20.7 Podobieństwo. Czworokąty podobne
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (4 pkt)
W równoległoboku $ABCD$ bok $AB$ jest trzy razy dłuższy od boku $AD$. Punkt $K$ należy do boku $AB$ ($K \neq A$ i $K \neq B$), a punkt $L$ należy do boku $DC$ ($L \neq D$ i $L \neq C$) oraz równoległobok $AKLD$ jest podobny do równoległoboku $ABCD$ w skali $k$, $k > 0$. Oblicz:
a) liczbę $k$
b) stosunek $|AK| : |KB|$.
a) $k = \frac{1}{3}$
b) $|AK| : |KB| = 1:8$
Oznaczmy długość boku $AD$ jako $a$. Zgodnie z treścią zadania, długość boku $AB$ wynosi $3a$.\[|AD| = a\]\[|AB| = 3a\]Równoległobok $ABCD$ ma boki o długościach $a$ i $3a$. Stosunek długości dłuższego boku do krótszego wynosi $\frac{3a}{a} = 3$.
Równoległobok $AKLD$ jest podobny do równoległoboku $ABCD$. Boki równoległoboku $AKLD$ to $AD$ i $AK$. Ich długości to $|AD| = a$ oraz $|AK|$.
Skoro równoległoboki są podobne, stosunek długości ich boków musi być taki sam. Mamy dwie możliwości:
1. $\frac{|AK|}{|AD|} = 3$, co oznacza $|AK| = 3|AD| = 3a$. Ta opcja jest niemożliwa, ponieważ punkt $K$ leży na boku $AB$ i $K \neq B$, więc $|AK| < |AB| = 3a$.
2. $\frac{|AD|}{|AK|} = 3$, co oznacza $|AK| = \frac{|AD|}{3} = \frac{a}{3}$. Ta opcja jest możliwa.
Zatem boki równoległoboku $AKLD$ mają długości $|AK| = \frac{a}{3}$ i $|AD| = a$.
a) Obliczamy skalę podobieństwa $k$.
Skala podobieństwa jest stosunkiem długości odpowiadających sobie boków.
Bok krótszy w $AKLD$ to $AK$, a w $ABCD$ to $AD$.\[k = \frac{|AK|}{|AD|} = \frac{\frac{a}{3}}{a} = \frac{1}{3}\]Sprawdźmy dla boków dłuższych. Bok dłuższy w $AKLD$ to $AD$, a w $ABCD$ to $AB$.\[k = \frac{|AD|}{|AB|} = \frac{a}{3a} = \frac{1}{3}\]Skala podobieństwa wynosi $k = \frac{1}{3}$.
b) Obliczamy stosunek $|AK| : |KB|$.
Znamy długość $|AK| = \frac{a}{3}$. Długość odcinka $KB$ to różnica długości boków $AB$ i $AK$.\[|KB| = |AB| - |AK| = 3a - \frac{a}{3} = \frac{9a}{3} - \frac{a}{3} = \frac{8a}{3}\]Stosunek długości tych odcinków wynosi:\[\frac{|AK|}{|KB|} = \frac{\frac{a}{3}}{\frac{8a}{3}} = \frac{a}{3} \cdot \frac{3}{8a} = \frac{1}{8}\]Zatem stosunek $|AK| : |KB|$ jest równy $1:8$.
Zadanie 2 (3 pkt)
W trapezie $ABCD$ punkty $E$, $F$ należą odpowiednio do ramion $AD$ i $BC$. Odcinek $EF$ jest równoległy do podstaw i dzieli trapez $ABCD$ na dwa trapezy podobne. Oblicz $|EF|$, jeśli $|AB| = 16$, $|DC| = 4$.
Długość odcinka $|EF|$ wynosi $8$.
Niech $a = |AB| = 16$ i $b = |DC| = 4$. Oznaczmy długość szukanego odcinka jako $x = |EF|$.
Odcinek $EF$ dzieli trapez $ABCD$ na dwa mniejsze trapezy: $ABEF$ i $EFCD$. Zgodnie z warunkami zadania, trapezy te są podobne.
Z podobieństwa trapezów $ABEF$ i $EFCD$ wynika, że stosunek długości ich podstaw jest równy. Dłuższą podstawą trapezu $ABEF$ jest $AB$, a krótszą $EF$. Dłuższą podstawą trapezu $EFCD$ jest $EF$, a krótszą $DC$.
Możemy zapisać proporcję:\[\frac{|AB|}{|EF|} = \frac{|EF|}{|DC|}\]Podstawiając dane wartości:\[\frac{16}{x} = \frac{x}{4}\]Mnożąc na krzyż, otrzymujemy:\[x^2 = 16 \cdot 4\]\[x^2 = 64\]Ponieważ $x$ jest długością odcinka, musi być wartością dodatnią:\[x = \sqrt{64}\]\[x = 8\]
Zadanie 3 (2 pkt)
Obrazem okręgu $O_1$ o promieniu $r_1$ w pewnym podobieństwie jest okrąg $O_2$ o promieniu $r_2$. Wyznacz skalę tego podobieństwa, jeśli:
a) promień $r_2$ jest o $40\%$ krótszy od promienia $r_1$,
b) długość promienia $r_1$ stanowi $75\%$ długości promienia $r_2$.
a) Skala podobieństwa wynosi $k = 0.6$.
b) Skala podobieństwa wynosi $k = \frac{4}{3}$.
Skala podobieństwa $k$ jest zdefiniowana jako stosunek promienia okręgu obrazu do promienia okręgu oryginalnego:\[k = \frac{r_2}{r_1}\]a) Promień $r_2$ jest o $40\%$ krótszy od promienia $r_1$. Oznacza to, że promień $r_2$ stanowi $100\% - 40\% = 60\%$ promienia $r_1$. Zapisujemy to jako:\[r_2 = r_1 - 0.40 \cdot r_1 = 0.6 \cdot r_1\]Obliczamy skalę podobieństwa $k$:\[k = \frac{r_2}{r_1} = \frac{0.6 \cdot r_1}{r_1} = 0.6\]b) Długość promienia $r_1$ stanowi $75\%$ długości promienia $r_2$. Zapisujemy tę zależność jako równanie:\[r_1 = 0.75 \cdot r_2\]Wyznaczamy $r_2$ z tego równania, aby obliczyć skalę $k = \frac{r_2}{r_1}$:\[r_2 = \frac{r_1}{0.75}\]Podstawiamy do wzoru na skalę podobieństwa:\[k = \frac{\frac{r_1}{0.75}}{r_1} = \frac{1}{0.75}\]Zamieniamy ułamek dziesiętny na zwykły:\[k = \frac{1}{\frac{3}{4}} = \frac{4}{3}\]
Zadanie 4 (2 pkt)
Obrazem półkola $F$ w podobieństwie o skali $\frac{3}{2}$ jest półkole $F_1$, którego obwód wynosi $21$. Oblicz długość promienia półkola $F$.
Długość promienia półkola $F$ wynosi $\frac{14}{\pi + 2}$.
Niech $r$ będzie promieniem półkola $F$, a $O$ jego obwodem. Obwód półkola o promieniu $r$ jest sumą długości półokręgu i średnicy, co daje wzór:\[O = \pi r + 2r = r(\pi + 2)\]Znamy obwód obrazu, półkola $F_1$, który wynosi $O_1 = 21$, oraz skalę podobieństwa $k = \frac{3}{2}$.
Stosunek obwodów figur podobnych jest równy skali podobieństwa:\[\frac{O_1}{O} = k\]Podstawiamy dane do wzoru:\[\frac{21}{O} = \frac{3}{2}\]Wyznaczamy obwód $O$ półkola $F$:\[3 \cdot O = 21 \cdot 2\]\[3 \cdot O = 42\]\[O = 14\]Korzystając ze wzoru na obwód półkola $F$, obliczamy jego promień $r$:\[14 = r(\pi + 2)\]\[r = \frac{14}{\pi + 2}\]
Zadanie 5 (2 pkt)
Długości boków jednego czworokąta mają się do siebie jak $1:3:4:2$, a jego obwód jest równy $80$ cm. Oblicz długości boków drugiego czworokąta, będącego obrazem pierwszego w podobieństwie o skali $0,5$.
Długości boków drugiego czworokąta wynoszą $4$ cm, $12$ cm, $16$ cm i $8$ cm.
Niech $a, b, c, d$ oznaczają długości boków pierwszego czworokąta. Zgodnie z podanym stosunkiem, możemy zapisać długości boków jako $a = x$, $b = 3x$, $c = 4x$ i $d = 2x$ dla pewnej dodatniej wartości $x$.
Obwód pierwszego czworokąta $O_1$ jest sumą długości jego boków:\[O_1 = a + b + c + d = x + 3x + 4x + 2x = 10x\]Wiemy, że obwód wynosi $80$ cm, więc możemy ułożyć równanie:\[10x = 80 \ \text{cm}\]Rozwiązując to równanie, znajdujemy $x$:\[x = \frac{80}{10} \ \text{cm} = 8 \ \text{cm}\]Teraz możemy obliczyć długości boków pierwszego czworokąta:\[a = 1 \cdot 8 = 8 \ \text{cm}\]\[b = 3 \cdot 8 = 24 \ \text{cm}\]\[c = 4 \cdot 8 = 32 \ \text{cm}\]\[d = 2 \cdot 8 = 16 \ \text{cm}\]Drugi czworokąt jest obrazem pierwszego w podobieństwie o skali $k = 0,5$. Niech jego boki mają długości $a', b', c', d'$. Długości boków drugiego czworokąta obliczamy, mnożąc odpowiednie długości boków pierwszego czworokąta przez skalę podobieństwa:\[a' = k \cdot a = 0,5 \cdot 8 = 4 \ \text{cm}\]\[b' = k \cdot b = 0,5 \cdot 24 = 12 \ \text{cm}\]\[c' = k \cdot c = 0,5 \cdot 32 = 16 \ \text{cm}\]\[d' = k \cdot d = 0,5 \cdot 16 = 8 \ \text{cm}\]
Grupa B
Zadanie 1 (4 pkt)
W równoległoboku $ABCD$ bok $AB$ jest cztery razy dłuższy od boku $AD$. Punkt $K$ należy do boku $AB$ ($K \neq A$ i $K \neq B$), a punkt $L$ należy do boku $DC$ ($L \neq D$ i $L \neq C$) oraz równoległobok $AKLD$ jest podobny do równoległoboku $ABCD$ w skali $k$, $k > 0$. Oblicz:
a) liczbę $k$
b) stosunek $|AK| : |KB|$.
a) $k = \frac{1}{4}$
b) $|AK| : |KB| = 1:15$
Zadanie 2 (3 pkt)
W trapezie $ABCD$ punkty $E$, $F$ należą odpowiednio do ramion $AD$ i $BC$. Odcinek $EF$ jest równoległy do podstaw i dzieli trapez $ABCD$ na dwa trapezy podobne. Oblicz $|EF|$, jeśli $|AB| = 25$, $|DC| = 9$.
Długość odcinka $|EF|$ wynosi $15$.
Zadanie 3 (2 pkt)
Obrazem okręgu $O_1$ o promieniu $r_1$ w pewnym podobieństwie jest okrąg $O_2$ o promieniu $r_2$. Wyznacz skalę tego podobieństwa, jeśli:
a) promień $r_2$ jest o $15\%$ dłuższy od promienia $r_1$,
b) długość promienia $r_1$ stanowi $125\%$ długości promienia $r_2$.
a) Skala podobieństwa wynosi $k = 1.15$.
b) Skala podobieństwa wynosi $k = 0.8$.
Zadanie 4 (2 pkt)
Obrazem półkola $F$ w podobieństwie o skali $\frac{4}{3}$ jest półkole $F_1$, którego obwód wynosi $20$. Oblicz długość promienia półkola $F$.
Długość promienia półkola $F$ wynosi $\frac{15}{\pi + 2}$.
Zadanie 5 (2 pkt)
Długości boków jednego czworokąta mają się do siebie jak $3:5:6:4$, a jego obwód jest równy $90$ cm. Oblicz długości boków drugiego czworokąta, będącego obrazem pierwszego w podobieństwie o skali $3$.
Długości boków drugiego czworokąta wynoszą $45$ cm, $75$ cm, $90$ cm i $60$ cm.
