21.4 Pole czworokąta – zadania różne
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (1 pkt)
Oblicz pole czworokąta, którego przekątne mają długość $\sqrt[4]{8} \ \text{cm}$ oraz $\sqrt[4]{32} \ \text{cm}$ i przecinają się pod kątem $60^\circ$.
Pole czworokąta wynosi $\sqrt{3} \ \text{cm}^2$.
Pole dowolnego czworokąta wypukłego można obliczyć ze wzoru:\[P = \frac{1}{2} d_1 d_2 \sin\alpha\]gdzie $d_1$ i $d_2$ to długości przekątnych, a $\alpha$ to kąt między nimi.
Dane z zadania:
$d_1 = \sqrt[4]{8} \ \text{cm}$
$d_2 = \sqrt[4]{32} \ \text{cm}$
$\alpha = 60^\circ$
Obliczamy iloczyn długości przekątnych $d_1 d_2$:\[d_1 d_2 = \sqrt[4]{8} \cdot \sqrt[4]{32} = \sqrt[4]{8 \cdot 32} = \sqrt[4]{256}\]Ponieważ $4^4 = 256$, iloczyn przekątnych wynosi:\[d_1 d_2 = 4\]Wartość sinusa kąta $\alpha$ wynosi:\[\sin(60^\circ) = \frac{\sqrt{3}}{2}\]Podstawiamy obliczone wartości do wzoru na pole:\[P = \frac{1}{2} \cdot 4 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} = 2 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} = \sqrt{3}\]Ostatecznie pole czworokąta wynosi $\sqrt{3} \ \text{cm}^2$.
Zadanie 2 (1 pkt)
Pole czworokąta wypukłego jest równe $48 \text{ cm}^2$, a jedna z przekątnych ma długość $12 \text{ cm}$. Wiedząc, że cosinus kąta przecięcia przekątnych jest równy $\frac{3}{5}$, oblicz długość drugiej przekątnej.
Długość drugiej przekątnej wynosi $10 \text{ cm}$.
Oznaczmy pole czworokąta jako $P$, długości przekątnych jako $d_1$ i $d_2$, a kąt między przekątnymi jako $\alpha$. Zgodnie z treścią zadania mamy:
$P = 48 \text{ cm}^2$
$d_1 = 12 \text{ cm}$
$\cos \alpha = \frac{3}{5}$
Korzystamy ze wzoru na pole czworokąta wypukłego:\[P = \frac{1}{2} d_1 d_2 \sin \alpha\]Najpierw obliczamy wartość $\sin \alpha$ na podstawie $\cos \alpha$, wykorzystując tożsamość trygonometryczną $\sin^2 \alpha + \cos^2 \alpha = 1$. Dla kąta $\alpha$ w czworokącie wypukłym, $\sin \alpha$ jest wartością dodatnią.\[\sin^2 \alpha = 1 - \cos^2 \alpha\]\[\sin^2 \alpha = 1 - \left(\frac{3}{5}\right)^2 = 1 - \frac{9}{25} = \frac{16}{25}\]\[\sin \alpha = \sqrt{\frac{16}{25}} = \frac{4}{5}\]Podstawiamy dane do wzoru na pole, aby wyznaczyć $d_2$.\[48 = \frac{1}{2} \cdot 12 \cdot d_2 \cdot \frac{4}{5}\]\[48 = 6 \cdot d_2 \cdot \frac{4}{5}\]\[48 = \frac{24}{5} d_2\]Rozwiązujemy równanie względem $d_2$.\[d_2 = 48 \cdot \frac{5}{24}\]\[d_2 = 2 \cdot 5 = 10 \text{ cm}\]
Zadanie 3 (3 pkt)
Pole trapezu równoramiennego jest równe $100 \text{ cm}^2$. Suma długości podstaw tego trapezu jest równa $20 \text{ cm}$. Wyznacz kąt, pod jakim przecinają się przekątne tego trapezu.
Przekątne trapezu przecinają się pod kątem prostym, czyli $90^\circ$.
Oznaczmy długości podstaw trapezu jako $a$ i $b$, a jego wysokość jako $h$. Wzór na pole trapezu $P$ to:\[P = \frac{(a+b)h}{2}\]Mając dane $P = 100 \text{ cm}^2$ i $a+b = 20 \text{ cm}$, obliczamy wysokość $h$:\[100 = \frac{20 \cdot h}{2}\]\[100 = 10h\]\[h = 10 \text{ cm}\]W trapezie równoramiennym kwadrat długości przekątnej $d$ jest równy sumie kwadratów wysokości i połowy sumy długości podstaw:\[d^2 = h^2 + \left(\frac{a+b}{2}\right)^2\]Podstawiamy obliczone wartości:\[d^2 = 10^2 + \left(\frac{20}{2}\right)^2 = 10^2 + 10^2\]\[d^2 = 100 + 100 = 200\]Pole trapezu można również wyrazić za pomocą jego przekątnych i kąta $\gamma$ między nimi. Ponieważ w trapezie równoramiennym przekątne są równe ($d_1=d_2=d$), wzór ma postać:\[P = \frac{1}{2}d^2 \sin\gamma\]Podstawiamy znane wartości $P$ i $d^2$:\[100 = \frac{1}{2} \cdot 200 \cdot \sin\gamma\]\[100 = 100 \sin\gamma\]\[\sin\gamma = 1\]Oznacza to, że kąt $\gamma$ jest kątem prostym.
Zadanie 4 (1 pkt)
Rozpatrujemy czworokąty wypukłe, których przekątne mają długość $10$ i $12$. Jakie może być największe pole takiego czworokąta? Jaką część tego największego pola stanowi pole czworokąta, którego przekątne przecinają się pod kątem $60^\circ$?
Największe pole czworokąta wynosi $60$. Pole czworokąta z kątem między przekątnymi $60^\circ$ stanowi $\frac{\sqrt{3}}{2}$ największego pola.
Pole dowolnego czworokąta wypukłego można obliczyć ze wzoru, który wykorzystuje długości jego przekątnych ($d_1$, $d_2$) oraz sinus kąta ($\alpha$) zawartego między nimi:\[P = \frac{1}{2} d_1 d_2 \sin(\alpha)\]W zadaniu podano długości przekątnych: $d_1 = 10$ oraz $d_2 = 12$. Podstawiając te wartości do wzoru, otrzymujemy:\[P = \frac{1}{2} \cdot 10 \cdot 12 \cdot \sin(\alpha) = 60 \sin(\alpha)\]Pole czworokąta jest największe, gdy wartość funkcji sinus jest największa. Maksymalna wartość $\sin(\alpha)$ wynosi $1$, co ma miejsce dla kąta prostego, czyli $\alpha = 90^\circ$.
Największe możliwe pole ($P_{max}$) wynosi zatem:\[P_{max} = 60 \cdot 1 = 60\]Następnie obliczamy pole czworokąta ($P_{60}$), którego przekątne przecinają się pod kątem $60^\circ$:\[P_{60} = 60 \sin(60^\circ)\]Wiemy, że $\sin(60^\circ) = \frac{\sqrt{3}}{2}$, więc:\[P_{60} = 60 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} = 30\sqrt{3}\]Na koniec obliczamy, jaką część największego pola stanowi pole $P_{60}$:\[\frac{P_{60}}{P_{max}} = \frac{30\sqrt{3}}{60} = \frac{\sqrt{3}}{2}\]
Zadanie 5 (3 pkt)
W czworokącie wypukłym suma długości przekątnych jest równa $30$ cm, a kąt ostry między przekątnymi jest równy $30^\circ$. Wyznacz długości przekątnych, dla których pole tego czworokąta jest największe z możliwych. Oblicz to pole.
Długości przekątnych wynoszą $15$ cm i $15$ cm. Największe możliwe pole czworokąta jest równe $56.25$ cm$^2$.
Oznaczmy długości przekątnych czworokąta wypukłego jako $d_1$ i $d_2$, a kąt ostry między nimi jako $\alpha$. Pole czworokąta $P$ wyraża się wzorem:\[ P = \frac{1}{2} d_1 d_2 \sin\alpha \]Z treści zadania wiemy, że:\[ d_1 + d_2 = 30 \ \text{cm} \]\[ \alpha = 30^\circ \]Podstawiając wartość kąta do wzoru na pole, otrzymujemy:\[ P = \frac{1}{2} d_1 d_2 \sin(30^\circ) = \frac{1}{2} d_1 d_2 \cdot \frac{1}{2} = \frac{1}{4} d_1 d_2 \]Aby znaleźć maksymalne pole, musimy zmaksymalizować iloczyn $d_1 d_2$. Wyraźmy pole jako funkcję jednej zmiennej, np. $d_1$. Z sumy długości przekątnych mamy $d_2 = 30 - d_1$. Długości przekątnych muszą być dodatnie, więc dziedziną dla $d_1$ jest przedział $(0, 30)$.
Podstawiamy $d_2$ do wzoru na pole:\[ P(d_1) = \frac{1}{4} d_1 (30 - d_1) \]\[ P(d_1) = -\frac{1}{4} d_1^2 + \frac{15}{2} d_1 \]Jest to funkcja kwadratowa zmiennej $d_1$, której wykresem jest parabola z ramionami skierowanymi w dół. Osiąga ona wartość maksymalną w wierzchołku. Obliczamy pierwszą współrzędną wierzchołka $d_{1,w}$:\[ d_{1,w} = \frac{-b}{2a} = \frac{-\frac{15}{2}}{2 \left(-\frac{1}{4}\right)} = \frac{-\frac{15}{2}}{-\frac{1}{2}} = 15 \]Długość pierwszej przekątnej wynosi $d_1 = 15$ cm.
Długość drugiej przekątnej wynosi $d_2 = 30 - d_1 = 30 - 15 = 15$ cm.
Obliczamy maksymalne pole:\[ P_{\text{max}} = \frac{1}{4} \cdot 15 \cdot 15 = \frac{225}{4} = 56.25 \ \text{cm}^2 \]
Grupa B
Zadanie 1 (1 pkt)
Oblicz pole czworokąta, którego przekątne mają długość $\sqrt[4]{18} \ \text{cm}$ oraz $\sqrt[4]{72} \ \text{cm}$ i przecinają się pod kątem $30^\circ$.
Pole czworokąta wynosi $1.5 \ \text{cm}^2$.
Zadanie 2 (1 pkt)
Pole czworokąta wypukłego jest równe $15\sqrt{7} \text{ cm}^2$, a jedna z przekątnych ma długość $8 \text{ cm}$. Wiedząc, że cosinus kąta przecięcia przekątnych jest równy $\frac{3}{4}$, oblicz długość drugiej przekątnej.
Długość drugiej przekątnej wynosi $15 \text{ cm}$.
Zadanie 3 (3 pkt)
Pole trapezu równoramiennego jest równe $36\sqrt{3} \text{ cm}^2$. Suma długości podstaw tego trapezu jest równa $12\sqrt{3} \text{ cm}$. Wyznacz kąt, pod jakim przecinają się przekątne tego trapezu.
Przekątne trapezu przecinają się pod kątem $60^\circ$ lub $120^\circ$.
Zadanie 4 (1 pkt)
Rozpatrujemy czworokąty wypukłe, których przekątne mają długość $5$ i $16$. Jakie może być największe pole takiego czworokąta? Jaką część tego największego pola stanowi pole czworokąta, którego przekątne przecinają się pod kątem $45^\circ$?
Największe pole czworokąta wynosi $40$. Pole czworokąta z kątem między przekątnymi $45^\circ$ stanowi $\frac{\sqrt{2}}{2}$ największego pola.
Zadanie 5 (3 pkt)
W czworokącie wypukłym suma długości przekątnych jest równa $16$ cm, a kąt ostry między przekątnymi jest równy $60^\circ$. Wyznacz długości przekątnych, dla których pole tego czworokąta jest największe z możliwych. Oblicz to pole.
Długości przekątnych wynoszą $8$ cm i $8$ cm. Największe możliwe pole czworokąta jest równe $16\sqrt{3}$ cm$^2$.
