20.1 Podział czworokątów. Trapezoidy
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
Oblicz miary kątów czworokąta $ABCD$ wiedząc, że:
a) najmniejszym kątem jest kąt przy wierzchołku $A$, a kolejne kąty, zaczynając od kąta przy wierzchołku $B$, są większe o $20^\circ$ od kąta poprzedniego,
b) pozostają one w stosunku $2:3:5:8$.
a) Miary kątów to $60^\circ, 80^\circ, 100^\circ, 120^\circ$.
b) Miary kątów to $40^\circ, 60^\circ, 100^\circ, 160^\circ$.
a) Oznaczmy miary kątów przy wierzchołkach $A, B, C, D$ odpowiednio jako $\alpha, \beta, \gamma, \delta$. Zgodnie z treścią zadania, kąt przy wierzchołku $A$ jest najmniejszy. Oznaczmy jego miarę jako $x$.\[\alpha = x\]Kolejne kąty, poczynając od kąta przy wierzchołku $A$, tworzą ciąg arytmetyczny o różnicy $20^\circ$. Zatem:\[\beta = x + 20^\circ\]\[\gamma = (x + 20^\circ) + 20^\circ = x + 40^\circ\]\[\delta = (x + 40^\circ) + 20^\circ = x + 60^\circ\]Suma miar kątów w czworokącie wynosi $360^\circ$. Zapisujemy równanie:\[\alpha + \beta + \gamma + \delta = 360^\circ\]\[x + (x + 20^\circ) + (x + 40^\circ) + (x + 60^\circ) = 360^\circ\]\[4x + 120^\circ = 360^\circ\]\[4x = 240^\circ\]\[x = 60^\circ\]Obliczamy miary poszczególnych kątów:
$\alpha = 60^\circ$
$\beta = 60^\circ + 20^\circ = 80^\circ$
$\gamma = 60^\circ + 40^\circ = 100^\circ$
$\delta = 60^\circ + 60^\circ = 120^\circ$
Kąt $\alpha = 60^\circ$ jest najmniejszy, więc warunek jest spełniony.
b) Miary kątów pozostają w stosunku $2:3:5:8$. Oznaczmy je jako $2x, 3x, 5x, 8x$. Suma miar kątów w czworokącie wynosi $360^\circ$. Zapisujemy równanie:\[2x + 3x + 5x + 8x = 360^\circ\]\[18x = 360^\circ\]\[x = \frac{360^\circ}{18}\]\[x = 20^\circ\]Obliczamy miary poszczególnych kątów:
Pierwszy kąt: $2x = 2 \cdot 20^\circ = 40^\circ$
Drugi kąt: $3x = 3 \cdot 20^\circ = 60^\circ$
Trzeci kąt: $5x = 5 \cdot 20^\circ = 100^\circ$
Czwarty kąt: $8x = 8 \cdot 20^\circ = 160^\circ$
Zadanie 2 (3 pkt)
W czworokącie $ABCD$ poprowadzono przekątną $AC$. Wykaż, że jeśli $|\angle CAD| = 50^{\circ}$, $|\angle ADC| = 80^{\circ}$, $|\angle ACB| = 30^{\circ}$ oraz $|\angle ABC| = 100^{\circ}$, to czworokąt $ABCD$ jest trapezem.
Wykazano, że $|\angle BAC| = |\angle ACD| = 50^{\circ}$, co dowodzi, że $AB \parallel DC$, a zatem czworokąt $ABCD$ jest trapezem.
Aby wykazać, że czworokąt $ABCD$ jest trapezem, musimy udowodnić, że co najmniej jedna para jego boków jest równoległa. Sprawdzimy, czy boki $AB$ i $DC$ są równoległe, badając równość kątów naprzemianległych wewnętrznych $\angle BAC$ i $\angle ACD$. W trójkącie $ADC$ suma kątów wynosi $180^{\circ}$. Obliczamy miarę kąta $\angle ACD$:\[|\angle ACD| = 180^{\circ} - (|\angle CAD| + |\angle ADC|) = 180^{\circ} - (50^{\circ} + 80^{\circ}) = 180^{\circ} - 130^{\circ} = 50^{\circ}\]W trójkącie $ABC$ suma kątów również wynosi $180^{\circ}$. Obliczamy miarę kąta $\angle BAC$:\[|\angle BAC| = 180^{\circ} - (|\angle ACB| + |\angle ABC|) = 180^{\circ} - (30^{\circ} + 100^{\circ}) = 180^{\circ} - 130^{\circ} = 50^{\circ}\]Otrzymaliśmy, że $|\angle BAC| = 50^{\circ}$ oraz $|\angle ACD| = 50^{\circ}$. Ponieważ kąty naprzemianległe wewnętrzne $\angle BAC$ i $\angle ACD$ są równe, to proste $AB$ i $DC$ są równoległe ($AB \parallel DC$). Zatem czworokąt $ABCD$ jest trapezem.
Zadanie 3 (3 pkt)
W czworokącie $ABCD$ sumy miar przeciwległych kątów są równe. Wiedząc, że $|\sphericalangle DAB|:|\sphericalangle BCD|=2:3$ oraz kąt $ADC$ ma miarę o $50^\circ$ większą niż kąt $ABC$, oblicz miary kątów tego czworokąta. Czy czworokąt $ABCD$ jest deltoidem? Odpowiedź uzasadnij.
Miary kątów czworokąta wynoszą: $|\sphericalangle DAB| = 72^\circ$, $|\sphericalangle ABC| = 65^\circ$, $|\sphericalangle BCD| = 108^\circ$, $|\sphericalangle ADC| = 115^\circ$. Czworokąt ten nie jest deltoidem, ponieważ nie ma żadnej pary równych kątów przeciwległych.
Oznaczmy kąty czworokąta: $\alpha = |\sphericalangle DAB|$, $\beta = |\sphericalangle ABC|$, $\gamma = |\sphericalangle BCD|$, $\delta = |\sphericalangle ADC|$.
Suma miar kątów w czworokącie wynosi $360^\circ$. Z treści zadania wiemy, że sumy miar przeciwległych kątów są równe ($\alpha + \gamma = \beta + \delta$), co w połączeniu z sumą wszystkich kątów daje nam:\[
\alpha + \gamma = 180^\circ \quad \text{oraz} \quad \beta + \delta = 180^\circ
\]Podano stosunek miar kątów $|\sphericalangle DAB|:|\sphericalangle BCD|=2:3$, zatem $\alpha : \gamma = 2:3$. Możemy zapisać $\alpha = 2x$ i $\gamma = 3x$.
Podstawiając do równania sumy:\[
2x + 3x = 180^\circ
\]\[
5x = 180^\circ
\]\[
x = 36^\circ
\]Obliczamy miary kątów $\alpha$ i $\gamma$:\[
\alpha = 2 \cdot 36^\circ = 72^\circ
\]\[
\gamma = 3 \cdot 36^\circ = 108^\circ
\]Podano również, że kąt $ADC$ ma miarę o $50^\circ$ większą niż kąt $ABC$, czyli $\delta = \beta + 50^\circ$. Korzystając z drugiego równania sumy, $\beta + \delta = 180^\circ$:\[
\beta + (\beta + 50^\circ) = 180^\circ
\]\[
2\beta + 50^\circ = 180^\circ
\]\[
2\beta = 130^\circ
\]\[
\beta = 65^\circ
\]Obliczamy miarę kąta $\delta$:\[
\delta = 65^\circ + 50^\circ = 115^\circ
\]Miary kątów czworokąta to $72^\circ, 65^\circ, 108^\circ, 115^\circ$.
Deltoid charakteryzuje się tym, że ma co najmniej jedną parę równych kątów przeciwległych. W analizowanym czworokącie pary kątów przeciwległych to $(72^\circ, 108^\circ)$ oraz $(65^\circ, 115^\circ)$. Ponieważ $72^\circ \neq 108^\circ$ i $65^\circ \neq 115^\circ$, czworokąt $ABCD$ nie jest deltoidem.
Zadanie 4 (4 pkt)
Obwód czworokąta jest równy $62$ cm. Jedna z przekątnych dzieli ten czworokąt na dwa trójkąty: jeden równoboczny i drugi równoramienny, którego ramię jest o $4$ cm krótsze od podstawy. Oblicz długości boków czworokąta. Rozważ dwa przypadki.
Boki czworokąta mają długości: $17.5$ cm, $17.5$ cm, $13.5$ cm, $13.5$ cm lub $14.5$ cm, $14.5$ cm, $14.5$ cm, $18.5$ cm.
Niech $p$ oznacza długość przekątnej czworokąta. Czworokąt składa się z trójkąta równobocznego o boku $p$ oraz trójkąta równoramiennego. Obwód czworokąta wynosi $O = 62$ cm.
Przypadek 1: Przekątna jest podstawą trójkąta równoramiennego.
Trójkąt równoboczny ma boki o długości $p$. Dwa z tych boków są bokami czworokąta.
Trójkąt równoramienny ma podstawę o długości $p$ i ramiona o długości $p - 4$ cm. Ramiona te są pozostałymi dwoma bokami czworokąta.
Boki czworokąta mają zatem długości: $p$, $p$, $p-4$, $p-4$.
Suma długości boków jest równa obwodowi:\[p + p + (p - 4) + (p - 4) = 62\]\[4p - 8 = 62\]\[4p = 70\]\[p = 17.5 \ \text{cm}\]Długości boków czworokąta wynoszą: dwa boki po $17.5$ cm i dwa boki po $17.5 - 4 = 13.5$ cm.
Przypadek 2: Przekątna jest ramieniem trójkąta równoramiennego.
Trójkąt równoboczny ma boki o długości $p$. Dwa z tych boków są bokami czworokąta.
Trójkąt równoramienny ma ramiona o długości $p$. Jedno ramię to przekątna, a drugie to trzeci bok czworokąta. Czwartym bokiem czworokąta jest podstawa tego trójkąta.
Zgodnie z treścią zadania ramię jest o $4$ cm krótsze od podstawy, więc $p = \text{podstawa} - 4$, stąd podstawa ma długość $p+4$.
Boki czworokąta mają zatem długości: $p$, $p$, $p$, $p+4$.
Suma długości boków jest równa obwodowi:\[p + p + p + (p + 4) = 62\]\[4p + 4 = 62\]\[4p = 58\]\[p = 14.5 \ \text{cm}\]Długości boków czworokąta wynoszą: trzy boki po $14.5$ cm i jeden bok o długości $14.5 + 4 = 18.5$ cm.
Zadanie 5 (3 pkt)
Obwód deltoidu jest równy 56 cm. Jeden z jego boków jest o 2 cm krótszy od drugiego.
a) Oblicz długości wszystkich boków deltoidu.
b) Wiedząc dodatkowo, że przekątna, która nie zawiera się w osi symetrii figury ma długość 24 cm, oblicz długość drugiej przekątnej.
a) Długości boków deltoidu to 13 cm, 13 cm, 15 cm i 15 cm.
b) Długość drugiej przekątnej wynosi 14 cm.
a) Obliczenie długości boków deltoidu.
Niech $a$ i $b$ oznaczają długości boków deltoidu, gdzie $a$ jest długością krótszego boku. Obwód deltoidu $O$ dany jest wzorem:\[O = 2a + 2b\]Z treści zadania wiemy, że $O = 56$ cm, więc:\[2a + 2b = 56\]\[a + b = 28\]Jeden z boków jest o 2 cm krótszy od drugiego, co możemy zapisać jako:\[a = b - 2\]Podstawiamy to wyrażenie do równania na sumę boków:\[(b - 2) + b = 28\]\[2b - 2 = 28\]\[2b = 30\]\[b = 15 \ \text{cm}\]Teraz obliczamy długość krótszego boku $a$:\[a = 15 - 2 = 13 \ \text{cm}\]Boki deltoidu mają długości 13 cm i 15 cm.
b) Obliczenie długości drugiej przekątnej.
Niech $p$ będzie przekątną leżącą na osi symetrii, a $q$ drugą przekątną. Z treści zadania wiemy, że $q = 24$ cm. Przekątne w deltoidzie są prostopadłe, a przekątna $p$ dzieli przekątną $q$ na dwie równe części o długości $\frac{q}{2}$.\[\frac{q}{2} = \frac{24}{2} = 12 \ \text{cm}\]Przekątna $p$ jest sumą dwóch odcinków, $p_1$ i $p_2$. Obliczamy $p_1$ z twierdzenia Pitagorasa dla trójkąta o bokach $p_1$, $\frac{q}{2}$ i $a$:\[p_1^2 + 12^2 = 13^2\]\[p_1^2 + 144 = 169\]\[p_1^2 = 25\]\[p_1 = 5 \ \text{cm}\]Obliczamy $p_2$ z twierdzenia Pitagorasa dla trójkąta o bokach $p_2$, $\frac{q}{2}$ i $b$:\[p_2^2 + 12^2 = 15^2\]\[p_2^2 + 144 = 225\]\[p_2^2 = 81\]\[p_2 = 9 \ \text{cm}\]Długość drugiej przekątnej $p$ wynosi:\[p = p_1 + p_2 = 5 + 9 = 14 \ \text{cm}\]
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
Oblicz miary kątów czworokąta $ABCD$ wiedząc, że:
a) najmniejszym kątem jest kąt przy wierzchołku $A$, a kolejne kąty, zaczynając od kąta przy wierzchołku $B$, są większe o $15^\circ$ od kąta poprzedniego,
b) pozostają one w stosunku $3:4:5:6$.
a) Miary kątów to $67.5^\circ, 82.5^\circ, 97.5^\circ, 112.5^\circ$.
b) Miary kątów to $60^\circ, 80^\circ, 100^\circ, 120^\circ$.
Zadanie 2 (3 pkt)
W czworokącie $ABCD$ poprowadzono przekątną $AC$. Wykaż, że jeśli $|\angle CAD| = 50^{\circ}$, $|\angle ADC| = 80^{\circ}$, $|\angle ACB| = 30^{\circ}$ oraz $|\angle ABC| = 100^{\circ}$, to czworokąt $ABCD$ jest trapezem.
Wykazano, że $|\angle BAC| = |\angle ACD| = 40^{\circ}$, co dowodzi, że $AB \parallel DC$, a zatem czworokąt $ABCD$ jest trapezem.
Zadanie 3 (3 pkt)
W czworokącie $ABCD$ sumy miar przeciwległych kątów są równe. Wiedząc, że $|\sphericalangle DAB|:|\sphericalangle BCD|=7:11$ oraz kąt $ABC$ ma miarę o $20^\circ$ mniejszą niż kąt $ADC$, oblicz miary kątów tego czworokąta. Czy czworokąt $ABCD$ jest deltoidem? Odpowiedź uzasadnij.
Miary kątów czworokąta wynoszą: $|\sphericalangle DAB| = 70^\circ$, $|\sphericalangle ABC| = 80^\circ$, $|\sphericalangle BCD| = 110^\circ$, $|\sphericalangle ADC| = 100^\circ$. Czworokąt ten nie jest deltoidem, ponieważ nie posiada pary równych kątów przeciwległych.
Zadanie 4 (4 pkt)
Obwód czworokąta jest równy $74$ cm. Jedna z przekątnych dzieli ten czworokąt na dwa trójkąty: jeden równoboczny i drugi równoramienny, którego ramię jest o $5$ cm dłuższe od podstawy. Oblicz długości boków czworokąta. Rozważ dwa przypadki.
Boki czworokąta mają długości: $16$ cm, $16$ cm, $21$ cm, $21$ cm lub $19.75$ cm, $19.75$ cm, $19.75$ cm, $14.75$ cm.
Zadanie 5 (3 pkt)
Obwód deltoidu jest równy 140 cm. Jeden z jego boków jest o 25\% krótszy od drugiego.
a) Oblicz długości wszystkich boków deltoidu.
b) Wiedząc dodatkowo, że przekątna, która nie zawiera się w osi symetrii figury ma długość 48 cm, oblicz długość drugiej przekątnej.
a) Długości boków deltoidu to 30 cm, 30 cm, 40 cm i 40 cm.
b) Długość drugiej przekątnej wynosi 50 cm.
