC = 12$. Stosujemy twierdzenie Pitagorasa:$$AC^{2} + BC^{2} = AB^{2}$$Podstawiamy dane liczbowe do wzoru:$$5^{2} + 12^{2} = AB^{2}$$Obliczamy kwadraty liczb $5$ oraz $12$:$$25 + 144 = AB^{2}$$Dodajemy te liczby do siebie:$$169 = AB^{2}$$Aby wyznaczyć długość boku $AB$, wyciągamy pierwiastek kwadratowy z liczby $169$:$$AB = \sqrt{169} = 13$$b) Analiza położenia punktu $P$ i wyznaczenie środka boku $BC$.
Symetralna boku $BC$ przechodzi przez punkt $M$, który jest środkiem tego odcinka. Obliczamy długość odcinka $BM$:$$BM = \frac{1}{2} \cdot BC$$$$BM = \frac{1}{2} \cdot 12 = 6$$Ponieważ symetralna jest prostopadła do boku $BC$, a bok $AC$ również jest prostopadły do $BC$ (kąt przy wierzchołku $C$ jest prosty), to symetralna boku $BC$ jest równoległa do boku $AC$. Punkt $P$ leży na przeciwprostokątnej $AB$ oraz na tej symetralnej. Zatem odcinek $PM$ jest prostopadły do $BC$ i równoległy do $AC$.
c) Wykorzystanie podobieństwa trójkątów do obliczenia $|PB|$.
Rozważamy trójkąt $BPM$ oraz trójkąt $BAC$. Oba trójkąty są prostokątne (kąt $BMP$ wynosi $90$ stopni, podobnie jak kąt $BCA$) i mają wspólny kąt przy wierzchołku $B$. Na mocy cechy kąt-kąt-kąt trójkąty te są podobne. Możemy ułożyć proporcję długości odpowiadających sobie boków (przeciwprostokątna do przyprostokątnej leżącej na boku $BC$):$$\frac{PB}{AB} = \frac{BM}{BC}$$Podstawiamy znane nam wartości: $AB = 13$, $BM = 6$ oraz $BC = 12$:$$\frac{PB}{13} = \frac{6}{12}$$Upraszczamy ułamek po prawej stronie równania, dzieląc licznik i mianownik przez $6$:$$\frac{PB}{13} = \frac{1}{2}$$Aby wyznaczyć $PB$, mnożymy obie strony równania przez $13$:$$PB = 13 \cdot \frac{1}{2}$$$$PB = \frac{13}{2} = 6,5$$Odległość punktu $P$ od wierzchołka $B$ wynosi $6,5$.
d) Wyznaczenie odległości punktu $P$ od wierzchołka $C$.
Z definicji symetralnej odcinka wiemy, że każdy punkt na niej leżący jest w równej odległości od końców tego odcinka. Ponieważ punkt $P$ leży na symetralnej boku $BC$, jego odległość od punktu $B$ jest taka sama jak jego odległość od punktu $C$:$$|PC| = |PB|$$Podstawiamy wyliczoną wcześniej wartość $|PB| = 6,5$:$$|PC| = 6,5$$Odległość punktu $P$ od wierzchołka $C$ wynosi $6,5$.
Odpowiedź: Odległość punktu $P$ od wierzchołka $B$ wynosi $6,5$, a od wierzchołka $C$ również $6,5$.
Zadanie 2 (4 pkt)
W trójkącie równoramiennym $ABC$ boki mają długości: $AB = 30$ oraz $BC = AC = 25$. Symetralne boków $AB$ i $BC$ przecinają się w punkcie $P$. Oblicz, na jakie części punkt $P$ podzielił wysokość $CD$ opuszczoną z wierzchołka $C$.
Punkt $P$ podzielił wysokość $CD$ na dwie części: $PD = 4.375$ oraz $CP = 15.625$.
WSKAZÓWKI:
1) Rozpocznij od obliczenia wysokości $CD$ trójkąta równoramiennego $ABC$ opuszczonej na podstawę $AB$. Skorzystaj z faktu, że w trójkącie równoramiennym wysokość ta dzieli podstawę na dwie równe części, a następnie zastosuj twierdzenie Pitagorasa w jednym z powstałych trójkątów prostokątnych ($ADC$ lub $BDC$).
2) Zauważ, że punkt $P$ jest punktem przecięcia symetralnych boków trójkąta, co oznacza, że jest on środkiem okręgu opisanego na tym trójkącie. Z własności symetralnej wynika, że punkt $P$ leży na wysokości $CD$ (ponieważ wysokość ta jest jednocześnie symetralną podstawy $AB$) oraz jest równo oddalony od wszystkich wierzchołków trójkąta ($|AP| = |BP| = |CP|$).
3) Oznacz długość odcinka $|CP|$ jako niewiadomą $x$. Wówczas długość pozostałej części wysokości, czyli odcinka $|PD|$, będzie różnicą między całą wysokością $|CD|$ a odcinkiem $x$.
4) Zastosuj twierdzenie Pitagorasa w trójkącie prostokątnym $PDB$. Wykorzystaj wyznaczoną długość odcinka $DB$ oraz wyrażenia opisujące boki $PD$ i $PB$ (pamiętając, że $|PB| = |CP| = x$), aby ułożyć i rozwiązać równanie z jedną niewiadomą.
ROZWIĄZANIE:
a) Obliczanie wysokości $CD$ trójkąta.
W trójkącie równoramiennym $ABC$ o podstawie $AB = 30$ i ramionach $AC = BC = 25$, wysokość $CD$ opuszczona na podstawę dzieli ją na dwa równe odcinki. Punkt $D$ jest środkiem boku $AB$, więc długość odcinka $AD$ oraz $DB$ wynosi:$$|AD| = |DB| = \frac{1}{2} \cdot 30 = 15$$Rozważamy trójkąt prostokątny $ADC$. Z twierdzenia Pitagorasa mamy zależność:$$|AD|^{2} + |CD|^{2} = |AC|^{2}$$Podstawiamy znane wartości $|AD| = 15$ oraz $|AC| = 25$:$$15^{2} + |CD|^{2} = 25^{2}$$Wykonujemy potęgowanie liczb:$$225 + |CD|^{2} = 625$$Przenosimy liczbę $225$ na prawą stronę równania ze zmianą znaku:$$|CD|^{2} = 625 - 225$$$$|CD|^{2} = 400$$Wyciągamy pierwiastek kwadratowy:$$|CD| = \sqrt{400} = 20$$Cała wysokość trójkąta ma długość $20$.
b) Określenie zależności między odcinkami na wysokości.
Punkt $P$ leży na symetralnej boku $AB$, którą jest linia zawierająca wysokość $CD$. Punkt $P$ leży również na symetralnej boku $BC$. Z własności symetralnych wiemy, że punkt ich przecięcia jest równo oddalony od wierzchołków trójkąta. Zatem:$$|CP| = |BP|$$Oznaczmy długość odcinka $|CP|$ jako $x$. Ponieważ punkt $P$ leży na odcinku $CD$, to odcinek $|PD|$ możemy zapisać jako różnicę całej wysokości i odcinka $x$:$$|CP| = x$$$$|PD| = 20 - x$$Długość odcinka $|BP|$ jest taka sama jak $|CP|$, czyli:$$|BP| = x$$c) Zastosowanie twierdzenia Pitagorasa w trójkącie $PDB$ i rozwiązanie równania.
W trójkącie prostokątnym $PDB$ znamy długości boku $|DB| = 15$ oraz wyrażenia opisujące pozostałe boki: $|PD| = 20 - x$ oraz $|BP| = x$. Z twierdzenia Pitagorasa otrzymujemy:$$|PD|^{2} + |DB|^{2} = |BP|^{2}$$Podstawiamy nasze wyrażenia:$$\left(20 - x\right)^{2} + 15^{2} = x^{2}$$Stosujemy wzór skróconego mnożenia na kwadrat różnicy dla wyrażenia $\left(20 - x\right)^{2}$:$$400 - 40x + x^{2} + 225 = x^{2}$$Po obu stronach równania występuje wyraz $x^{2}$, więc możemy go odjąć od obu stron. Dodajemy do siebie liczby $400$ i $225$:$$625 - 40x = 0$$Przenosimy wyrażenie z niewiadomą na prawą stronę zmieniając znak:$$625 = 40x$$Dzielimy obie strony równania przez $40$:$$x = \frac{625}{40}$$Skracamy ułamek przez $5$:$$x = \frac{125}{8}$$Wykonujemy dzielenie, aby otrzymać postać dziesiętną:$$x = 15,625$$d) Wyznaczenie obu części wysokości.
Pierwsza część wysokości to odcinek $|CP|$, który oznaczyliśmy jako $x$:$$|CP| = 15,625$$Druga część wysokości to odcinek $|PD|$, który obliczamy odejmując $x$ od całej wysokości:$$|PD| = 20 - 15,625 = 4,375$$Odpowiedź: Punkt $P$ podzielił wysokość na odcinki o długościach $15,625$ oraz $4,375$.
Zadanie 3 (3 pkt)
Dany jest trójkąt równoramienny $ABC$, w którym $|AB| = 16$, a ramiona mają długość $|AC| = |BC| = 10$. Wyznacz promień okręgu opisanego na tym trójkącie.
Promień okręgu opisanego na tym trójkącie wynosi $R = \frac{25}{3}$.
Aby wyznaczyć promień okręgu opisanego na trójkącie, najpierw obliczamy jego wysokość, a następnie pole.
1) Obliczenie wysokości $h$ trójkąta:
Trójkąt równoramienny $ABC$ ma podstawę $|AB| = 16$ i ramiona $|AC| = |BC| = 10$. Wysokość $h$ opuszczona z wierzchołka $C$ na podstawę $AB$ dzieli ją na dwie równe części, każda o długości $8$. Korzystamy z twierdzenia Pitagorasa dla trójkąta prostokątnego utworzonego przez ramię, połowę podstawy i wysokość:
\[
h^2 + 8^2 = 10^2
\]
\[
h^2 + 64 = 100
\]
\[
h^2 = 100 - 64
\]
\[
h^2 = 36
\]
\[
h = 6
\]
2) Obliczenie pola $K$ trójkąta:
Pole trójkąta obliczamy ze wzoru $K = \frac{1}{2} \cdot \text{podstawa} \cdot \text{wysokość}$.
\[
K = \frac{1}{2} \cdot |AB| \cdot h
\]
\[
K = \frac{1}{2} \cdot 16 \cdot 6
\]
\[
K = 8 \cdot 6
\]
\[
K = 48
\]
3) Obliczenie promienia $R$ okręgu opisanego:
Promień okręgu opisanego na trójkącie obliczamy ze wzoru $R = \frac{abc}{4K}$, gdzie $a, b, c$ to długości boków trójkąta, a $K$ to jego pole.
\[
R = \frac{|AC| \cdot |BC| \cdot |AB|}{4K}
\]
\[
R = \frac{10 \cdot 10 \cdot 16}{4 \cdot 48}
\]
\[
R = \frac{1600}{192}
\]
\[
R = \frac{25}{3}
\]
Zadanie 4 (4 pkt)
W trójkącie ostrokątnym ABC boki AC i BC mają odpowiednio długość 25 cm i 29 cm, a wysokość CD jest równa 20 cm. Oblicz odległość punktu D od symetralnej boku AB.
Odległość punktu $D$ od symetralnej boku $AB$ wynosi $3 \ \text{cm}$.
Wysokość $CD$ dzieli trójkąt ostrokątny $ABC$ na dwa trójkąty prostokątne: $ADC$ i $BDC$.
1. Obliczamy długość odcinka $AD$ w trójkącie prostokątnym $ADC$, korzystając z twierdzenia Pitagorasa:
\[ AD^2 + CD^2 = AC^2 \]
\[ AD^2 + 20^2 = 25^2 \]
\[ AD^2 + 400 = 625 \]
\[ AD^2 = 625 - 400 \]
\[ AD^2 = 225 \]
\[ AD = 15 \ \text{cm} \]
2. Obliczamy długość odcinka $DB$ w trójkącie prostokątnym $BDC$, korzystając z twierdzenia Pitagorasa:
\[ DB^2 + CD^2 = BC^2 \]
\[ DB^2 + 20^2 = 29^2 \]
\[ DB^2 + 400 = 841 \]
\[ DB^2 = 841 - 400 \]
\[ DB^2 = 441 \]
\[ DB = 21 \ \text{cm} \]
3. Obliczamy długość boku $AB$:
\[ AB = AD + DB \]
\[ AB = 15 \ \text{cm} + 21 \ \text{cm} \]
\[ AB = 36 \ \text{cm} \]
4. Symetralna boku $AB$ przechodzi przez jego środek. Oznaczmy środek boku $AB$ jako $M$.
\[ AM = MB = \frac{AB}{2} \]
\[ AM = \frac{36 \ \text{cm}}{2} \]
\[ AM = 18 \ \text{cm} \]
5. Odległość punktu $D$ od symetralnej boku $AB$ to długość odcinka $DM$.
\[ DM = |AD - AM| \]
\[ DM = |15 \ \text{cm} - 18 \ \text{cm}| \]
\[ DM = |-3 \ \text{cm}| \]
\[ DM = 3 \ \text{cm} \]
Zadanie 5 (5 pkt)
Boki trójkąta mają długość: 7 cm, 15 cm, 20 cm.
a) Jak jest położony względem tego trójkąta środek okręgu opisanego na nim?
b) Wiedząc, że promień okręgu opisanego na tym trójkącie jest równy $12.5$ cm, oblicz odległości środka tego okręgu od boków tego trójkąta.
a) Środek okręgu opisanego na tym trójkącie jest położony poza trójkątem, ponieważ trójkąt jest rozwartokątny.
b) Odległość środka okręgu od boku o długości $7 \text{ cm}$ wynosi $12 \text{ cm}$.
Odległość środka okręgu od boku o długości $15 \text{ cm}$ wynosi $10 \text{ cm}$.
Odległość środka okręgu od boku o długości $20 \text{ cm}$ wynosi $7.5 \text{ cm}$.
a) Aby określić położenie środka okręgu opisanego, należy sprawdzić typ trójkąta. Oznaczmy boki jako $a = 7 \text{ cm}$, $b = 15 \text{ cm}$ i $c = 20 \text{ cm}$. Sprawdzamy, czy trójkąt jest ostrokątny, prostokątny czy rozwartokątny, porównując sumę kwadratów dwóch krótszych boków z kwadratem najdłuższego boku.
\[7^2 + 15^2 = 49 + 225 = 274\]\[20^2 = 400\]
Ponieważ $7^2 + 15^2 < 20^2$ ($274 < 400$), trójkąt jest rozwartokątny. W trójkącie rozwartokątnym środek okręgu opisanego leży poza trójkątem.
b) Obliczenie odległości środka okręgu od boków trójkąta:
Promień okręgu opisanego jest dany jako $R = 12.5 \text{ cm} = \frac{25}{2} \text{ cm}$.
Z twierdzenia Pitagorasa, odległość $d$ środka okręgu opisanego od boku o długości $x$ wynosi:
\[d = \sqrt{R^2 - \left(\frac{x}{2}\right)^2}\]
Odległość od boku o długości $7 \text{ cm}$:
\[d_7 = \sqrt{\left(\frac{25}{2}\right)^2 - \left(\frac{7}{2}\right)^2}\]
\[d_7 = \sqrt{\frac{625}{4} - \frac{49}{4}}\]
\[d_7 = \sqrt{\frac{576}{4}}\]
\[d_7 = \sqrt{144}\]
\[d_7 = 12 \text{ cm}\]
Odległość od boku o długości $15 \text{ cm}$:
\[d_{15} = \sqrt{\left(\frac{25}{2}\right)^2 - \left(\frac{15}{2}\right)^2}\]
\[d_{15} = \sqrt{\frac{625}{4} - \frac{225}{4}}\]
\[d_{15} = \sqrt{\frac{400}{4}}\]
\[d_{15} = \sqrt{100}\]
\[d_{15} = 10 \text{ cm}\]
Odległość od boku o długości $20 \text{ cm}$:
\[d_{20} = \sqrt{\left(\frac{25}{2}\right)^2 - \left(\frac{20}{2}\right)^2}\]
\[d_{20} = \sqrt{\left(\frac{25}{2}\right)^2 - 10^2}\]
\[d_{20} = \sqrt{\frac{625}{4} - 100}\]
\[d_{20} = \sqrt{\frac{625 - 400}{4}}\]
\[d_{20} = \sqrt{\frac{225}{4}}\]
\[d_{20} = \frac{15}{2} = 7.5 \text{ cm}\]
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
W trójkącie prostokątnym $ABC$ długości przyprostokątnych $AC$ i $BC$ wynoszą odpowiednio $9$ i $12$. Punkt $P$ to punkt przecięcia symetralnej odcinka $BC$ z przeciwprostokątną $AB$. Oblicz odległość punktu $P$ od wierzchołków $B$ i $C$.
Odległość punktu $P$ od wierzchołka $B$ wynosi $PB = 7.5$, a odległość punktu $P$ od wierzchołka $C$ wynosi $PC = 7.5$.
Zadanie 2 (4 pkt)
W trójkącie równoramiennym $ABC$ boki mają długości: $AB = 16$ oraz $BC = AC = 10$. Symetralne boków $AB$ i $BC$ przecinają się w punkcie $P$. Oblicz, na jakie części punkt $P$ podzielił wysokość $CD$ opuszczoną z wierzchołka $C$.
Punkt $P$ podzielił wysokość $CD$ na dwie części: $PD = \frac{7}{3}$ oraz $CP = \frac{25}{3}$. Punkt $P$ leży na przedłużeniu wysokości $CD$ poza odcinkiem $CD$.
Zadanie 3 (3 pkt)
Dany jest trójkąt równoramienny $ABC$, w którym $|AB| = 10$, a ramiona mają długość $|AC| = |BC| = 13$. Wyznacz promień okręgu opisanego na tym trójkącie.
Promień okręgu opisanego na tym trójkącie wynosi $R = \frac{169}{24}$.
Zadanie 4 (4 pkt)
W trójkącie ostrokątnym ABC boki AC i BC mają odpowiednio długość 26 cm i 25 cm, a wysokość CD jest równa 24 cm. Oblicz odległość punktu D od symetralnej boku AB.
Odległość punktu $D$ od symetralnej boku $AB$ wynosi $1.5 \ \text{cm}$.
Zadanie 5 (5 pkt)
Boki trójkąta mają długość: 8 cm, 13 cm, 17 cm.
a) Jak jest położony względem tego trójkąta środek okręgu opisanego na nim?
b) Wiedząc, że promień okręgu opisanego na tym trójkącie jest równy $9.5$ cm, oblicz odległości środka tego okręgu od boków tego trójkąta.
a) Środek okręgu opisanego na tym trójkącie jest położony poza trójkątem, ponieważ trójkąt jest rozwartokątny.
b) Odległość środka okręgu od boku o długości $8 \text{ cm}$ wynosi $\frac{3\sqrt{33}}{2} \text{ cm}$.
Odległość środka okręgu od boku o długości $13 \text{ cm}$ wynosi $4\sqrt{3} \text{ cm}$.
Odległość środka okręgu od boku o długości $17 \text{ cm}$ wynosi $3\sqrt{2} \text{ cm}$.
