Как найти многоугольник на чертеже

Любой правильный многоугольник можно вписать в окружность. Что нужно знать об этом, показано в этом уроке.

Геометрические построения при делении окружности на n частей

Деление окружности на n частей показано на рис.22.

? Контрольные вопросы:

1. В чём разница между кругом и окружностью?

2. Дайте определение, что такое многоугольник?

3. Что такое хорда?

Дополнительная информация:

Черчение Урок №1 Основы черчения Линии чертежа”

Черчение Урок №1 (продолжение) Как наносят размеры по стандарту

Черчение Урок №2 Графическая работа Чертеж плоской детали

Черчение Урок №3 Шрифты чертежные ГОСТ 2.304-81

Черчение Урок №4 Чертежи в системе прямоугольных проекций

Черчение Урок №5 Прямоугольное проецирование

Черчение Урок №6 Расположение видов на чертеже

Черчение Урок №7 Геометрические построения

Черчение Урок №8 Геометрические построения (продолжение)

Черчение Урок №9 Окружность Построение многоугольников

Черчение Урок №10 Касательная к окружности

Черчение Урок №11 Графические построения Сопряжения

Черчение Урок №12 Графические построения Овалы

Черчение Урок №13 Графические построения Завиток

Черчение Урок №14 Графические построения Лекальные кривые

Содержание:

Изучив материал этой лекции, вы узнаете формулу, с помощью которой можно найти сумму углов выпуклого многоугольника.

• Вы расширите свои представления о такой знакомой вам величине, как площадь.
• Вы научитесь находить площадь параллелограмма, треугольника, трапеции.

Определение многоугольников

Рассмотрим фигуру, состоящую из точек

Фигура, образованная этими отрезками, ограничивает часть плоскости, выделенную на рисунке 195 зеленым цветом. Эту часть плоскости вместе с отрезками  называют многоугольником. Точки называют вершинами многоугольника, а указанные выше отрезки — сторонами многоугольника.

Стороны, являющиеся соседними отрезками, называют соседними сторонами многоугольника. Вершины, являющиеся концами одной стороны, называют соседними вершинами многоугольника.

Две соседние стороны многоугольника образуют угол многоугольника. Например, на рисунке 196  — углы многоугольника, а не является углом многоугольника.

Многоугольник называют по количеству его углов: треугольник, четырехугольник, пятиугольник и т. п.

Многоугольник обозначают по его вершинам. Например, на рисунке 197 изображен пятиугольник ABCDE. В обозначении многоугольника буквы, стоящие рядом, соответствуют соседним вершинам. Например, пятиугольник, изображенный на рисунке 197, можно обозначить еще и так: CDEAB, EABCD, EDCBA и т. д.

Периметром многоугольника называют сумму длин всех его сторон.

Отрезок, соединяющий несоседние вершины многоугольника, называют диагональю. Например, на рисунке 198 отрезок АЕ — диагональ шестиугольника ABCDEF.

На рисунке 199 изображен многоугольник, все углы которого меньше развернутого. Такой многоугольник называют выпуклым. Из сказанного следует, что любой треугольник является выпуклым многоугольником. Заметим, что многоугольники, изображенные на рисунках 196-198, не являются выпуклыми.

Выпуклый многоугольник обладает такими свойствами:

1. выпуклый многоугольник расположен в одной полуплоскости относительно любой прямой, содержащей его сторону (рис. 200);
2. выпуклый многоугольник, отличный от треугольника, содержит любую свою диагональ (рис. 201).

Если многоугольник не является выпуклым, то он такими свойствами не обладает (рис. 198, 202).

Теорема 19.1. Сумма углов выпуклого n-угольника равна

Доказательство. Для случая n = 3 теорема была доказана в 7 классе (теорема 16.1).

Пусть  На рисунке 203 изображен выпуклый n-угольник

Докажем, что сумма всех его углов равна 180° (n-2).

Проведем все его диагонали, выходящие из вершины Эти диагонали разбивают данный многоугольник на (n – 2) треугольника. Сумма всех углов этих треугольников равна сумме углов n-угольника. Поскольку сумма углов каждого треугольника равна 180°, то искомая сумма равна 180° (n – 2). 

Отметим, что эта теорема справедлива и для любого многоугольника, не являющегося выпуклым.

Определение. Окружность называют описанной около многоугольника, если она проходит через все его вершины.

На рисунке 204 изображена окружность, описанная около многоугольника. В этом случае также говорят, что многоугольник вписан в окружность.

Центр окружности, описанной около многоугольника, равноудален от всех его вершин. Следовательно, этот центр принадлежит серединным перпендикулярам всех сторон многоугольника, вписанного в окружность.

Около многоугольника можно описать окружность, если существует точка, равноудаленная от всех его вершин. Следовательно, если серединные перпендикуляры всех сторон многоугольника пересекаются в одной точке, то около такого многоугольника можно описать окружность.

Определение. Окружность называют вписанной в многоугольник, если она касается всех его сторон.

На рисунке 205 изображена окружность, вписанная в многоугольник. В этом случае также говорят, что многоугольник описан около окружности.

Центр окружности, вписанной в многоугольник, равноудален от всех его сторон. Следовательно, этот центр принадлежит биссектрисам всех углов многоугольника, описанного около окружности.

Понятие площади многоугольника. Площадь прямоугольника

С такой величиной, как площадь, вы часто встречаетесь в повседневной жизни: площадь квартиры, площадь дачного участка, площадь поля и т. п.

Опыт подсказывает вам, что равные земельные участки имеют равные площади, что площадь квартиры равна сумме площадей всех ее помещений (комнат, кухни, коридора и т. д.).

Вы знаете, что площади земельных участков измеряют в сотках (арах) и гектарах; площади регионов и государств — в квадратных километрах; площадь квартиры — в квадратных метрах.

На этих практических знаниях о площади основывается определение площади многоугольника.

Определение. Площадью многоугольника называют положительную величину, которая обладает следующими свойствами:

1. равные многоугольники имеют равные площади;
2. если многоугольник составлен из нескольких многоугольников, то его площадь равна сумме площадей этих многоугольников;
3. за единицу измерения площади принимают единичный квадрат, то есть квадрат со стороной, равной единице измерения длины.

Измерить площадь многоугольника — это значит сравнить его площадь с площадью единичного квадрата. В результате получают числовое значение площади данного многоугольника. Это число показывает, во сколько раз площадь данного многоугольника отличается от площади единичного квадрата.

Например, если клетку вашей тетради принять за единичный квадрат, то площадь многоугольника, изображенного на рисунке 207, будет равна 11 квадратным единицам (кратко записывают: 11 ед.²). 

Обычно для нахождения площади используют формулы, то есть вычисляют площадь многоугольника по определенным элементам (сторонам, диагоналям, высотам и т. д.). Некоторые из формул вы уже знаете. Например, вы неоднократно применяли формулу S = ab, где S — площадь прямоугольника, а и b — длины его соседних сторон.

Для доказательства этой формулы потребуется следующая лемма.
Лемма. Площадь квадрата со стороной ед. (n — натуральное число) равна

Доказательство. Рассмотрим единичный квадрат и разделим его на равных квадратов со стороной (рис. 208).
Из определения площади многоугольника (свойство 1) следует, что все эти квадраты имеют равные площади. По свойству 2 сумма площадей этих квадратов равна площади единичного квадрата, то есть 1 ед.². Поэтому площадь каждого маленького квадрата равна

Теорема 20.1. Площадь прямоугольника равна произведению длин его соседних сторон.

Доказательство. На рисунке 209 изображен прямоугольник ABCD, длины соседних сторон которого равны a и b: АВ = а, ВС = b. Докажем для случая, когда а и b — рациональные числа, что площадь S прямоугольника вычисляют по формуле S = ab.

Числа а и b представим в виде обыкновенных дробей с одинаковыми знаменателями:
 где – натуральные числа.
Разделим сторону АВ на р равных частей, а сторону ВС — на q равных частей. Через точки деления проведем прямые, параллельные сторонам прямоугольника. Тогда прямоугольник будет разделен на равных квадратов со стороной 

Согласно лемме площадь каждого квадрата равна Из определения площади (свойство 2) следует, что площадь прямоугольника равна сумме площадей всех квадратов, то есть
Рассмотрение случая, когда хотя бы одно из чисел а или b является иррациональным, выходит за рамки школьного курса геометрии. 

Определение. Многоугольники, имеющие равные площади, называют равновеликими.

Из определения площади (свойство 1) следует, что все равные фигуры равновелики. Однако не все фигуры, имеющие равные площади, являются равными. Например, на рисунке 210 изображены два многоугольника, каждый из которых составлен из семи единичных квадратов. Эти многоугольники равновелики, но не равны.

Площадь параллелограмма

Теорема 21.1. Площадь параллелограмма равна произведению его стороны и высоты, проведенной к этой стороне.

Доказательство. На рисунке 214 изображены параллелограмм ABCD, площадь которого равна S, и его высота ВМ. Докажем, что S = ВС • ВМ.

Проведем высоту CN. Легко показать (сделайте это самостоятельно), что четырехугольник MBCN — прямоугольник. Покажем, что он равновелик данному параллелограмму.

Площадь параллелограмма равна сумме площадей треугольника АВМ и трапеции MBCD. Площадь прямоугольника равна сумме площадей указанной трапеции и треугольника DCN. Однако треугольники АВМ и DCN равны по гипотенузе и острому углу (отрезки АВ и CD равны как противолежащие стороны параллелограмма, углы 1 и 2 равны как соответственные при параллельных прямых АВ и DC и секущей AD). Значит, эти треугольники равновелики. Отсюда следует, что параллелограмм ABCD и прямоугольник MBCN равновелики.

По теореме 20.1 площадь прямоугольника MBCN равна произведению длин сторон ВС и ВМ. Тогда S = ВС • ВМ, где S — площадь параллелограмма ABCD.

Для завершения доказательства надо рассмотреть случаи, когда основание М высоты ВМ не будет принадлежать стороне AD (рис. 215) или совпадет с вершиной D (рис. 216). И в этом случае параллелограмм ABCD и прямоугольник MBCN будут равновеликими. Докажите этот факт самостоятельно. 

Если обозначить длины стороны параллелограмма и проведенной к ней высоты соответственно буквами а и h, то площадь S параллелограмма вычисляют по формуле 

Площадь треугольника

Теорема 22.1. Площадь треугольника равна половине произведения его стороны и проведенной к ней высоты.

Доказательство. На рисунке 220 изображены треугольник АВС, площадь которого равна S, и его высота ВМ. Докажем, что
Через вершины В и С треугольника проведем прямые, параллельные сторонам АС и АВ соответственно (рис. 220). Пусть эти прямые пересекаются в точке N. Четырехугольник ABNC — параллелограмм по определению. Треугольники АВС и NCB равны (докажите это самостоятельно). Следовательно, равны и их площади. Тогда площадь треугольника АВС равна половине площади параллелограмма ABNC. Высота ВМ треугольника АВС является также высотой параллелограмма
ABNC. Отсюда

Если воспользоваться обозначениями для высот и сторон треугольника АВС, то согласно доказанной теореме имеем:

где S — площадь треугольника.   

Следствие. Площадь прямоугольного треугольника равна половине произведения его катетов.    

Докажите эту теорему самостоятельно.   

Пример №1

Докажите, что площадь ромба равна половине произведения его диагоналей.

Решение:

На рисунке 221 изображен ромб ABCD, площадь которого равна S. Его диагонали АС и BD пересекаются в точке О. Докажем, что
Поскольку диагонали ромба перпендикулярны, то отрезки АО и СО являются высотами треугольников BAD и BCD соответственно. Тогда можно записать:

Площадь трапеции

Теорема 23.1. Площадь трапеции равна произведению полусуммы ее оснований и высоты.

Доказательство. На рисунке 224 изображена трапеция ABCD (AD||BC), площадь которой равна S. Отрезок CN — высота этой трапеции. Докажем, что

Проведем диагональ АС и высоту AM трапеции. Отрезки AM и CN являются высотами треугольников АВС и ACD соответственно.

Имеем:

Если обозначить длины оснований трапеции и ее высоты соответственно буквами то площадь S трапеции вычисляют по формуле

Следствие. Площадь трапеции равна произведению ее средней линии и высоты.

Равносоставленные и равновеликие многоугольники

Если некоторый многоугольник можно разрезать на части и составить из них другой многоугольник, то такие два многоугольника называют равносоставленными.

Например, если прямоугольник разрезать вдоль его диагонали (рис. 228), то получим два равных прямоугольных треугольника, из которых можно составить равнобедренный треугольник (рис. 229). Фигуры на рисунках 228 и 229 — равно составленные.

Очевидно, что равносоставленные многоугольники являются равновеликими. Этот факт применяют при доказательстве теорем и решении задач. Например, доказывая теорему 21.1, мы фактически разрезали параллелограмм на треугольник АВМ и трапецию MBCD, из которых составили прямоугольник MBCN (см. рис. 215).

Если треугольник разрезать вдоль средней линии, то из полученных треугольника и трапеции можно составить параллелограмм (рис. 230).

Легко установить (сделайте это самостоятельно), что такое разрезание треугольника приводит к еще одному доказательству теоремы о площади треугольника (теорема 22.1). Этой же цели служит разрезание треугольника на части, из которых можно составить прямоугольник (рис. 231).

Евклид в своей знаменитой книге «Начала» формулирует теорему Пифагора так:

«Площадь квадрата, построенного на гипотенузе, равна сумме площадей квадратов, построенных на катетах».

Если показать, что можно разрезать квадраты, построенные на катетах, на части и составить из этих частей квадрат со стороной, равной гипотенузе, то тем самым будет доказана теорема Пифагора.

На рисунке 232 показан один из возможных способов такого разрезания. Квадраты, построенные на катетах, разрезаны на части, площади которых равны  Из этих частей сложен квадрат, построенный на гипотенузе.

Из определения площади многоугольника следует, что равносоставленные многоугольники являются равновеликими. Но совсем неочевидной является такая теорема.

Теорема. Любые два равновеликих многоугольника являются равносоставленными.

Впервые этот факт доказал в 1832 г. венгерский математик Фаркаш Бойяи. Позднее немецкий математик Пауль Гервин нашел другое доказательство. Поэтому эту теорему называют теоремой Бойяи—Гервина.

Теорема Чевы

На сторонах ВС, СА и АВ треугольника АВС отметим произвольные точки (рис. 234). Каждый из отрезков АЛ,, BBV СС, называют чевианой треугольника АВС. Такое название связано с именем итальянского инженера и математика Джованни Чевы (1648-1734), открывшего удивительную теорему.

Если точки выбраны так, что чевианы являются биссектрисами, либо медианами, либо высотами остроугольного треугольника, то эти чевианы пересекаются в одной точке.

Если три прямые пересекаются в одной точке, то их называют конкурентными.

Теорема Чевы дает общий критерий конкурентности произвольных трех чевиан.

Теорема. Для того чтобы, чевианы треугольника АВС пересекались в одной точке, необходимо и достаточно, чтобы выполнялось равенство

Доказательство. Докажем сначала необходимое условие конкурентности: если чевианы пересекаются в одной точке, то выполняется равенство (*).

Воспользовавшись результатом ключевой задачи 757, можно записать (рис. 235):

Перемножив записанные равенства, получим равенство (*).

Докажем теперь достаточное условие конкурентности: если выполняется равенство (*), то чевианы пересекаются в одной точке.

Пусть чевианы пересекаются в точке D, а чевиана, проходящая через вершину С и точку D, пересекает сторону АВ в некоторой точке Из доказанного выше можно записать:

Сопоставляя это равенство с равенством (*), приходим к выводу, что  то есть точки делят отрезок АВ в одном и том же отношении, а значит, эти точки совпадают. Следовательно, прямая CD пересекает сторону АВ в точке

Напомню:

Сумма углов выпуклого n-угольника
Сумма углов выпуклого n-угольника равна 180° (n – 2).

Окружность, описанная около многоугольника
Окружность называют описанной около многоугольника, если она проходит через все его вершины.

Окружность, вписанная в многоугольник
Окружность называют вписанной в многоугольник, если она касается всех его сторон.

Площадь многоугольника
Площадью многоугольника называют положительную величину,
которая обладает следующими свойствами:

1. равные многоугольники имеют равные площади;
2. если многоугольник составлен из нескольких многоугольников, то его площадь равна сумме площадей этих многоугольников;
3. за единицу измерения площади принимают единичный квадрат, то есть квадрат со стороной, равной единице измерения длины.

Площадь прямоугольника
Площадь прямоугольника равна произведению длин его соседних сторон.

Равновеликие многоугольники
Многоугольники, имеющие равные площади, называют равновеликими.

Площадь параллелограмма
Площадь параллелограмма равна произведению его стороны и высоты, проведенной к этой стороне.

Площадь треугольника
Площадь треугольника равна половине произведения его стороны и проведенной к ней высоты.

Площадь прямоугольного треугольника
Площадь прямоугольного треугольника равна половине произведения его катетов.

Площадь трапеции

• Площадь трапеции равна произведению полусуммы ее оснований и высоты.
• Площадь трапеции равна произведению ее средней линии и высоты.

Ломанная линия и многоугольники

Ломаная линия состоит из таких нескольких последовательно-соединенных отрезков: конец первого является началом второго, конец второго является началом третьего и т.д. Если конечная точка последнего отрезка совпадает с начальной точкой первого отрезка, то ломаная называется замкнутой. Многоугольник – это фигура, образованная замкнутой ломаной линией, в которой смежные отрезки не лежат на одной прямой, а несмежные – не пересекаются.

• Многоугольник – это плоская фигура.
• Стороны состоят из конечного числа отрезков.
• Многоугольник это замкнутая фигура, делящая плоскость на 2 части: внутреннюю замкнутую область и внешнюю бесконечную область.
• Многоугольник обозначают буквами, указывающими его вершины.

Многоугольники бывают выпуклые и вогнутые. Многоугольник называется выпуклым, если он лежит в одной полуплоскости относительно любой прямой содержащей его сторону. Если не лежит в одной полуплоскости – вогнутым.

Многоугольник называется правильным, если у него все стороны все углы конгруэнтны.

В многоугольнике количество вершин, сторон и углов одинаковые. Многоугольник с – сторонами называют еще и – угольным.

Соответственно количеству сторон, многоугольники называются треугольными, четырехугольными, пятиугольными, шестиугольными т.д. Из любой вершины выпуклого – угольника выходят диагонали.

Внутренние и внешние углы многоугольника

Угол, образованный двумя сторонами, исходящими из данной вершины называется внутренним углом при данной’ вершине выпуклого многоугольника. Угол, смежный с внутренним углом многоугольника называется внешним. Сумма внутренних и внешних углов (взятых по одному при каждой вершине) многоугольника при любой вершине равна .

Теорема 1. Сумма внутренних углов выкуплого – угольника равна .

Следствие: Каждый внутренний угол правильного – угольника равен

Теорема 2. Сумма внешних углов выкуплого многоугольника равен .

Следствие 2. Каждый внешний угол правильного – угольника равен .

Пример №2

Один из внешних углов правильного многоугольника равен .

a) найдите градусную меру внутреннего угла многоугольника;

b) найдите число сторон многоугольника.

Решение: а) ;

Внутренний угол:

b)

Многоугольники вписанные в окружность и описанные около окружности

Определение 1. Многоугольник называется вписанным в окружность, если все его вершины лежат на окружности, а окружность называется описанной около многоугольника. На рисунке треугольник вписан в окружность.

Определение 2. Многоугольник называется описанным около окружности, если все его стороны касаются окружности, а окружность называется вписанной в многоугольник. На рисунке четырехугольник описан около окружности.

Окружность, вписанная в треугольник и описанная около нее

Теорема 1. В любой треугольник можно вписать окружность. Центром этой окружности будет точка пересечения биссектрис углов треугольника.

Теорема 2. Около любого треугольника можно описать окружность. Центром этой окружности будет точка пересечения серединных перпендикуляров к сторонам треугольника.

Теорема 3. Если в окружность вписан прямоугольный треугольник, то гипотенуза является диаметром этой окружности.

Обратная теорема. Если сторона треугольника, вписанного в окружность, является диаметром, то этот треугольник – прямоугольный.

Доказательство 1-ой теоремы (текстовое). Проведем биссектрисы углов и треугольника и точку пересечения обозначим буквой . Произвольная точка, взятая на биссектрисе находится на одинаковом расстоянии от сторон угла. Поэтому Точка находится и на биссектрисе угла (почему?). Нарисуем окружность с центром в точке и радиусом Так как стороны треугольника перпендикулярны радиусам то в точках они касаются окружности. А значит, эта окружность является вписанной в треугольник.

Доказательство 2-ой теоремы. Через середины сторон и треугольника проведем перпендикуляры и точку их пересечения обозначим буквой . По свойству серединного перпендикуляра к отрезку . Так как равнобедренный, то точка находится и на серединном перпендикуляре стороны . Окружность с центром в точке и радиусом , пройдя через все вершины треугольника, будет описанной около нее.

Замечание: Около данного треугольника можно описать только одну окружность. В данную окружность можно вписать бесконечное количество треугольников.

Свойства четырехугольников, вписанных в окружность и описанного около нее

В отличие от треугольников, не во всякий четырехугольник можно вписать или описать окружность.

Теорема 4. В любом описанном четырехугольнике суммы противоположных сторон равны.

Обратная теорема. Если суммы противоположных сторон четырехугольника равны, то в этот четырехугольник можно вписать окружность.

Теорема 5. Сумма двух противоположных углов четырехугольника, вписанного в окружность, равна

Обратная теорема. Если сумма противоположных углов четырехугольника равна , то около этого четырехугольника можно описать окружность.

Доказательство теоремы 4: Пусть точки будут точками касания сторон четырехугольника. По свойству касательных, проведенных из данной точки к окружности,

Если сложить почленно эти равенства, получим или же

Отношение стороны треугольника, вписанного в окружность, к синусу противолежащего угла равно диаметру этой окружности:

Исследуйте данное доказательство для случая, когда центр окружности расположен внутри треугольника, обсудите и напишите в тетради.

В любой правильный многоугольник можно вписать и описать окружность. Центры этих окружностей совпадут. Биссектрисы углов правильного многоугольника пересекаются в точке и образуют равнобедренные треугольники конгруэнтные показанному на рисунке (по признаку УСУ). Нарисуем окружность радиусом с центром в точке . Эта окружность, пройдя через все вершины, будет описанной окружностью. окружность с радиусом , касаясь всех сторон многоугольника, будет вписанной окружностью. – радиус окружности, описанной около правильного -угольника, -радиус вписанной окружности, -сторона правильного -угольника, – центральный угол

Задача на построение: Постройте правильный шестиугольник.

1. Нарисуйте отрезок , равный стороне правильного шестиугольника.

2. Циркулем нарисуйте окружность, радиус которой равен длине этого отрезка.

3. Не меняя раствора циркуля, разбейте всю окружность на части одинаковой длины и отметьте их точками.

4. Соедините последовательно отмеченные точки. Получится правильный шестиугольник, вписанный в окружность.

Если соединить попарно некоторые вершины правильного шестиугольника , например, вершины , то получится правильный треугольник. Чтобы построить правильный четырехугольник, нужно провести два взаимно перпендикулярных диаметра и последовательно соединить их концы. Если в окружность вписан правильный – угольник, то отметив точки пересечения серединных перпендикуляров с окружностью, получим точки являющиеся вершинами правильного -угольника.

Площадь правильного многоугольника

Центр правильного многоугольника. Центр окружности, описанного около правильного многоугольника или вписанного в него, является центром правильного многоугольника. Центр правильного многоугольника находится на одинаковом расстоянии от всех вершин и всех сторон многоугольника.

Апофема правильного многоугольника. Перпендикуляр, проведенный из центра многоугольника к его стороне, называется апофемой. Апофема правильного многоугольника равна радиусу вписанной окружности.

Выполните следующее упражнение по шагам и выведите формулу зависимости площади правильного многоугольника от апофемы.

1. Нарисуйте правильный пятиугольник .

2. Из центра проведите перпендикуляр, делящий сторону пополам.

3. Соедините точки и с центром .

4. Выразите площадь треугольника переменными и . Обратите внимание какому измерению многоугольника соответствует высота треугольника.

5. Соедините точки с точкой . Сравните площади полученных треугольников.

6. Обратите внимание на то, что площадь пятиугольника равна сумме площадей этих треугольников. Площадь пятиугольника:

7. Какому измерению соответствует выражение ? Выразите площадь пятиугольника через его периметр.

Площадь правильного многоугольника:

Соединив центр правильного -угольника с вершинами, получится количество равнобедренных конгруэнтных треугольников.

-длина стороны многоугольника , -число сторон, -апофема.

Пример №3

В окружность радиусом равным единице, вписан правильный пятиугольник. Найдите площадь пятиугольника. Решение:

Площадь многоугольника:

Нужно найти апофему и периметр .

Центральный угол равен . – равнобедренный треугольник, а значит его высота является и медианой, и биссектрисой.

Тогда . Чтобы найти стороны треугольника , воспользуемся тригонометрическими соотношениями .

– апофема пятиугольника,

Сторона пятиугольника:

Историческое сведение. В 3-ем веке до н.э. Архимед – древнегреческий ученый, для того, чтобы определить численное значение , воспользовался периметрами правильных; многоугольников описанных и вписанных в окружность. Пользуясь данным способом исследуйте значение .

1. Принимая за единицу диаметр окружности, найдите периметр вписанного шестиугольника.

2. Покажите, что длина окружности с единичным диаметром равна .

3. Нарисуйте радиус окружности. Найдите периметр описанного шестиугольника.

4. Напишите неравенство: .

Увеличив число сторон многоугольника в 2 раза и продолжая вычисления для 12-ти, а затем для 96-ти угольного многоугольника Архимед, определил, что значения больше , но меньше .

Паркетирование

Паркетированием называется покрытие площади фигурами до заполнения всей пустоты.

Если сумма углов при общей вершине многоугольника равна , то паркетированием можно покрыть всю пустую часть площади. Паркетирование возможно при помощи правильных треугольников, ромбов (квадратов) и правильных шестиугольников. Однако, при помощи правильных пятиугольников это сделать невозможно, потому что, градусная мера одного угла равна , а сумма углов при общей вершине трех пятиугольников , а четырех пятиугольников .

Справочный материал по многоугольникам

Многоугольник и его элементы.

Сумма углов выпуклого многоугольника. многоугольник, вписанный в окружность, и многоугольник, описанный около окружности.

Рассмотрим фигуру изображенную на рисунке 213. Она состоит из отрезков   и  При этом отрезки размещены так, что соседние отрезки ( и и и ) не лежат на одной прямой, а несоседние отрезки не имеют общих точек. Такую фигуру называют многоугольником. Точки называют вершинами многоугольника, а отрезки – сторонами многоугольника.

Очевидно, что количество вершин многоугольника равно количеству его сторон.

Сумму длин всех сторон многоугольника называют его периметром.

Наименьшее количество вершин (сторон) у многоугольника – три. В этом случае имеем треугольник. Еще одним отдельным видом многоугольника является четырехугольник.

Многоугольник, у которого вершин, называют угольником. На рисунке 213 изображен шестиугольник 

Две стороны многоугольника называют соседними, если они имеют общую  вершину. Стороны многоугольника, не имеющие общей вершины, называют несоседними. Например, стороны и – соседние, a  и – несоседние (рис. 213).

Две вершины многоугольника называют соседними, если они принадлежат одной стороне, а вершины многоугольника, не принадлежащие одной стороне, называют несоседними.

Например, вершины и – соседние, и – несоседние (рис. 213).

Отрезок, соединяющий две несоседние вершины многоугольника, называют диагональю многоугольника. На рисунке 214 изображены диагонали многоугольника  выходящие из вершины  

Пример №4

Сколько диагоналей имеет угольник?

Решение:

Из каждой вершины угольника выходит  диагонали. Всего вершин  а каждая диагональ повторяется дважды, например и Поэтому всего диагоналей у угольника будет 

Ответ.

Углы, стороны которых содержат соседние стороны многоугольника, называют углами многоугольника. Пятиугольник имеет углы

Если каждый из углов многоугольника меньше развернутого, то такой многоугольник называют выпуклым. Если хотя бы один угол многоугольника больше развернутого, то такой многоугольник называют невыпуклым.

Многоугольник  – выпуклый (рис. 215), а многоугольник – невыпуклый (рис. 216), так как угол при вершине больше чем 180°.

Теорема (о сумме углов выпуклого угольника). Сумма углов выпуклого угольника равна

Доказательство:

Выберем во внутренней области многоугольника произвольную точку и соединим ее со всеми вершинами угольника (рис. 217). Получим треугольников, сумма всех углов которых равна  Сумма углов с вершиной в точке  равна  Сумма углов данного угольника равна сумме углов всех треугольников, кроме углов с вершиной в точке  то есть:

Углы выпуклого многоугольника называют еще его внутренними углами. Угол, смежный с внутренним углом многоугольника, называют внешним углом многоугольника. На рисунке 218 угол — внешний угол многоугольника – при вершине

Очевидно, что каждый многоугольник имеет по два внешних угла при каждой вершине. 

Пример №5

Докажите, что сумма внешних углов выпуклого угольника, взятых по одному при каждой вершине, равна 360°.

Решение:

Сумма внутреннего и внешнего углов при каждой вершине многоугольника равна 180°. Поэтому сумма всех внутренних и внешних углов угольника равна  Так как сумма внутренних углов равна то сумма внешних углов равна:

Многоугольник называют вписанным в окружность, если все его вершины лежат на окружности. Окружность при этом называют описанной около многоугольника (рис. 219). 

Около многоугольника не всегда можно описать окружность. Если же это возможно, то центром такой окружности является точка пересечения серединных перпендикуляров к сторонам многоугольника (как и в случае треугольника).

Многоугольник называют описанным около окружности, если все его стороны касаются окружности. Окружность при этом называют вписанной в многоугольник (рис. 220).

Не в каждый многоугольник можно вписать окружность. Если же это возможно, то центром такой окружности является точка пересечения биссектрис внутренних углов многоугольника (как и в случае треугольника).

Многоугольник и его свойства

Вы уже знаете, что такое треугольник и четырёхугольник. Более общим является понятие многоугольника. На рисунке 327 вы видите многоугольник ABCDEF. Он состоит из отрезков АВ, ВС, CD, DE, EFy FA, размещённых таким образом, что смежные отрезки не лежат на одной прямой, а несмежные -не имеют общих точек. Отрезки, из которых состоит многоугольник, называются его сторонами, углы, образованные смежными сторонами, – углами, а вершины этих углов – вершинами многоугольника.

В зависимости от количества вершин (углов либо сторон) многоугольник называется треугольником, четырёхугольником, пятиугольником и т. д. Многоугольник с n вершинами называется n-угольником.

Многоугольник обозначают названиями его вершин, например шестиугольник ABCDEF (рис. 327), пятиугольник (рис. 328). ? | На рисунке 329 вы видите многоугольники . В чём их различие?

Ни одна из прямых, проходящих через стороны многоугольника не пересекает другие его стороны. Он лежит по одну сторону от любой из этих прямых. Такой многоугольник называется выпуклым. Многоугольник не является выпуклым.

В дальнейшем мы будем рассматривать лишь выпуклые многоугольники.

Периметром многоугольника называется сумма длин всех его сторон. Его обозначают буквой Р.

Посмотрите на рисунок 330. В шестиугольнике ABCDEF отрезки AC, AD, АЕ соединяют вершину А с несоседними вершинами. Это – диагонали шестиугольника.

Диагональю n-угольника называется отрезок, который соединяет две несоседние его вершины.

Теорема (о сумме углов n-угольника).

Сумма углов n-угольника равна 180° • (n – 2).

Дано: — n-угольник (рис. 331), — диагонали. Доказать:

Доказательство. В заданном n-угольнике диагонали выходят из одной вершины Поэтому они разбивают n-угольник на n — 2 треугольников. Сумма всех углов образованных треугольников равна сумме углов данного n-угольника. Поскольку в каждом треугольнике сумма углов равна 180°, то сумма углов данного n-угольника — 180° • (n — 2).

Угол, смежный с углом многоугольника (рис. 332), называется внешним углом многоугольника.

Многоугольники могут быть вписанными в окружность (рис. 333) или описанными около окружности (рис. 334). Попытайтесь дать определения и сравните их с указанными в учебнике.

Многоугольник все вершины которого лежат на окружности, называется вписанным, в эту окружность, а окружность – описанной около этого многоугольника.

Многоугольнику все стороны которого касаются окружности, называется описанным около этой окружности, а окружность – вписанной в этот многоугольник.

Стороны вписанного многоугольника и его диагонали – это хорды окружности. Каждый его угол является вписанным углом (рис. 335).

Стороны описанного многоугольника являются касательными к окружности, а его диагонали – секущими (рис. 336).

1. Геометрическая фигура называется простой, если её можно разбить на конечное количество треугольников. Многоугольник — это простая фигура (см. рис. 330 и 331), а окружность не является простой фигурой (рис. 337). Даже вписав в окружность многоугольник с очень большим количеством сторон, мы только приблизим его контур к окружности. Поэтому в геометрии длину окружности и площадь круга находят другими методами, чем периметр и площадь многоугольника.

2. У вас может возникнуть вопрос: Всегда ли из равенства сторон многоугольника следует равенство его углов и наоборот? Нет, это свойство лишь треугольника. Вы знаете пример четырёхугольника, в котором все стороны равны, а углы — не равны. Это ромб. В прямоугольнике все углы равны, а вот стороны — нет. Среди многоугольников с большим количеством вершин также можно выделить равносторонние многоугольники, в которых не все углы равны (рис. 338), и равноугольные многоугольники, в которых не все стороны равны

Понятие площади

Многоугольник разбивает плоскость на две области – внутреннюю (рис. 345) и внешнюю (рис. 346).

Многоугольник вместе с его внутренней областью называется плоским многоугольником.

Каждый плоский многоугольник (например, многоугольник F на рис. 347) занимает часть плоскости. Если эту часть плоскости выразить некоторым числом, то получим площадь многоугольника. Далее будем говорить «площадь многоугольника», имея в виду, что многоугольник -плоский. Это относится и к другим плоским фигурам.

Площадь обозначают буквой S. Иногда указывают название фигуры, например , а для нескольких фигур – индексы, например и т. д.

На рисунке 348 фигуры равны, поскольку совмещаются наложением. Понятно, что они имеют равные площади. Можем записать: . Для измерения площади фигуры выбирают единицу измерения. Для этого используют квадрат, со стороной равной единице измерения длины. Площадь квадрата со стороной 1 см – это единица измерения площади в квадратных сантиметрах, со стороной 1 м – в квадратных метрах и т. д.

Единицы измерения площади кратко записываем так: 1 см2, а говорим: «один квадратный сантиметр». Говорить «сантиметр в квадрате» -неправильно!

Некоторые единицы измерения площади имеют специальные названия: ар (квадрат со стороной 10м), гектар (квадрат со стороной 100 м) и т. д.

На рисунке 349 вы видите квадрат ABCD со стороной 2 см. Он состоит из четырёх квадратов площадью 1 см2, поэтому его площадь равна 4 см2.

Можем записать:

Ясно, что площадь любой фигуры выражается положительным числом. Изменится ли площадь квадрата ABCD, если за единицу измерения принять 1 мм2? Нет, площадь квадрата не изменится, но будет выражена иначе:

На рисунке 350 длина стороны квадрата KLMN равна 2,5 см. Он вмещает четыре квадрата площадью 1 см2 и ещё 9 маленьких квадратов площадью 0,25 см2. Поэтому = 4 + 9 • 0,25 = 6,25 (см2).

Ясно, что площадь любой фигуры равна сумме площадей частей, из которых она состоит.

Из предыдущих классов вы знаете, что площадь квадрата со стороной а можно вычислить иначе – по формуле площади квадрата:

Для квадратов ABCD и KLMN получим:

Поскольку 4 см2 < 6,25 см2, то можем записать:

Формулу площади квадрата будем считать основной, поэтому принимаем её без доказательства. Для других фигур формулы площади нужно выводить, исходя из основных свойств площади. Сформулируем их.

Основные свойства площади

1. Площадь каждой фигуры больше нуля.
2. Равные фигуры имеют равные площади.
3. Площадь фигуры равна сумме площадей фигур, из которых она состоит.
4. Единицей измерения площади является площадь квадрата со стороной, равной единице длины.

Основные свойства площади подсказывают способ выведения формул площади.

Для того чтобы вывести формулу площади многоугольника, нужно: либо разбить его на части, формулы площадей которых известны, либо дополнить его до такой фигуры, формула площади которой известна.

Теорема (о площади прямоугольника).

Площадь прямоугольника равна произведению его смежных сторон.

Дано: ABCD— прямоугольник (рис. 351),

AB=a,AD=b.

Доказать:

Доказательство. Достроим данный прямоугольник ABCD до квадрата AMKN со стороной о + b (рис. 352). Тогда S

С другой стороны, квадрат AMKNcociom из двух прямоугольников ABCD и OKLC и двух квадратов ВМОС и DNLC. Поэтому, по третьему свойству площади,

Прямоугольники ABCD и OKLC равны, поскольку равны смежные стороны а и b. Поэтому, по второму свойству площади, Квадраты ВМОС и DNLC имеют соответственно стороны b и а, поэтому

Далее получим:

Следствие. Площадь прямоугольного треугольника с катетами а и b равна половине произведения катетов.

Действительно, диагональ АС разбивает прямоугольник ABCD со сторонами а и b (рис. 353) на два равных прямоугольных треугольника ABC и ADC с катетами а и b. Поэтому

Пример №6

Докажите, что отношение площадей подобных прямоугольных треугольников равно квадрату их коэффициента подобия.

Решение:

Пусть один из заданных прямоугольных треугольников (рис. 354) имеет катеты и площадь , другой — катеты и площадь , а коэффициент их подобия равен k.

Докажем, что

Поскольку треугольники подобны, то Найдём площади треугольников и их отношение:

У вас может возникнуть вопрос: Как доказать, что площадь квадрата равна квадрату его стороны? Пусть сторона квадрата ABCD равна а. Возможны два случая: сторону АВ можно разбить на целое число п единичных отрезков (рис. 355); на стороне АВ можно разместить л единичных отрезков, но остаётся ещё отрезок, который короче единичного (рис. 356).

Рассмотрим первый случай (рис. 355). Разобьём сторону АВ на п единичных отрезков (на рисунке их три), тогда о — n • 1 — n. Аналогично разобьём сторону AD. Через точки деления проведём прямые, перпендикулярные АВ и AD. Эти прямые разбивают квадрат ABCD на равных квадратов площадью 1.

Поэтому .

Рассмотрим второй случай (рис. 356). Пусть на отрезке АВ помещается n единичных отрезков и остаётся ещё отрезок длиной меньше 1. Это означает, что отрезок АК из п единичных отрезков меньше отрезка АВ, а отрезок AM из n + 1 единичных отрезков — больше этого отрезка. Получаем неравенство: n < а < n + 1.

Чтобы точнее оценить площадь заданного квадрата, разделим единичный отрезок на т равных частей. Тогда длина каждой части будет равна .

Пусть на отрезке АК их помещается , а на отрезке

Число а будет лежать в пределах а квадрат этого числа — в пределах Площадь квадрата со стороной АК будет равна , а квадрата со стороной AM – Поэтому площадь квадрата ABCD будет лежать в пределах

При увеличении количества точек деления число т станет как угодно большим. Площадь квадрата ABCD и квадрат числа а будут лежать в пределах, разность которых как угодно мала:

А это возможно лишь в случае, если

3. Символ S для обозначения площади фигуры происходит от латинского слова superficils, что означает «поверхность».

Параллелограмм и его площадь

Вы уже знаете формулы площадей трёх фигур -квадрата, прямоугольника и прямоугольного треугольника. Выведем формулу площади параллелограмма.

Теорема (о площади параллелограмма).

Площадь параллелограмма равна произведению его стороны на высоту, проведённую к этой стороне.

Дано: ABCD — параллелограмм (рис. 367), DH— высота, АВ= a, DH= .

Доказать: .

Доказательство. Проведём из вершины С высоту СМ= DH = (рис. 368). Получили трапецию AMCD. Рассмотрим две пары фигур, из которых она состоит: данный параллелограмм ABCD и ∆ВМС, прямоугольник HMCD и ∆AHD. По третьему свойству площади, ∆ВМС= ∆AHD по катету и гипотенузе: СМ= DH как высоты, проведённые к одной стороне АВ параллелограмма, AD — ВС как противоположные стороны параллелограмма. Поэтому, согласно второму свойству площади , . Следовательно, . Для прямоугольника HMCD имеем: Согласно доказанному, площадь данного параллелограмма ABCD равна площади прямоугольника HMCD, поэтому

Пример №7

В параллелограмме стороны равны 8 см и 6,4 см, а высота, проведённая к большей стороне, — 6 см. Найдите высоту параллелограмма, проведённую к меньшей его стороне.

Решение:

Пусть ABCD— данный параллелограмм (рис. 369), в котором ab =6,4 см, ВС — 8 см, DM= 6 см.

Требуется найти высоту DH.

Площадь параллелограмма ABCD можно выразить двумя способами: либо как произведение стороны ВС на высоту DAf, либо как произведение стороны АВ на высоту DH.

Для того чтобы найти длину неизвестной стороны или высоту параллелограмма, выразите площадь двумя способами: через одну из двух смежных сторон параллелограмма и высоту, проведённую к ней, и через другую смежную сторону и соответствующую ей высоту. Составьте и решите уравнение относительно искомой величины.

Можно ли найти площадь ромба по стороне и высоте, проведённой к ней? Можно, поскольку ромб – частный вид параллелограмма.

Вы знаете, как находить площадь прямоугольного треугольника по его катетам. Воспользуемся этим, чтобы вывести ещё одну формулу площади ромба.

Теорема (о площади ромба по его диагоналям).

Площадь ромба равна половине произведения его диагоналей.

Дано: ABCD – ромб (рис. 370), АС и BD — диагонали,

Доказать:

Доказательство. В ромбе ABCD все стороны равны. Его диагонали АС и BD взаимно перпендикулярны и в точке пересечения делятся пополам. Поэтому они разбивают ромб на четыре равных прямоугольных треугольника ABO, СВО, CDO и ADO с катетами

Поскольку площадь ромба равна сумме площадей этих треугольников, то

Следствие. Площадь квадрата равна половине квадрата его диагонали.

Утверждение следует из того, что квадрат – это частный вид ромба и имеет равные диагонали, пусть d. Следовательно,

1. У вас может возникнуть вопрос: Зависит ли формула площади параллелограмма ABCD от расположения высоты DH (рис. 368)? Нет, не зависит. В расположении точки H возможны три случая. Один из них рассмотрен в учебнике. Ещё два случая: точка Н находится либо в вершине В параллелограмма (рис. 371), либо на продолжении его стороны АВ (рис. 372).

Во втором случае (рис. 371) параллелограмм ABCDсостоит из двух равных прямоугольных треугольников ABD u CDB, поэтому

В третьем случае (рис. 372) доказательство аналогично изложенному в учебнике. Проведите это самостоятельно.

2. Для фигур, имеющих равные площади, используют специальное название — равновеликие. Например, параллелограмм ABCD и прямоугольник HMCD на рисунке 372 являются равновеликими. Понятно, что два равных многоугольника всегда равновелики, но не любые два равновеликих многоугольника равны.

Два многоугольника называются равносоставленными, если их можно разбить на одинаковое количество попарно равных многоугольников, в частности треугольников. Таковы, например, параллелограмм ABCD и прямоугольник

HMCD на рисунке 368, поскольку каждый состоит из общей для них трапеции и равных прямоугольных треугольников ADH и ВСМ.

Между равновеликими и равносоставленными фигурами существует такая связь: равносоставленные многоугольники являются равновеликими (из определения о равносоставленных многоугольниках); равновеликие многоугольники являются равносоставленными. Последнее утверждение известно, как «теорема Больяи — Гервина», доказанная в XIX в. Интересно, что Фаркаш Больяи (1775 — 1856, Венгрия), доказавший теорему, был отцом Яноша Больяи (1802 — 1860) — одного из творцов неевклидовой геометрии. Янош Больяи.

Треугольник и его площадь

Вы уже знаете, как вычислить площадь прямоугольного треугольника по его катетам. Возникает вопрос: Как найти площадь любого треугольника по его стороне и высоте, проведённой к этой стороне?

Теорема (о площади треугольника).

Площадь треугольника равна половине произведения его стороны на высоту, проведённую к этой стороне.

Дано: (рис. 380), ‘ АН— высота, ВС= а, АН—

Доказать:

Доказательство. На стороне АВ заданного треугольника ABC построим равный ему треугольник BAD (рис. 381). Образованный четырёхугольник ADBC— параллелограмм, поскольку, по построению, AD = ВС, BD = АС. В нём сторона ВС= а, высота АН=, поэтому . Поскольку параллелограмм состоит из двух равных треугольников ABC и BAD, то площадь треугольника ABC равна половине площади параллелограмма ADBC.

Следовательно:

Пример №8

Докажите, что площадь треугольника равна произведению его полупериметра на радиус вписанной окружности.

Решение:

Пусть ABC — данный треугольник (рис. 382), в котором ВС= а, АС— b, АВ= с, — полу периметр, точка О— центр вписанной окружности, г — радиус вписанной окружности.

Докажем, что

Соединим отрезками вершины треугольника ABC с центром О вписанной в него окружности (рис. 383). Получаем три треугольника — ВОС, АОС и АОВ. В каждом из них радиус вписанной окружности r является высотой, проведённой к стороне, равной соответственно a, b или с.

Поэтому Площадь равна сумме площадей этих треугольников. Следовательно, Для того, чтобы найти площадь треугольника (четырехугольника) можно воспользоваться способом сложения площадей его частей. При этом иногда нужны дополнительные построения, чтобы образовались вспомогательные треугольники, площади которых можно найти по условию задачи.

1. Способы вычисления площади треугольника (а также прямоугольника и трапеции) были известны ещё в Древнем Египте. Сведения об этом дошли до нас на папирусах. Среди них наиболее известные — папирус Ринда (около 1800 г. до н. э.), содержащий 84 задачи с решениями (страница из этого папируса на рис. 384), и так называемый московский папирус (около 1600 г. до н. э.), он содержит 25 задач с решениями. Чтобы найти площадь треугольника, древние египтяне основание треугольника делили пополам и умножали на высоту. А для определения площади равнобедренного треугольника использовали полупроизведение его боковых сторон.

2. Геометрические расчёты по точным формулам проводились и в древнем Вавилоне. Сведения сохранились на клинописных табличках (образец вы видите на рис. 385). Дошедшие до нас тексты свидетельствуют, что вавилоняне знали и использовали в практических задачах пропорциональность параллельных отрезков. Например, они умели вычислять длину отрезков AW, СМ и ВМ (рис. 386) в треугольнике ABC по его стороне АС= 30, разности S, — S2 = 42 площадей трапеции и треугольника, на которые разбивается данный треугольник параллельной прямой MN, и разности ВМ — СМ = 20. Сейчас для решения этой задачи нам пришлось бы составлять систему уравнений.

Трапеция и её площадь

Вы знаете, чтобы вывести формулы площадей прямоугольника, параллелограмма или треугольника, надо составить из этих фигур такие, площади которых умеете находить. Воспользуемся этим способом и выведем формулу площади трапеции.

Теорема (о площади трапеции).

Площадь трапеции равна произведению полусуммы её оснований на высоту.

Дано: ABCD— трапеция (рис. 397),

AB и CD – основания, СН— высота, АВ=о, CD=b, CH=h. а + b

Доказать:

Доказательство. Проведём в трапеции диагональ АС (рис. 398). Она разбивает трапецию на два треугольника ABC и ADC. Высота h трапеции является высотой треугольника ABC, проведённой к стороне АВ = а, и равна высоте треугольника ADC, проведённой к стороне CD = b. Площадь трапеции равна сумме площадей этих треугольников, поэтому

Пример №9

Диагонали АС и BD трапеции ABCD пересекаются в точке О (рис. 399). Докажите, что треугольники AOD и ВОС имеют равные площади.

Решение:

Рассмотрим треугольники ABD и ABC. В них сторона АВ— общая, а высоты, проведённые к этой стороне, равны высоте трапеции. Поэтому Треугольник ABD состоит из треугольников АОВ и AOD, а треугольник АВС-из треугольников AOBw ВОС. Отсюда получим:

Следовательно, площади треугольников AOD и ВОС равны как разности равных площадей.

Для того чтобы установить, что неравные фигуры имеют равные площади, нужно доказать, что площади этих фигур равны либо сумме равных площадей, либо разности равных площадей.

1. У вас может возникнуть вопрос: Существует ли трапеция, средняя линия которой делит её площадь пополам?

Существование фигуры с заданными свойствами можно доказать, если привести пример такой фигуры. Однако не всегда этот путь — самый простой. История свидетельствует о том, что иногда на поиски примера, подтверждающего существование некоторого математического объекта, учёные затрачивали многие годы. Чтобы упростить поиск, проводят предварительные аналитические расчёты. Именно это мы и сделаем, чтобы ответить на поставленный вопрос. Пусть трапеция ABCD (рис. 400) имеет основания а и b и высоту h. Средняя линия MN разбивает её на две трапеции с равными высотами (докажите этo самостоятельно). Обозначим площади этих трапеций и выразим их через основания данной трапеции и её высоту:

Найдём отношение площадей После сокращений получим:

Равенство площадей возможно только в случае, если 3b + а = За + b, то есть при а= b. А такой трапеции не существует.

Интересно, что отрезок, соединяющий середины оснований трапеции (иногда его называют второй средней линией трапеции), делит площадь трапеции пополам. Докажите это самостоятельно, используя рисунок 401.

2. Изучая четырёхугольники, вы узнали о дельтоиде (рис. 402). Этот четырёхугольник, как и ромб, имеет взаимно перпендикулярные диагонали. Существуют трапеции со взаимно перпендикулярными диагоналями (рис. 403), а также произвольные четырёхугольники с аналогичным свойством (рис. 404). И ромб, и дельтоид, и указанная трапеция являются частными видами четырёхугольников со взаимно перпендикулярными диагоналями.

Докажите самостоятельно, что площадь четырехугольника со взаимно перпендикулярными диагоналями равна половине произведения этих диагоналей. Эта формула справедлива и для ромба, и для дельтоида, и для трапеции.

Если внимательно посмотреть на окружающие нас предметы, то можно заметить, что почти все они являются знакомыми нам геометрическими фигурами и геометрическими телами (рис. 51).

Используя рисунок 51, определите, какие геометрические тела можно увидеть в природных объектах.

Многогранники — геометрические тела, поверхность которых состоит из конечного числа многоугольников.
Тела вращения — геометрические тела, образованные вращением плоской геометрической фигуры или ее части вокруг оси.

Для того чтобы выполнить чертеж сложной детали, ее нужно мысленно разложить на простые геометрические тела, к которым относятся многогранники и тела вращения. 

Рассмотрим пять основных геометрических тел — призму, куб, пирамиду, конус, цилиндр.

Призма — многогранник, имеющий два основания (равные и параллельные многоугольники) и боковые грани (четырехугольники).

Куб — многогранник, ограниченный шестью квадратами, или правильная прямая четырехугольная призма, в основании которой лежит квадрат.

Пирамида — многогранник, у которого основание является многоугольником, а боковые грани представлены треугольниками, имеющими общую вершину.

Конус — тело вращения, образованное вращением прямоугольного треугольника вокруг оси, совмещенной с одним из его катетов.

Цилиндр — тело вращения, образованное вращением прямоугольника вокруг оси, совмещенной с одной из его сторон.

Геометрические тела могут быть правильными и неправильными, прямыми и наклонными. В основании правильных тел лежат правильные многоугольник или круг, неправильных — неправильные многоугольник или круг. Тела будут прямыми, если их боковые грани перпендикулярны основаниям; наклонными — если не перпендикулярны.

Геометрические тела состоят из сочетания элементов: оснований; боковых поверхностей; боковых граней, имеющих ребра; образующих; вершин (рис. 52). 

При изображении на чертеже граней и ребер предмета необходимо помнить правила проецирования отрезков и плоскостей предмета (табл. 4).

Таблица 4. Правила проецирования ребер и граней

Параллельно плоскости проекций	Перпендикулярно плоскости проекций	Наклонно к плоскости проекций
Грань
Проецируется в натуральную величину (без искажения формы и размеров)	Проецируется в виде отрезка прямой, равного одному из отрезков грани	Проецируется с искажением размеров (размеры наклонных элементов уменьшаются)
Ребро
Проецируется отрезком в натуральную величину	Проецируется в точку	Проецируется отрезком с искажением размера (размер изображения ребра уменьшается)

Сформулируйте определения вершины, ребра и грани. Посчитайте, сколько вершин, ребер и граней у шестигранной призмы, трехгранной пирамиды.

Форма большинства предметов представляет собой сочетание различных геометрических тел или их частей. Следовательно, для чтения и выполнения чертежей нужно знать характерные особенности проекций геометрических тел.

Вспомните, что называется комплексным чертежом.

Рассмотрим построение комплексных чертежей геометрических тел.

Проецирование цилиндра. Фронтальная и профильная проекция цилиндра представляет собой прямоугольники, а горизонтальная проекция  — круг.

Соотнесите элементы цилиндра на наглядном изображении и на комплексном чертеже. Назовите характерные признаки, которые имеют проекции цилиндра. Достаточно ли будет двух проекций?

Проецирование призмы. Построение комплексного чертежа призмы начинается с построения горизонтальной проекции основания, например с правильного шестиугольника. Фронтальная и профильная проекции призмы — прямоугольники, которые строятся в проекционной связи из вершин шестиугольника. Основание призмы на фронтальной проекции — горизонтальный отрезок, от которого откладывают высоту ребер до верхнего основания.

Как вы считаете, при каких условиях при построении комплексного чертежа призмы можно ограничиться построением двух проекций?

Проецирование конуса. Фронтальная и профильная проекция конуса представляет собой треугольник, а горизонтальная проекция — круг.

Объясните, какие элементы надо изменить в конусе, чтобы он превратился в цилиндр.

Проецирование пирамиды. Построение комплексного чертежа пирамиды начинается с построения основания, например ромба. Фронтальной и профильной проекцией пирамиды являются равнобедренные треугольники.

Назовите характерные признаки, по которым пирамида отличается от конуса. Определите, как будут выглядеть проекции треугольной пирамиды.

С давних времен ученых интересовали идеальные или правильные много-угольники, составляющие правильные многогранники. Их завораживала красота, совершенство и гармония этих фигур. Существует множество правильных многоугольников, но правильных многогранников всего пять. Их названия пришли из Древней Греции, и в них указывается число граней: тетра — 4, гекса — 6, окта  — 8, додека — 12, икос — 20. Эти правильные многогранники получили название платоновых тел в честь древнегреческого философа Платона, который придавал им мистический смысл. Тетраэдр олицетворял огонь,  поскольку его вершина устремлена вверх, как у разгоревшегося пламени; икосаэдр — воду, потому что обтекаемый; гексаэдр (куб) — землю, так как это самая устойчивая фигура; а октаэдр — воздух. В настоящее время эту систему можно сравнить с четырьмя состояниями вещества: твердым, жидким, газо-образным и пламенным. Додекаэдр отождествлялся со всей Вселенной и считался главнейшим.

Часть плоскости, ограниченная со всех сторон прямыми, называется фигурой.

Линия или совокупность отрезков, ограничивающих фигуру, называется периметром.

Фигуры разделяются на прямолинейные и криволинейные. Прямолинейная есть фигура, ограниченная только прямыми линиями. Криволинейная есть фигура, ограниченная одной или несколькими кривыми линиями.

Чертежи 71 и 72 представляют прямолинейные, а чертеж 73 криволинейную фигуры.

Из прямолинейных фигур заслуживают особого внимания многоугольники.

Многоугольником называется часть плоскости, ограниченная со всех сторон прямыми линиями.

Прямая линия, ограничивающая многоугольник, называется его стороной.

Точки пересечения сторон называются вершинами многоугольника.

Число углов многоугольника равно числу сторон.

По числу сторон многоугольники получают название четырехугольник, пятиугольник, шестиугольник и т. д.

На чертеже 74 мы имеем пятиугольник ABCDE.

Периметр многоугольника есть совокупность всех его сторон.

Отрезки AB, BC, CD, DE, AE (черт. 74) будут сторонами, точки A, B, C, D, E вершинами многоугольника. При этих вершинах расположены внутренние углы многоугольника того же названия.

Угол, образуемый стороной многоугольника и продолжением другой смежной с ней, называется внешним углом многоугольника.

Внутренний угол многоугольника называется исходящим и входящим, смотря по тому, будет ли он меньше или больше двух прямых.

На чертеже 72 угол FAB есть исходящий, а EDC входящий угол многоугольника, ибо первый меньше, а второй больше двух прямых. Мы будем рассматривать только многоугольники с одними исходящими углами.

Всякая линия, соединяющая две вершины и проходящая внутри многоугольника, называется его диагональю.

Отрезки AC, AD (черт. 74) есть диагонали.

Из каждой вершины можно провести диагонали ко всем углам многоугольника кроме двух смежных.

Диагоналями многоугольник разбивается на треугольники.

Если n есть число сторон многоугольника, то число диагоналей, которые можно провести из какой-нибудь вершины, равно n – 3.

Число треугольников, на которые разбивается многоугольник диагоналями, проведенными из одной вершины, равно n – 2.

Теорема 47. Сумма всех внутренних углов многоугольника равна двум прямым, умноженным на число сторон без двух.

Доказательство. Многоугольник разбивается диагоналями, проведенными из какой-нибудь вершины на n – 2 треугольников. Сумма всех внутренних углов многоугольника равна сумме углов всех треугольников, на которые он разбивается.

Обозначив сумму всех внутренних углов многоугольника через S, имеем:

S = (n – 2) 2d или S = 2dn – 4d.

Сумма внутренних углов многоугольника равна двум прямым, умноженным на число сторон без четырех прямых.

Из этой формулы вытекает, что сумма углов четырехугольника равна 4d, пятиугольника 6d, шестиугольника 8d, семиугольника 10d и т. д.

Теорема 48. Сумма внешних углов многоугольника равна четырем прямым.

Доказательство. Продолжим все стороны многоугольника, имеющего n сторон, в одну сторону (черт. 75) и назовем внешние углы буквами α, β, γ и т. д.

Обозначив внутренние углы через A, B, C и т. д., имеем равенства:

A + α = 2d
B + β = 2d
C + γ = 2d

и т. д.

Сложив эти равенства, имеем:

A + B + C + … + α + β + γ + … = 2dn

Сумма внутренних углов будет

A + B + C + … = 2d(n – 2) = 2dn – 4d

следовательно,

2dn – 4d + α + β + γ + … = 2dn

откуда сумма внешних углов многоугольника будет

α + β + γ + … = 4d (ЧТД).

Четырехугольники

Четырехугольники получают различные названия, смотря по взаимному расположению их четырех сторон. Они называются трапециями, параллелограммами, ромбами, прямоугольниками, квадратами.

Трапеция есть такой четырехугольник, у которого две стороны параллельны, а остальные две не параллельны между собой.

Четырехугольник ABCD (черт. 76) есть трапеция. У ней стороны AD и BC параллельны, а стороны AB и CD не параллельны.

Высота трапеции есть расстояние двух ее параллельных сторон. BH есть высота трапеции.

Параллелограмм есть четырехугольник, у которого каждые две противоположные стороны параллельны. Одна из сторон его называется основанием.

Высота параллелограмма есть расстояние основания от другой параллельной ему стороны, считаемое по перпендикуляру.

Четырехугольник ABCD есть параллелограмм (черт. 77, 78, 79, 80), ибо AB || CD и BC || AD. Сторона AD (черт. 77) будет основанием, а отрезок BE высотой параллелограмма.

Ромб есть параллелограмм, у которого все четыре стороны равны.

Четырехугольник ABCD (черт. 78 и 80) есть ромб, ибо у него AB || CD, AD || BC и в то же время AB = BC = CD = AD.

Прямоугольник есть параллелограмм, у которого все углы прямые.

Четырехугольник ABCD (черт. 79 и 80) есть прямоугольник, ибо у него AB || CD, BC || AD и углы равны A = B = C = D = d прямому углу.

Квадрат есть параллелограмм, у которого все углы и все стороны равны.

Квадрат есть одновременно и прямоугольник и ромб.

Четырехугольник ABCD (черт. 80) есть квадрат, ибо у него AB || CD, BC || AD, углы равны A = B = C = D = d и стороны AB = BC = DC = AD.

Теорема 49. В параллелограмме противоположные углы и стороны равны.

Дано. Четырехугольник ABCD есть параллелограмм, следовательно, AC || CD и BC || AD (черт. 81).

Требуется доказать, что

AB = CD, BC = AD, ∠A = ∠C, ∠B = ∠D

Доказательство. Противоположные стороны равны как части параллельных между параллельными (теорема 43), следовательно,

AB = CD, AD = BC

Проведя диагональ BD, имеем два равных треугольника ABD и BCD, ибо BD сторона общая, AB = CD и AD = BC по доказанному.

Против общей стороны BD лежат равные углы, следовательно,

∠A = ∠C (ЧТД).

Равенство углов B и D доказывается аналогично (через диагональ AC).

Теорема 50 (обратная 49). Четырехугольник, у которого противоположные стороны равны, есть параллелограмм.

Дано. В четырехугольнике ABCD противоположные стороны равны (черт. 81)

AB = CD, BC = AD.

Требуется доказать, что AB || CD и BC || AD.

Доказательство. На основании теоремы 45 заключаем, что BC || AD и AB || CD, следовательно, четырехугольник ABCD есть параллелограмм (ЧТД).

Теорема 51. Диагонали параллелограмма пересекаются пополам.

Дано. Четырехугольник ABCD есть параллелограмм (черт. 82), следовательно, BC || AD, AB || CD и проведены диагонали AC и BD, которые пересекаются в точке O.

Требуется доказать, что AO = OC и BO = OD.

Доказательство. При точке O соприкасаются вершинами два равных треугольника BOC и AOD, ибо у них

BC = AD как равные противоположные стороны параллелограмма.

∠γ = ∠β (как накрест-лежащие углы от пересечения параллельных BC и AD прямой AC).

∠α = ∠δ (как накрест-лежащие от пересечения параллельных BC и AD прямой BD).

Против равных углов γ и β лежат равные стороны BO и OD, следовательно, точка O есть середина диагонали BD.

Против равных углов δ и α лежат равные стороны AO и OC, следовательно, точка O есть середина диагонали AC (ЧТД).

Теорема 52. Диагонали ромба перпендикулярны.

Дано. Параллелограмм ABCD (черт. 83) есть ромб, следовательно,

AB || CD, BC || AD и AB = BC = CD = AD.

Требуется доказать, что BD ⊥ AC.

Доказательство. Два треугольника ABO и BOC равны, ибо BO общая сторона, AB = BC по условию, AO = OC по предыдущей теореме (51), следовательно,

∠AOB = ∠BOC,

откуда вытекает, что ∠AOB как один из равных смежных есть прямой угол и потому BO ⊥ AO и BD ⊥ AC (ЧТД).

Теорема 53. Диагонали прямоугольника равны.

Дано. Параллелограмм ABCD есть прямоугольник (черт. 84), следовательно, AB = CD, BC = AD, и углы A, B, C, D прямые.

Требуется доказать, что BD = AC.

Доказательство. Треугольник ABD равен треугольнику ACD, ибо они оба прямоугольные треугольники и у них AD сторона общая.

AB = CD как противоположные стороны параллелограмма, следовательно, AC = BD.

Так как квадрат есть одновременно параллелограмм, ромб и прямоугольник, то диагонали квадрата пересекаются пополам, перпендикулярны и равны.

При помощи этих теорем легко может быть доказана следующая теорема.

Теорема 54. Перпендикуляры, опущенные из трех вершин треугольника на его стороны, встречаются в одной точке.

Дано. Отрезки AD, BE и CF перпендикулярны к сторонам треугольника ABC (черт. 85).

Требуется доказать, что они пересекаются в одной точке.

Доказательство. Проведем через вершины треугольника ABC прямые, параллельные его сторонам, так что

A’B’ || AC, B’C’ || BC, A’B’ || AB,

и продолжим их до взаимного пересечения.

Четырехугольники AC’BC, AB’CB, ABA’C суть параллелограммы, ибо у них противоположные стороны параллельны, поэтому

AC’ = CB и AB’ = CB

откуда

AC’ = AB’

следовательно, точка A есть середина BC’.

Подобным же образом можно доказать, что точка B есть середина отрезка A’C’ и C середина отрезка A’B’.

Прямые AD, BE, CF как перпендикуляры, восставленные из середины сторон треугольника A’B’C’, должны встретиться в одной точке (теорема 32) (ЧТД).

Многоугольник

Определение 1. Многоугольник − замкнутая ломаная линия.

Объединение многоугольника и ограниченной им части плоскости также называют многоугольником. Поэтому представим другое определение многоугольника:

Определение 2. Многоугольник − это геометрическая фигура, которая является частю плоскости, ограниченная замкнутой ломаной.

Вершины ломаной называются вершинами многоугольника. Звенья ломаной называются сторонами многоугольника.

Любой многоугольник разделяет плоскость на две части, одна из которых называется внутренней областью многоугольника, а другая внешней областью многоугольника.

Виды многоугольников

Многоугольник с тремя вершинами называется треугольником, с четыремя вершинами − четырехугольником, с пяти вершинами − пятиугольником, и т.д. Многоугольник с ( small n ) вершинами называется ( small n- )угольником.

На рисунке 1 представлены различные виды многоугольников.

Обозначение многоугольника

Обозначают многоугольник буквами, стоящих при его вершинах. Называют многоугольник чередовав буквы при его вершинах по часовой стрелке или против часовой стрелки. Например, многоугольник на рисунке 2 называют ( small A_1A_2A_3A_4A_5A_6 ) или ( small A_6A_5A_4A_3A_2A_1 ).

Соседние вершины многоугольника

Вершины многоугольника называются соседними, если они являются концами одной из его сторон.

На рисунке 2 вершины ( small A_2 ) и ( small A_3 ) являются соседними, так как они являются концами стороны ( small A_2A_3. )

Смежные стороны многоугольника

Стороны многоугольника называются смежными, если они имеют общую вершину.

На рисунке 2 стороны ( small A_4A_5 ) и ( small A_5A_6 ) являются смежными, так как они имеют общую вершину ( small A_5. )

Простой многоугольник. Самопересекающийся многоугольник

Многоугольник называется простым, если его несмежные стороны не имеют общих точек (внутренних или концевых).

На рисунке 3 изображен простой многоугольник так как стороны многоугольника не имеют самопересечений. А на рисунке 4 многоугольник не является простым, так как стороны ( small A_1A_4 ) и ( small A_2A_3 ) пересекаются. Такой многоугольник называется самопересекающийся многоугольник.

Выпуклый многоугольник

Многоугольник называется выпуклым, если она лежит по одну сторону от прямой, проходящей через любую его сторону.

На рисунке 5 многоугольник лежит по одну сторону от прямых ( small m, n, l, p, q, r) проходящих через стороны многоугольника.

На рисунке 6 прямая ( small m) делит многоугольник на две части, т.е. многоугольник не лежит по одну сторону от прямой ( small m). Следовательно многоугольник не является выпуклым.

Правильный многоугольник

Простой многоугольник называется правильным, если все его стороны равны и все углы равны. Например равносторонний треугольник является правильным многоугольником, поскольку все его стороны равны, и все его углы равны 60°. Квадрат является правильным многоугольником, так как все его стороны равны и все его углы равны 90°.

На рисунке 7 изображен правильный многоугольник (пятиугольник), так как у данного многоугольника все стороны равны и все углы равны. Многоугольник (ромб) на на рисунке 8 не является правильным, так как все стороны многоугольника равны, но все углы многоугольника не равны друг другу. Прямоугольник также не является правильным многоугольником, так как несмотря на то, что все углы прямоугольника равны, но все четыре стороны прямоугольника не равны друг другу.

Звездчатый многоугольник

Самопересекающийся многоугольник, все стороны которого равны и все углы равны, называется звездчатым или звездчато-правильным.

На рисунке 9 представлен звездчатый пятиугольник поскольку все углы ( small A_1, A_2, A_3, A_4, A_5 ) равны и равны все стороны: ( small A_1A_2=A_2A_3=A_3A_4=A_4A_5=A_5A_1. )

Периметр многоугольника

Сумма всех сторон многоугольника называется периметром многоугольника. Для многоугольника ( small A_1A_2…A_{n-1}A_n ) периметр вычисляется из формулы:

Угол многоугольника

Углом (внутренним углом) многоугольника при данной вершине называется угол между двумя сторонами многоугольника, сходящимися к этой вершине. Если многоугольник выпуклый, то все углы многоугольника меньше 180°. Если же многоугольник невыпуклый, то он имеет внутренний угол больше 180° (угол ( small A_3 ) на рисунке 2).

Внешний угол многоугольника

Внешним углом многоугольника при данной вершине называется угол смежный внутреннему углу многоугольника при данной вершине.

На рисунке 10 угол 1 является внешним углом данного многоугольника при вершине ( small E. )

Диагональ многоугольника. Количество диагоналей

Диагоналями называют отрезки, соединяющие две несоседние вершины многоугольника.

Выведем форулу вычисления количества диагоналей многоугольника. Пусть задан ( small n )-угольник. Выберем одну вершину многоугольника и проведем мысленно все отрезки, соединяющие эту вершину с остальными вершинами. Получим ( small n-1 ) отрезков. Но поскольку две вершины для выбранной вершины являются соседними, а по определнию диагональ − это отрезок соединяющий несоседние вершины, то из ( small n-1 ) вычтем 2. Получим ( small n-3 ). Всего ( small n ) вершин. Следовательно количество вычисленных диагоналей будет ( small n(n-3). ) Учитывая, что каждый диагональ − это отрезок соединяющий две вершины, то получится, что мы вычислили каждый диагональ дважды. Поэтому полученное число нужно делить на два. Получим количество диагоналей ( small n- )мерного многоугольника:

Сумма углов выпуклого многоугольника

Выведем формулу вычисления суммы углов выпуклого многоугольника. Для этого проведем из вершины ( small A_1 ) все диагноали многоугольника ( small A_1A_2…A_{n-1}A_n ) (Рис.11):

Количество диагоналей, проведенной из одной вершиы, как выяснили из предыдующего параграфа равно ( small n-3 ). Следовательно, эти диагонали разделяют многоугольник на ( small n-3+1=n-2 ) треугольников. Поскольку сумма углов треугольника равна 180°, то получим, что сумма углов выпуклого многоугольника равна: ( small 180°(n-2). )

где ( small n ) −количество сторон (вершин) выпуклого многоугольника.

Угол правильного многоугольника

Поскольку у правильного многоугольника все углы равны, то используя формулу (1) получим угол правильного многоугольника:

где ( small n ) −количество сторон (вершин) правильного многоугольника.