20.4 Okrąg opisany na czworokącie
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (4 pkt)
Wyznacz kąty czworokąta wpisanego w okrąg, jeśli przedłużenia przeciwległych boków przecinają się, tworząc kąty $30^\circ$ i $50^\circ$.
Kąty czworokąta wynoszą $50^\circ, 80^\circ, 100^\circ, 130^\circ$.
Niech $\alpha, \beta, \gamma, \delta$ będą kątami wewnętrznymi czworokąta wpisanego w okrąg. Z własności takiego czworokąta mamy:\[\alpha + \gamma = 180^\circ\]\[\beta + \delta = 180^\circ\]Podobnie jak w zadaniu oryginalnym, tworzymy trójkąty, których wierzchołkami są punkty przecięcia przedłużeń boków oraz dwa wierzchołki czworokąta. Prowadzi to do następujących zależności między kątami czworokąta a kątami $30^\circ$ i $50^\circ$ utworzonymi przez przedłużenia boków:\[\beta - \alpha = 30^\circ\]\[\gamma - \beta = 50^\circ\]Otrzymujemy układ równań:
1. $\alpha = \beta - 30^\circ$
2. $\gamma = \beta + 50^\circ$
3. $\alpha + \gamma = 180^\circ$
Podstawiamy (1) i (2) do (3):\[(\beta - 30^\circ) + (\beta + 50^\circ) = 180^\circ\]\[2\beta + 20^\circ = 180^\circ\]\[2\beta = 160^\circ\]\[\beta = 80^\circ\]Obliczamy pozostałe kąty:\[\alpha = 80^\circ - 30^\circ = 50^\circ\]\[\gamma = 80^\circ + 50^\circ = 130^\circ\]\[\delta = 180^\circ - \beta = 180^\circ - 80^\circ = 100^\circ\]
Zadanie 2 (1 pkt)
Oblicz promień okręgu opisanego na prostokącie, którego boki mają długość $5$ cm i $12$ cm.
Promień okręgu opisanego na prostokącie wynosi $6,5$ cm.
Średnica okręgu opisanego na prostokącie jest równa długości przekątnej tego prostokąta. Oznaczmy boki prostokąta jako $a = 5$ cm i $b = 12$ cm, a jego przekątną jako $d$.
Z twierdzenia Pitagorasa obliczamy długość przekątnej:\[d^2 = a^2 + b^2\]\[d^2 = 5^2 + 12^2\]\[d^2 = 25 + 144\]\[d^2 = 169\]\[d = \sqrt{169}\]\[d = 13 \ \text{cm}\]Promień okręgu opisanego $R$ jest równy połowie długości przekątnej:\[R = \frac{1}{2}d\]\[R = \frac{1}{2} \cdot 13 \ \text{cm}\]\[R = 6,5 \ \text{cm}\]
Zadanie 3 (2 pkt)
Na kwadracie opisano okrąg. Oblicz długość boku kwadratu, wiedząc, że łuk tego okręgu pomiędzy dwoma sąsiednimi wierzchołkami ma długość $3\pi$.
Długość boku kwadratu wynosi $6\sqrt{2}$.
Oznaczmy długość boku kwadratu jako $a$, a promień okręgu opisanego na nim jako $r$.
Wierzchołki kwadratu dzielą okrąg na cztery równe łuki. Długość jednego takiego łuku, $l$, jest podana w zadaniu i wynosi $3\pi$.\[l = 3\pi\]Całkowity obwód okręgu, $L$, jest sumą długości tych czterech łuków.\[L = 4 \cdot l = 4 \cdot 3\pi = 12\pi\]Wzór na obwód okręgu to $L = 2\pi r$. Możemy przyrównać te dwie wartości, aby obliczyć promień $r$.\[2\pi r = 12\pi\]\[r = \frac{12\pi}{2\pi} = 6\]Przekątna kwadratu, $d$, jest równa średnicy okręgu opisanego na tym kwadracie.\[d = 2r = 2 \cdot 6 = 12\]Znamy związek między długością boku kwadratu $a$ a jego przekątną $d$: $d = a\sqrt{2}$.\[a\sqrt{2} = 12\]\[a = \frac{12}{\sqrt{2}} = \frac{12\sqrt{2}}{2} = 6\sqrt{2}\]Długość boku kwadratu wynosi $6\sqrt{2}$.
Zadanie 4 (5 pkt)
Promień okręgu opisanego na trapezie równoramiennym jest równy $17$. Środek tego okręgu znajduje się wewnątrz trapezu, w odległości $15$ od krótszej podstawy i $8$ od dłuższej podstawy. Oblicz długości boków trapezu.
Długości boków trapezu wynoszą: dłuższa podstawa $30$, krótsza podstawa $16$, ramiona $17\sqrt{2}$.
Niech $R$ będzie promieniem okręgu opisanego na trapezie, $a$ i $b$ długościami odpowiednio dłuższej i krótszej podstawy, a $c$ długością ramienia trapezu. Zgodnie z treścią zadania mamy $R = 17$. Odległość środka okręgu od dłuższej podstawy wynosi $d_a = 8$, a od krótszej podstawy $d_b = 15$.
Podstawy trapezu są cięciwami okręgu opisanego. Połowę długości podstawy, promień okręgu i odległość środka okręgu od podstawy tworzą trójkąt prostokątny. Obliczamy długość dłuższej podstawy $a$ z twierdzenia Pitagorasa:\[\left(\frac{a}{2}\right)^2 + d_a^2 = R^2\]\[\left(\frac{a}{2}\right)^2 + 8^2 = 17^2\]\[\left(\frac{a}{2}\right)^2 + 64 = 289\]\[\left(\frac{a}{2}\right)^2 = 225\]\[\frac{a}{2} = 15 \implies a = 30\]Analogicznie obliczamy długość krótszej podstawy $b$:\[\left(\frac{b}{2}\right)^2 + d_b^2 = R^2\]\[\left(\frac{b}{2}\right)^2 + 15^2 = 17^2\]\[\left(\frac{b}{2}\right)^2 + 225 = 289\]\[\left(\frac{b}{2}\right)^2 = 64\]\[\frac{b}{2} = 8 \implies b = 16\]Wysokość trapezu $h$ jest sumą odległości środka okręgu od podstaw, ponieważ środek leży wewnątrz trapezu:\[h = d_a + d_b = 8 + 15 = 23\]Do obliczenia długości ramienia $c$ wykorzystamy trójkąt prostokątny utworzony przez ramię, wysokość trapezu i odcinek o długości $\frac{a-b}{2}$:\[c^2 = h^2 + \left(\frac{a-b}{2}\right)^2\]\[c^2 = 23^2 + \left(\frac{30-16}{2}\right)^2\]\[c^2 = 23^2 + 7^2\]\[c^2 = 529 + 49 = 578\]\[c = \sqrt{578} = \sqrt{289 \cdot 2} = 17\sqrt{2}\]
Zadanie 5 (3 pkt)
W okrąg o średnicy długości 26 cm wpisano trapez. Dłuższa podstawa trapezu ma długość 24 cm, a wysokość trapezu jest równa 7 cm. Oblicz długość krótszej podstawy tego trapezu.
Długość krótszej podstawy trapezu wynosi 10 cm.
Oznaczmy dane: średnica okręgu $d = 26$ cm, dłuższa podstawa trapezu $a = 24$ cm, wysokość trapezu $h = 7$ cm. Szukamy długości krótszej podstawy $b$.
Promień okręgu $r$ jest równy połowie średnicy:\[r = \frac{d}{2} = \frac{26}{2} = 13 \ \text{cm}\]Obliczmy odległość $d_a$ dłuższej podstawy od środka okręgu. Z twierdzenia Pitagorasa dla trójkąta o bokach $r$, $a/2$ i $d_a$ mamy:\[r^2 = (\frac{a}{2})^2 + d_a^2\]\[13^2 = (\frac{24}{2})^2 + d_a^2\]\[169 = 12^2 + d_a^2\]\[169 = 144 + d_a^2\]\[d_a^2 = 25 \implies d_a = 5 \ \text{cm}\]Oznaczmy odległość krótszej podstawy od środka okręgu jako $d_b$. Rozważmy dwa przypadki:
1. Środek okręgu leży między podstawami. Wtedy $h = d_a + d_b$.\[7 = 5 + d_b \implies d_b = 2 \ \text{cm}\]Obliczamy długość podstawy $b$ dla $d_b = 2$ cm:\[13^2 = (\frac{b}{2})^2 + 2^2\]\[169 = (\frac{b}{2})^2 + 4\]\[(\frac{b}{2})^2 = 165 \implies b = 2\sqrt{165} \ \text{cm}\]Sprawdzamy warunek: $2\sqrt{165} \approx 2 \cdot 12.85 = 25.7$ cm. Ponieważ $25.7 > 24$, ta opcja jest sprzeczna z założeniem, że $a$ jest dłuższą podstawą.
2. Obie podstawy leżą po tej samej stronie środka okręgu. Wtedy $h = |d_a - d_b|$.\[7 = |5 - d_b|\]To równanie ma dwa rozwiązania:
$5 - d_b = 7 \implies d_b = -2$. Odległość nie może być ujemna.
lub
$5 - d_b = -7 \implies d_b = 12$ cm.
Obliczamy długość podstawy $b$ dla $d_b = 12$ cm:\[13^2 = (\frac{b}{2})^2 + 12^2\]\[169 = (\frac{b}{2})^2 + 144\]\[(\frac{b}{2})^2 = 25 \implies \frac{b}{2} = 5 \implies b = 10 \ \text{cm}\]Sprawdzamy warunek: $10 < 24$. Ten wynik jest zgodny z założeniami zadania.
Zatem jedynym możliwym rozwiązaniem jest $b=10$ cm.
Grupa B
Zadanie 1 (4 pkt)
Wyznacz kąty czworokąta wpisanego w okrąg, jeśli przedłużenia przeciwległych boków przecinają się, tworząc kąty $25^\circ$ i $35^\circ$.
Kąty czworokąta wynoszą $60^\circ, 85^\circ, 95^\circ, 120^\circ$.
Zadanie 2 (1 pkt)
Oblicz promień okręgu opisanego na prostokącie, którego boki mają długość $2$ cm i $4$ cm.
Promień okręgu opisanego na prostokącie wynosi $\sqrt{5}$ cm.
Zadanie 3 (2 pkt)
Na kwadracie opisano okrąg. Oblicz długość boku kwadratu, wiedząc, że łuk tego okręgu pomiędzy dwoma sąsiednimi wierzchołkami ma długość $\frac{\pi}{2}$.
Długość boku kwadratu wynosi $\sqrt{2}$
Zadanie 4 (5 pkt)
Promień okręgu opisanego na trapezie równoramiennym jest równy $25$. Środek tego okręgu znajduje się wewnątrz trapezu, w odległości $24$ od krótszej podstawy i $7$ od dłuższej podstawy. Oblicz długości boków trapezu.
Długości boków trapezu wynoszą: dłuższa podstawa $48$, krótsza podstawa $14$, ramiona $25\sqrt{2}$.
Zadanie 5 (3 pkt)
W okrąg o średnicy długości 34 cm wpisano trapez. Dłuższa podstawa trapezu ma długość 30 cm, a wysokość trapezu jest równa 7 cm. Oblicz długość krótszej podstawy tego trapezu.
Długość krótszej podstawy trapezu wynosi 16 cm.
