20.2 Trapezy
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
W trapezie $ABCD$, gdzie $AB \parallel DC$, miara kąta $ABC$ jest o $50\%$ większa od miary kąta $BAD$, natomiast miara kąta $BCD$ jest o $15^{\circ}$ mniejsza od miary kąta $CDA$. Wyznacz kąty tego trapezu.
Kąty trapezu wynoszą: $|\sphericalangle BAD| = 30^{\circ}$, $|\sphericalangle ABC| = 45^{\circ}$, $|\sphericalangle BCD| = 135^{\circ}$, $|\sphericalangle CDA| = 150^{\circ}$.
Oznaczmy miary kątów trapezu: $\alpha = |\sphericalangle BAD|$, $\beta = |\sphericalangle ABC|$, $\gamma = |\sphericalangle BCD|$, $\delta = |\sphericalangle CDA|$.
Z treści zadania wynikają następujące zależności:\[\beta = \alpha + 0.5\alpha = 1.5\alpha\]\[\gamma = \delta - 15^{\circ}\]W trapezie suma miar kątów leżących przy tym samym ramieniu jest równa $180^{\circ}$. Zatem:\[\alpha + \delta = 180^{\circ}\]\[\beta + \gamma = 180^{\circ}\]Otrzymujemy układ czterech równań z czterema niewiadomymi. Z równania $\alpha + \delta = 180^{\circ}$ wyznaczamy $\delta$:\[\delta = 180^{\circ} - \alpha\]Podstawiamy wyznaczone $\delta$ do równania na $\gamma$:\[\gamma = (180^{\circ} - \alpha) - 15^{\circ} = 165^{\circ} - \alpha\]Teraz podstawiamy wyrażenia na $\beta$ i $\gamma$ do równania $\beta + \gamma = 180^{\circ}$:\[1.5\alpha + (165^{\circ} - \alpha) = 180^{\circ}\]Rozwiązujemy otrzymane równanie z jedną niewiadomą $\alpha$:\[0.5\alpha + 165^{\circ} = 180^{\circ}\]\[0.5\alpha = 180^{\circ} - 165^{\circ}\]\[0.5\alpha = 15^{\circ}\]\[\alpha = \frac{15^{\circ}}{0.5} = 30^{\circ}\]Obliczamy miary pozostałych kątów:\[\beta = 1.5 \cdot 30^{\circ} = 45^{\circ}\]\[\delta = 180^{\circ} - 30^{\circ} = 150^{\circ}\]\[\gamma = 150^{\circ} - 15^{\circ} = 135^{\circ}\]Sprawdzenie: $\beta + \gamma = 45^{\circ} + 135^{\circ} = 180^{\circ}$.
Zadanie 2 (2 pkt)
W trapezie prostokątnym różnica długości podstaw wynosi 5, a krótsze ramię ma długość $5\sqrt{3}$. Oblicz:
a) długość dłuższego ramienia trapezu,
b) miarę kąta ostrego trapezu.
a) Długość dłuższego ramienia wynosi 10.
b) Miara kąta ostrego wynosi $60^\circ$.
Oznaczmy podstawy trapezu jako $a$ i $b$, gdzie $a$ jest dłuższą podstawą. Krótsze ramię, które jest jednocześnie wysokością trapezu, oznaczmy jako $h$. Dłuższe ramię oznaczmy jako $c$.
Z treści zadania wiemy, że:
Różnica długości podstaw: $a - b = 5$.
Długość krótszego ramienia (wysokość): $h = 5\sqrt{3}$.
Aby obliczyć długość dłuższego ramienia i miarę kąta ostrego, poprowadźmy wysokość z wierzchołka kąta rozwartego na dłuższą podstawę. Wysokość ta dzieli dłuższą podstawę na dwa odcinki: jeden o długości $b$ i drugi o długości $x = a - b$. W ten sposób powstaje trójkąt prostokątny o przyprostokątnych $h$ i $x$ oraz przeciwprostokątnej $c$.
a) Obliczenie długości dłuższego ramienia $c$.
Korzystamy z twierdzenia Pitagorasa dla utworzonego trójkąta prostokątnego:\[c^2 = h^2 + x^2\]Podstawiamy znane wartości $h = 5\sqrt{3}$ i $x = a - b = 5$:\[c^2 = (5\sqrt{3})^2 + 5^2\]\[c^2 = 25 \cdot 3 + 25\]\[c^2 = 75 + 25\]\[c^2 = 100\]\[c = \sqrt{100} = 10\]Dłuższe ramię ma długość 10.
b) Obliczenie miary kąta ostrego $\alpha$.
Kąt ostry trapezu to kąt w utworzonym trójkącie prostokątnym, leżący naprzeciw boku $h$. Możemy użyć funkcji tangens:\[\tan(\alpha) = \frac{\text{przyprostokątna naprzeciwko kąta}}{\text{przyprostokątna przy kącie}} = \frac{h}{x}\]Podstawiamy wartości:\[\tan(\alpha) = \frac{5\sqrt{3}}{5} = \sqrt{3}\]Z tablic wartości funkcji trygonometrycznych odczytujemy, że kąt, którego tangens wynosi $\sqrt{3}$, to $60^\circ$.\[\alpha = 60^\circ\]
Zadanie 3 (2 pkt)
W trapezie prostokątnym $ABCD$, $AB \parallel DC$, najdłuższe ramię $BC$ ma długość 13, a wysokość jest równa 12. Wiedząc, że odcinek łączący środki ramion ma długość $15\frac{1}{2}$, oblicz długości podstaw tego trapezu.
Długości podstaw tego trapezu wynoszą 18 i 13.
Niech $a$ i $b$ oznaczają długości podstaw trapezu, gdzie $a$ jest dłuższą podstawą. Długość $m$ odcinka łączącego środki ramion jest równa średniej arytmetycznej długości podstaw:\[m = \frac{a+b}{2}\]Z danych w zadaniu $m = 15\frac{1}{2} = 15.5$. Zatem:\[15.5 = \frac{a+b}{2}\]\[a+b = 2 \cdot 15.5 = 31\]To jest nasze pierwsze równanie. Aby znaleźć drugie, rozważmy trójkąt prostokątny utworzony przez wysokość opuszczoną z wierzchołka $C$ na podstawę $AB$, ramię $BC$ i fragment dłuższej podstawy. Oznaczmy spodek wysokości jako $E$. W trójkącie $CEB$ mamy:
- $|CE| = h = 12$ (wysokość trapezu)
- $|CB| = c = 13$ (dłuższe ramię)
- $|EB| = a - b$ (różnica długości podstaw)
Z twierdzenia Pitagorasa:\[|CE|^2 + |EB|^2 = |CB|^2\]\[12^2 + (a-b)^2 = 13^2\]\[144 + (a-b)^2 = 169\]\[(a-b)^2 = 169 - 144\]\[(a-b)^2 = 25\]\[a-b = 5\]Otrzymaliśmy układ równań:\[\begin{cases} a+b = 31 \\ a-b = 5 \end{cases}\]Dodając równania stronami:\[2a = 36\]\[a=18\]Podstawiając $a=18$ do pierwszego równania:\[18 + b = 31\]\[b = 31 - 18\]\[b = 13\]
Zadanie 4 (3 pkt)
W trapezie podstawy mają długości $a$, $b$, zaś ramiona – $c$, $d$. Oblicz wysokość trapezu, jeśli:
a) $a = 30$, $b = 5$, $c = 25$, $d = 30$
b) $a = 18$, $b = 4$, $c = 13$, $d = 15$
a) $h=24$
b) $h=12$
Niech $h$ będzie wysokością trapezu. Po opuszczeniu wysokości z wierzchołków krótszej podstawy na dłuższą podstawę, dłuższą podstawę można podzielić na trzy odcinki. Oznaczmy odcinki przy ramionach jako $x$ i $y$. Wtedy $x+y = a-b$. Z twierdzenia Pitagorasa dla dwóch trójkątów prostokątnych utworzonych przez wysokości, ramiona i odcinki $x$ oraz $y$ otrzymujemy układ równań:\[ \begin{cases} h^2 + x^2 = c^2 \\ h^2 + y^2 = d^2 \end{cases} \]a) Mamy dane $a = 30$, $b = 5$, $c = 25$, $d = 30$.
Suma długości odcinków $x$ i $y$ wynosi $x+y = 30 - 5 = 25$, stąd $y = 25-x$.
Podstawiamy dane do układu równań:\[ \begin{cases} h^2 + x^2 = 25^2 \\ h^2 + (25-x)^2 = 30^2 \end{cases} \]Z pierwszego równania wyznaczamy $h^2 = 625 - x^2$ i podstawiamy do drugiego równania:\[ 625 - x^2 + (25-x)^2 = 900 \]\[ 625 - x^2 + 625 - 50x + x^2 = 900 \]\[ 1250 - 50x = 900 \]\[ 50x = 350 \]\[ x = 7 \]Teraz obliczamy wysokość $h$:\[ h^2 = 625 - 7^2 = 625 - 49 = 576 \]\[ h = \sqrt{576} = 24 \]b) Mamy dane $a = 18$, $b = 4$, $c = 13$, $d = 15$.
Suma długości odcinków $x$ i $y$ wynosi $x+y = 18 - 4 = 14$, stąd $y = 14-x$.
Podstawiamy dane do układu równań:\[ \begin{cases} h^2 + x^2 = 13^2 \\ h^2 + (14-x)^2 = 15^2 \end{cases} \]Z pierwszego równania wyznaczamy $h^2 = 169 - x^2$ i podstawiamy do drugiego równania:\[ 169 - x^2 + (14-x)^2 = 225 \]\[ 169 - x^2 + 196 - 28x + x^2 = 225 \]\[ 365 - 28x = 225 \]\[ 28x = 140 \]\[ x = 5 \]Teraz obliczamy wysokość $h$:\[ h^2 = 169 - 5^2 = 169 - 25 = 144 \]\[ h = \sqrt{144} = 12 \]
Zadanie 5 (3 pkt)
Wysokość trapezu równoramiennego jest równa 6, a kąty ostre mają po $60^\circ$. Wiedząc, że wysokości poprowadzone z wierzchołków kątów rozwartych dzielą dłuższą podstawę na trzy równe odcinki, oblicz długości boków tego trapezu.
Długości boków trapezu to: dłuższa podstawa $6\sqrt{3}$, krótsza podstawa $2\sqrt{3}$ oraz ramiona o długości $4\sqrt{3}$.
Oznaczmy boki trapezu: $a$ - dłuższa podstawa, $b$ - krótsza podstawa, $c$ - ramię. Wysokość trapezu $h=6$, a kąt ostry $\alpha = 60^\circ$.
Zgodnie z warunkami zadania, wysokości opuszczone na dłuższą podstawę dzielą ją na trzy równe odcinki. Oznaczmy długość każdego z tych odcinków jako $x$. Wówczas krótsza podstawa $b=x$, a dłuższa podstawa $a=3x$.
Rozważmy trójkąt prostokątny utworzony przez ramię $c$, wysokość $h$ i odcinek $x$. Kąt ostry w tym trójkącie wynosi $60^\circ$. Użyjemy funkcji trygonometrycznych do obliczenia $x$ i $c$.
Z definicji tangensa:\[
\tan(\alpha) = \frac{h}{x}
\]\[
\tan(60^\circ) = \frac{6}{x}
\]\[
\sqrt{3} = \frac{6}{x}
\]Stąd:\[
x\sqrt{3} = 6
\]\[
x = \frac{6}{\sqrt{3}} = \frac{6\sqrt{3}}{3} = 2\sqrt{3}
\]Z definicji sinusa:\[
\sin(\alpha) = \frac{h}{c}
\]\[
\sin(60^\circ) = \frac{6}{c}
\]\[
\frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{6}{c}
\]Mnożąc na krzyż, otrzymujemy:\[
c\sqrt{3} = 12
\]\[
c = \frac{12}{\sqrt{3}} = \frac{12\sqrt{3}}{3} = 4\sqrt{3}
\]Obliczamy długości podstaw:
Krótsza podstawa: $b = x = 2\sqrt{3}$.
Dłuższa podstawa: $a = 3x = 3 \cdot 2\sqrt{3} = 6\sqrt{3}$.
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
W trapezie $ABCD$, gdzie $AB \parallel DC$, miara kąta $ABC$ jest o $50\%$ większa od miary kąta $BAD$, natomiast miara kąta $BCD$ jest o $15^{\circ}$ mniejsza od miary kąta $CDA$. Wyznacz kąty tego trapezu.
Kąty trapezu wynoszą: $|\sphericalangle BAD| = 120^{\circ}$, $|\sphericalangle ABC| = 144^{\circ}$, $|\sphericalangle BCD| = 36^{\circ}$, $|\sphericalangle CDA| = 60^{\circ}$.
Zadanie 2 (2 pkt)
W trapezie prostokątnym różnica długości podstaw wynosi 6, a krótsze ramię ma długość 6. Oblicz:
a) długość dłuższego ramienia trapezu,
b) miarę kąta ostrego trapezu.
a) Długość dłuższego ramienia wynosi $6\sqrt{2}$.
b) Miara kąta ostrego wynosi $45^\circ$.
Zadanie 3 (2 pkt)
W trapezie prostokątnym $ABCD$, $AB \parallel DC$, najdłuższe ramię $BC$ ma długość 17, a wysokość jest równa 15. Wiedząc, że odcinek łączący środki ramion ma długość 21, oblicz długości podstaw tego trapezu.
Długości podstaw tego trapezu wynoszą 25 i 17.
Zadanie 4 (3 pkt)
W trapezie podstawy mają długości $a$, $b$, zaś ramiona – $c$, $d$. Oblicz wysokość trapezu, jeśli:
a) $a = 30$, $b = 9$, $c = 10$, $d = 17$
b) $a = 20,5$, $b = 5,5$, $c = 13$, $d = 4$
a) $h=8$
b) $h=3,2$
Zadanie 5 (3 pkt)
Wysokość trapezu równoramiennego jest równa 5, a kąty ostre mają po $45^\circ$. Wiedząc, że wysokości poprowadzone z wierzchołków kątów rozwartych dzielą dłuższą podstawę na trzy równe odcinki, oblicz długości boków tego trapezu.
Długości boków trapezu to: dłuższa podstawa $15$, krótsza podstawa $5$ oraz ramiona o długości $5\sqrt{2}$.
