21.3 Pole trapezu
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Podstawy trapezu mają długość $a$ i $b$, zaś długości ramion są równe $c$ i $d$. Oblicz pole tego trapezu, jeśli: $a = 24, b = 10, c = 13, d = 15$.
Pole trapezu wynosi $204$.
Pole trapezu obliczamy ze wzoru:\[P = \frac{a+b}{2} \cdot h\]Aby obliczyć pole, musimy najpierw wyznaczyć wysokość trapezu $h$.
Prowadzimy dwie wysokości z wierzchołków krótszej podstawy $b$ na dłuższą podstawę $a$. Dzielą one podstawę $a$ na trzy odcinki: $x$, $b$ i $y$, takie że $x+y = a-b$. Otrzymujemy dwa trójkąty prostokątne o przyprostokątnych ($x, h$) i ($y, h$) oraz przeciwprostokątnych odpowiednio $c$ i $d$.
Z twierdzenia Pitagorasa dla tych trójkątów mamy:\[h^2 + x^2 = c^2\]\[h^2 + y^2 = d^2\]Z powyższych równań wynika, że $c^2 - x^2 = d^2 - y^2$. Podstawiając $y = a-b-x$, otrzymujemy wzór na $x$:\[x = \frac{(a-b)^2 + c^2 - d^2}{2(a-b)}\]Podstawiamy dane: $a = 24, b = 10, c = 13, d = 15$.\[a-b = 24 - 10 = 14\]Obliczamy $x$:\[x = \frac{14^2 + 13^2 - 15^2}{2 \cdot 14} = \frac{196 + 169 - 225}{28} = \frac{365 - 225}{28} = \frac{140}{28} = 5\]Teraz obliczamy wysokość $h$ z pierwszego trójkąta prostokątnego:\[h^2 + x^2 = c^2\]\[h^2 + 5^2 = 13^2\]\[h^2 + 25 = 169\]\[h^2 = 144 \implies h = 12\]Obliczamy pole trapezu:\[P = \frac{24+10}{2} \cdot 12 = \frac{34}{2} \cdot 12 = 17 \cdot 12 = 204\]
Zadanie 2 (1 pkt)
Pole trapezu jest równe $54 \text{ cm}^2$, a wysokość jest równa $9 \text{ cm}$. Oblicz długości podstaw trapezu, jeśli jedna z nich jest o $4 \text{ cm}$ dłuższa od drugiej.
Długości podstaw trapezu wynoszą $4 \text{ cm}$ i $8 \text{ cm}$.
Oznaczmy długości podstaw trapezu jako $a$ i $b$, a wysokość jako $h$. Pole trapezu oznaczmy jako $P$. Z treści zadania wiemy, że:
$P = 54 \text{ cm}^2$
$h = 9 \text{ cm}$
Jedna podstawa jest o $4 \text{ cm}$ dłuższa od drugiej, co możemy zapisać jako $b = a + 4$.
Wzór na pole trapezu to:\[P = \frac{(a+b) \cdot h}{2}\]Podstawiamy dane do wzoru:\[54 = \frac{(a + (a+4)) \cdot 9}{2}\]Mnożymy obie strony równania przez 2:\[108 = (a + a + 4) \cdot 9\]\[108 = (2a+4) \cdot 9\]Rozwiązujemy równanie:\[108 = 18a + 36\]\[108 - 36 = 18a\]\[72 = 18a\]\[a = \frac{72}{18}\]\[a = 4 \text{ cm}\]Teraz obliczamy długość drugiej podstawy $b$:\[b = a + 4\]\[b = 4 + 4\]\[b = 8 \text{ cm}\]Sprawdzenie:\[P = \frac{(4+8) \cdot 9}{2} = \frac{12 \cdot 9}{2} = \frac{108}{2} = 54 \text{ cm}^2\]Wynik jest zgodny z danymi w zadaniu.
Zadanie 3 (1 pkt)
W trapezie prostokątnym krótsze ramię ma długość $8$ cm. Odcinek łączący środki ramion trapezu ma długość $10$ cm. Oblicz pole tego trapezu.
Pole tego trapezu wynosi $80 \ \text{cm}^2$.
Oznaczmy podstawy trapezu jako $a$ i $b$, a jego wysokość jako $h$. W trapezie prostokątnym krótsze ramię jest prostopadłe do podstaw, więc jego długość jest równa wysokości trapezu. Zatem $h = 8$ cm.
Odcinek łączący środki ramion trapezu ma długość $m = 10$ cm.
Długość tego odcinka jest równa średniej arytmetycznej długości podstaw trapezu:\[ m = \frac{a+b}{2} \]Pole trapezu obliczamy ze wzoru:\[ P = \frac{a+b}{2} \cdot h \]Możemy podstawić wartość $m$ do wzoru na pole:\[ P = m \cdot h \]Podstawiając wartości liczbowe podane w zadaniu, obliczamy pole:\[ P = 10 \ \text{cm} \cdot 8 \ \text{cm} = 80 \ \text{cm}^2 \]
Zadanie 4 (4 pkt)
Przekątna trapezu równoramiennego ma długość $12 \text{ cm}$ i tworzy z krótszą podstawą kąt równy $45^\circ$. Oblicz pole tego trapezu.
Pole tego trapezu wynosi $72 \text{ cm}^2$.
Oznaczmy podstawy trapezu jako $a$ i $b$, wysokość jako $h$, a przekątną jako $d$. Z treści zadania wiemy, że $d = 12 \text{ cm}$ oraz kąt między przekątną a krótszą podstawą wynosi $45^\circ$.
Ponieważ podstawy trapezu są równoległe, kąt między przekątną a dłuższą podstawą jest taki sam jak kąt między przekątną a krótszą podstawą (kąty naprzemianległe wewnętrzne) i wynosi $45^\circ$.
Poprowadźmy wysokość $h$ z wierzchołka krótszej podstawy na dłuższą podstawę. Wysokość ta, wraz z przekątną $d$ i fragmentem dłuższej podstawy o długości $x = \frac{a+b}{2}$, tworzy trójkąt prostokątny.
W tym trójkącie prostokątnym, przekątna $d$ jest przeciwprostokątną. Korzystając z funkcji trygonometrycznych, możemy obliczyć $h$ oraz $x$:\[h = d \cdot \sin(45^\circ)\]\[x = \frac{a+b}{2} = d \cdot \cos(45^\circ)\]Podstawiamy dane liczbowe:\[h = 12 \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} = 6\sqrt{2} \text{ cm}\]\[x = \frac{a+b}{2} = 12 \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} = 6\sqrt{2} \text{ cm}\]Pole trapezu $P$ obliczamy ze wzoru:\[P = \frac{a+b}{2} \cdot h\]Podstawiając wyznaczone wartości $x$ i $h$:\[P = 6\sqrt{2} \cdot 6\sqrt{2} = 36 \cdot 2 = 72 \text{ cm}^2\]
Zadanie 5 (5 pkt)
Dłuższa podstawa trapezu jest średnicą okręgu opisanego na tym trapezie i ma długość $12\frac{1}{2}$. Przekątna trapezu ma długość $10$. Oblicz pole tego trapezu.
Pole tego trapezu wynosi $48$.
Oznaczmy dłuższą podstawę trapezu jako $a$, krótszą jako $b$, ramię jako $c$, przekątną jako $d$, a wysokość jako $h$.
Z treści zadania wiemy, że:\[a = 12\frac{1}{2} = \frac{25}{2}\]\[d = 10\]Trapez, na którym można opisać okrąg, musi być trapezem równoramiennym. Ponieważ dłuższa podstawa $a$ jest średnicą okręgu, trójkąt składający się z podstawy $a$, ramienia $c$ i przekątnej $d$ jest trójkątem prostokątnym, z podstawą $a$ jako przeciwprostokątną.
Z twierdzenia Pitagorasa:\[c^2 + d^2 = a^2\]Obliczamy długość ramienia $c$:\[c^2 = a^2 - d^2 = \left(\frac{25}{2}\right)^2 - 10^2 = \frac{625}{4} - 100 = \frac{625}{4} - \frac{400}{4} = \frac{225}{4}\]\[c = \sqrt{\frac{225}{4}} = \frac{15}{2}\]Wysokość trapezu $h$ jest wysokością w tym trójkącie prostokątnym opuszczoną na przeciwprostokątną. Porównując wzory na pole trójkąta, otrzymujemy:\[\frac{1}{2} c d = \frac{1}{2} a h\]Stąd obliczamy $h$:\[h = \frac{c d}{a} = \frac{\frac{15}{2} \cdot 10}{\frac{25}{2}} = \frac{75}{\frac{25}{2}} = 75 \cdot \frac{2}{25} = 6\]Oznaczmy przez $x$ długość rzutu prostokątnego ramienia na dłuższą podstawę. Z trójkąta prostokątnego o bokach $c, h, x$ mamy:\[x^2 + h^2 = c^2\]\[x^2 + 6^2 = \left(\frac{15}{2}\right)^2\]\[x^2 + 36 = \frac{225}{4}\]\[x^2 = \frac{225}{4} - 36 = \frac{225}{4} - \frac{144}{4} = \frac{81}{4}\]\[x = \sqrt{\frac{81}{4}} = \frac{9}{2}\]Długość krótszej podstawy $b$ wynosi:\[b = a - 2x = \frac{25}{2} - 2 \cdot \frac{9}{2} = \frac{25}{2} - 9 = \frac{25}{2} - \frac{18}{2} = \frac{7}{2}\]Obliczamy pole trapezu:\[P = \frac{a+b}{2} \cdot h = \frac{\frac{25}{2} + \frac{7}{2}}{2} \cdot 6 = \frac{\frac{32}{2}}{2} \cdot 6 = \frac{16}{2} \cdot 6 = 8 \cdot 6 = 48\]
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Podstawy trapezu mają długość $a$ i $b$, zaś długości ramion są równe $c$ i $d$. Oblicz pole tego trapezu, jeśli: $a = 30, b = 5, c = 25, d = 30$.
Pole trapezu wynosi $420$.
Zadanie 2 (1 pkt)
Pole trapezu jest równe $45 \text{ cm}^2$, a wysokość jest równa $5 \text{ cm}$. Oblicz długości podstaw trapezu, jeśli jedna z nich jest o $2 \text{ cm}$ dłuższa od drugiej.
Długości podstaw trapezu wynoszą $8 \text{ cm}$ i $10 \text{ cm}$.
Zadanie 3 (1 pkt)
W trapezie prostokątnym krótsze ramię ma długość $4$ cm. Odcinek łączący środki ramion trapezu ma długość $9$ cm. Oblicz pole tego trapezu.
Pole tego trapezu wynosi $36 \ \text{cm}^2$.
Zadanie 4 (4 pkt)
Przekątna trapezu równoramiennego ma długość $8 \text{ cm}$ i tworzy z krótszą podstawą kąt równy $60^\circ$. Oblicz pole tego trapezu.
Pole tego trapezu wynosi $16\sqrt{3} \text{ cm}^2$.
Zadanie 5 (5 pkt)
Dłuższa podstawa trapezu jest średnicą okręgu opisanego na tym trapezie i ma długość $5$. Przekątna trapezu ma długość $4$. Oblicz pole tego trapezu.
Pole tego trapezu wynosi $\frac{192}{25}$ (lub $7,68$).
