21.1 Pole prostokąta. Pole kwadratu
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (4 pkt)
Przekątne $AC$ i $DB$ prostokąta $ABCD$ przecinają się w punkcie $S$ oraz $|\angle CSD| = 120^{\circ}$. Wiedząc, że pole prostokąta $ABCD$ jest równe $25\sqrt{3} \, \text{cm}^2$, oblicz:
a) pole trójkąta $DSC$
b) długość przekątnych prostokąta.
a) Pole trójkąta $DSC$ wynosi $\frac{25\sqrt{3}}{4} \, \text{cm}^2$.
b) Długość przekątnych prostokąta wynosi $10 \, \text{cm}$.
a) Obliczenie pola trójkąta $DSC$.
Przekątne w prostokącie dzielą go na cztery trójkąty o równych polach. Pole trójkąta $DSC$ ($P_{DSC}$) jest równe jednej czwartej pola prostokąta $P_{ABCD}$.\[P_{DSC} = \frac{1}{4} P_{ABCD}\]Podstawiając daną wartość pola prostokąta:\[P_{DSC} = \frac{1}{4} \cdot 25\sqrt{3} \, \text{cm}^2 = \frac{25\sqrt{3}}{4} \, \text{cm}^2\]b) Obliczenie długości przekątnych prostokąta.
Pole prostokąta można wyrazić wzorem z wykorzystaniem długości przekątnej ($d$) i kąta między przekątnymi ($\alpha$):\[P_{ABCD} = \frac{1}{2} d^2 \sin \alpha\]Mamy dane $P_{ABCD} = 25\sqrt{3} \, \text{cm}^2$ oraz $\alpha = |\angle CSD| = 120^{\circ}$. Obliczamy wartość sinusa:\[\sin(120^{\circ}) = \sin(180^{\circ} - 60^{\circ}) = \sin(60^{\circ}) = \frac{\sqrt{3}}{2}\]Podstawiamy wartości do wzoru na pole:\[25\sqrt{3} = \frac{1}{2} d^2 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2}\]\[25\sqrt{3} = \frac{d^2 \sqrt{3}}{4}\]Dzielimy obie strony przez $\sqrt{3}$:\[25 = \frac{d^2}{4}\]\[d^2 = 100\]\[d = 10 \, \text{cm}\]Długość przekątnej musi być dodatnia.
Zadanie 2 (3 pkt)
Długości boków prostokąta pozostają w stosunku $5:12$. Wiedząc, że pole prostokąta jest równe $240 \text{ cm}^2$, oblicz:
a) obwód prostokąta
b) miarę kąta ostrego między przekątnymi.
a) Obwód prostokąta wynosi $68 \text{ cm}$.
b) Miara kąta ostrego między przekątnymi wynosi około $45,24^\circ$.
Oznaczmy długości boków prostokąta jako $a$ i $b$. Zgodnie z treścią zadania, stosunek długości boków wynosi $5:12$, więc możemy zapisać, że $a = 5x$ i $b = 12x$ dla pewnej dodatniej wartości $x$.
Pole prostokąta $P$ jest równe $240 \text{ cm}^2$. Wzór na pole to $P = a \cdot b$. Podstawiając nasze wyrażenia na $a$ i $b$ otrzymujemy:\[ P = (5x) \cdot (12x) = 60x^2 \]\[ 60x^2 = 240 \text{ cm}^2 \]\[ x^2 = \frac{240}{60} = 4 \]\[ x = 2 \text{ cm} \]Teraz możemy obliczyć długości boków prostokąta:\[ a = 5x = 5 \cdot 2 = 10 \text{ cm} \]\[ b = 12x = 12 \cdot 2 = 24 \text{ cm} \]a) Obliczanie obwodu prostokąta.
Obwód $Ob$ obliczamy ze wzoru $Ob = 2a + 2b$.\[ Ob = 2 \cdot 10 \text{ cm} + 2 \cdot 24 \text{ cm} = 20 \text{ cm} + 48 \text{ cm} = 68 \text{ cm} \]b) Obliczanie miary kąta ostrego między przekątnymi.
Niech $\alpha$ będzie miarą kąta ostrego między przekątnymi. Tangens połowy tego kąta jest równy stosunkowi krótszego boku do dłuższego boku.\[ \tan\left(\frac{\alpha}{2}\right) = \frac{a}{b} = \frac{10}{24} = \frac{5}{12} \]Aby znaleźć miarę kąta $\alpha$, możemy skorzystać ze wzoru na cosinus kąta wyrażonego za pomocą tangensa jego połowy:\[ \cos(\alpha) = \frac{1 - \tan^2(\frac{\alpha}{2})}{1 + \tan^2(\frac{\alpha}{2})} \]\[ \cos(\alpha) = \frac{1 - (\frac{5}{12})^2}{1 + (\frac{5}{12})^2} = \frac{1 - \frac{25}{144}}{1 + \frac{25}{144}} = \frac{\frac{119}{144}}{\frac{169}{144}} = \frac{119}{169} \]Stąd miara kąta (odczytując z tabeli w karcie wzorów) $\alpha$ wynosi:\[ \alpha \approx 45,24^\circ \]
Zadanie 3 (1 pkt)
Oblicz długości dwóch różnych boków prostokąta, wiedząc, że różnica ich długości jest równa $5 \text{ cm}$, a pole prostokąta jest równe $66 \text{ cm}^2$.
Długości boków prostokąta wynoszą $6 \text{ cm}$ i $11 \text{ cm}$.
Oznaczmy długości boków prostokąta jako $a$ i $b$, gdzie $a$ jest dłuższym bokiem. Z treści zadania wynikają następujące zależności:\[a - b = 5\]\[a \cdot b = 66\]Z pierwszego równania wyznaczamy $a$:\[a = b + 5\]Podstawiamy to wyrażenie do drugiego równania, aby otrzymać równanie z jedną niewiadomą $b$:\[(b + 5) \cdot b = 66\]\[b^2 + 5b - 66 = 0\]Otrzymaliśmy równanie kwadratowe. Do jego rozwiązania użyjemy wzorów na pierwiastki. Najpierw obliczamy wyróżnik $\Delta$:\[\Delta = 5^2 - 4 \cdot 1 \cdot (-66) = 25 + 264 = 289\]Pierwiastek z wyróżnika wynosi:\[\sqrt{\Delta} = \sqrt{289} = 17\]Teraz obliczamy możliwe wartości $b$:\[b_1 = \frac{-5 - 17}{2} = \frac{-22}{2} = -11\]\[b_2 = \frac{-5 + 17}{2} = \frac{12}{2} = 6\]Ponieważ długość boku musi być liczbą dodatnią, odrzucamy rozwiązanie $b_1 = -11$. Zatem krótszy bok ma długość $b = 6 \text{ cm}$.
Obliczamy długość drugiego boku $a$:\[a = b + 5 = 6 + 5 = 11\]Dłuższy bok ma długość $a = 11 \text{ cm}$.
Zadanie 4 (1 pkt)
Pole prostokąta jest równe $40$, a obwód wynosi $26$. Oblicz długości boków tego prostokąta.
Długości boków tego prostokąta wynoszą $5$ i $8$.
Oznaczmy długości boków prostokąta jako $a$ i $b$. Z treści zadania znamy pole $P$ i obwód $O$ prostokąta:\[P = 40\]\[O = 26\]Zapisujemy układ równań oparty na wzorach na pole i obwód:\[\begin{cases} a \cdot b = 40 \\ 2a + 2b = 26 \end{cases}\]Z drugiego równania wyznaczamy sumę długości boków:\[2(a+b) = 26\]\[a+b = 13\]Wyznaczamy $b$ w zależności od $a$:\[b = 13 - a\]Podstawiamy to wyrażenie do pierwszego równania:\[a \cdot (13 - a) = 40\]\[13a - a^2 = 40\]Porządkujemy równanie do postaci kwadratowej:\[a^2 - 13a + 40 = 0\]Obliczamy wyróżnik trójmianu kwadratowego ($\Delta$):\[\Delta = b^2 - 4ac = (-13)^2 - 4 \cdot 1 \cdot 40 = 169 - 160 = 9\]Obliczamy pierwiastek z wyróżnika:\[\sqrt{\Delta} = \sqrt{9} = 3\]Obliczamy pierwiastki równania, które są możliwymi wartościami długości boku $a$:\[a_1 = \frac{-b - \sqrt{\Delta}}{2a} = \frac{13 - 3}{2} = \frac{10}{2} = 5\]\[a_2 = \frac{-b + \sqrt{\Delta}}{2a} = \frac{13 + 3}{2} = \frac{16}{2} = 8\]Jeśli $a=5$, to $b = 13 - 5 = 8$. Jeśli $a=8$, to $b = 13 - 8 = 5$. W obu przypadkach otrzymujemy te same długości boków.
Zadanie 5 (2 pkt)
W kwadracie o polu $10$ połączono kolejno środki boków. Oblicz pole wyznaczonego w ten sposób czworokąta.
Pole wyznaczonego czworokąta wynosi $5$.
Niech duży kwadrat ma pole $P_1 = 10$ i bok o długości $a$. Zatem $a^2 = 10$.
Czworokąt powstały przez połączenie środków boków kwadratu jest również kwadratem. Oznaczmy jego pole jako $P_2$.
Pole tego wewnętrznego kwadratu można obliczyć, odejmując od pola dużego kwadratu sumę pól czterech trójkątów prostokątnych znajdujących się w narożnikach. Każdy z tych trójkątów ma przyprostokątne o długości równej połowie boku dużego kwadratu, czyli $\frac{a}{2}$.
Pole jednego takiego trójkąta, $P_{\Delta}$, wynosi:\[P_{\Delta} = \frac{1}{2} \cdot \frac{a}{2} \cdot \frac{a}{2} = \frac{a^2}{8}\]Suma pól czterech trójkątów to:\[4 \cdot P_{\Delta} = 4 \cdot \frac{a^2}{8} = \frac{a^2}{2}\]Pole wewnętrznego kwadratu $P_2$ jest równe różnicy pola dużego kwadratu $P_1$ i sumy pól czterech trójkątów:\[P_2 = P_1 - 4 \cdot P_{\Delta} = a^2 - \frac{a^2}{2} = \frac{a^2}{2}\]Podstawiając wartość $a^2 = 10$, otrzymujemy:\[P_2 = \frac{10}{2} = 5\]
Grupa B
Zadanie 1 (4 pkt)
Przekątne $AC$ i $DB$ prostokąta $ABCD$ przecinają się w punkcie $S$. Kąt ostry między przekątnymi ma miarę $45^{\circ}$. Wiedząc, że pole prostokąta $ABCD$ jest równe $16\sqrt{2} \, \text{m}^2$, oblicz:
a) pole trójkąta $ASB$
b) długość przekątnych prostokąta.
a) Pole trójkąta $ASB$ wynosi $4\sqrt{2} \, \text{m}^2$.
b) Długość przekątnych prostokąta wynosi $8 \, \text{m}$.
Zadanie 2 (3 pkt)
Długości boków prostokąta pozostają w stosunku $8:15$. Wiedząc, że pole prostokąta jest równe $1080 \text{ m}^2$, oblicz:
a) obwód prostokąta
b) miarę kąta ostrego między przekątnymi.
a) Obwód prostokąta wynosi $138 \text{ m}$.
b) Miara kąta ostrego między przekątnymi wynosi około $56,15^\circ$.
Zadanie 3 (1 pkt)
Oblicz długości dwóch różnych boków prostokąta, wiedząc, że różnica ich długości jest równa $2 \text{ cm}$, a pole prostokąta jest równe $63 \text{ cm}^2$.
Długości boków prostokąta wynoszą $7 \text{ cm}$ i $9 \text{ cm}$.
Zadanie 4 (1 pkt)
Pole prostokąta jest równe $27$, a obwód wynosi $21$. Oblicz długości boków tego prostokąta.
Długości boków tego prostokąta wynoszą $4.5$ i $6$.
Zadanie 5 (2 pkt)
W kwadracie o polu $24$ połączono kolejno środki boków. Oblicz pole wyznaczonego w ten sposób czworokąta.
Pole wyznaczonego czworokąta wynosi $12$.
