Выпуклый многоугольник как найти площадь - Сайт, где вы сможете решить свои вопросы

Выпуклым многоугольником называется многоугольник, все точки которого лежат по одну сторону от любой прямой, проходящей через две его соседние вершины.

Определения[править | править код]

Существует множество эквивалентных определений:

многоугольник является выпуклым, если часть плоскости, им ограниченная (плоский многоугольник) является выпуклым множеством;
многоугольник будет выпуклым, если для любых двух точек внутри него соединяющий их отрезок полностью лежит в нём;
многоугольник, для которого продолжения сторон не пересекают других его сторон;
многоугольник без самопересечений, каждый внутренний угол которого не более 180°;
многоугольник, все диагонали которого полностью лежат внутри него;
выпуклая оболочка конечного числа точек на плоскости;
ограниченное множество, являющееся пересечением конечного числа замкнутых полуплоскостей.

Примеры[править | править код]

Любой треугольник является выпуклым.

Площадь выпуклого многоугольника[править | править код]

$S={frac {1}{2}}left|sum limits _{{i=1}}^{n}(X_{i}+X_{{i+1}})(Y_{i}-Y_{{i+1}})right|$

, где $(X_{{n+1}},Y_{{n+1}})=(X_{1},Y_{1})$

Вариации и обобщения[править | править код]

Выпуклое множество
Аналогом выпуклого многоугольника в трёхмерном евклидовом пространстве является выпуклый многогранник.

См. также[править | править код]

Выпуклое тело
Выпуклая оболочка
Симплекс

Источник

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:

выпуклый многоугольник расположен в одной полуплоскости относительно любой прямой, содержащей его сторону (рис. 200);
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:

равные многоугольники имеют равные площади;
если многоугольник составлен из нескольких многоугольников, то его площадь равна сумме площадей этих многоугольников;
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:

равные многоугольники имеют равные площади;
если многоугольник составлен из нескольких многоугольников, то его площадь равна сумме площадей этих многоугольников;
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:

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

Площадь каждой фигуры больше нуля.
Равные фигуры имеют равные площади.
Площадь фигуры равна сумме площадей фигур, из которых она состоит.
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.

Площадь многоугольника
Правильные многоугольники
Вписанные и описанные многоугольники
Площадь прямоугольника
Площади фигур в геометрии
Площади поверхностей геометрических тел
Вычисление площадей плоских фигур
Преобразование фигур в геометрии

Источник

Многоугольник определяется как часть плоскости, ограниченная какой-то замкнутой ломаной.

Разные типы многоугольников

Многоугольник называется простым, если граничная ломаная не имеет точек самопересечения. На картинке все многоугольники кроме последнего являются простыми.

Многоугольник называется выпуклым, если для любых его двух точек, все точки на отрезке между ними тоже принадлежат многоугольнику. Первые два многоугольника являются выпуклыми.

Выпуклый многоугольник называется правильным, если у него равны все стороны и все углы. Все правильные многоугольники также можно вписать в окружность, но обратное неверно.

В трёхмерном пространстве обобщением многоугольника является многогранник.

#Площади

В самом простом случае — для треугольника — площадь можно посчитать по готовым формулам через основание и высоту, а можно воспользоваться свойством векторного произведения:

$$
V = frac{1}{2} (B-A) times (C-A)
$$

В случае произвольного многоугольника, заданного последовательностью вершин в порядке обхода, можно поступить так: пройдемся по всем ребрам и для каждого добавим в сумму его ориентированную площадь треугольника, заданного этим ребром и началом координат.

На примере из картинки, площадь будет равна такой сумме векторных произведений:

$$
S = – frac{1}{2} cdot (sum_{i=1}^{5} A_i times A_{i+1} + A_6 times A_1)
$$

Все пары вершин, идущие по часовой стрелке, учтутся с отрицательным знаком, а против часовой — с положительным, и поэтому отменят лишнюю площадь.

Формула верна в случае любых многоугольников без самопересечений, даже невыпуклых. Чтобы убедиться в этом, попробуйте зафиксировать какую-нибудь точку на плоскости и проверить, сколько раз и с какими знаками она учтется в сумме.

Отметим, что знак итогового результата зависит от того, в каком порядке обходить многоугольник (чтобы про это не думать, можно взять его по модулю).

double area(vector<r> p) {
    int n = (int) p.size();
    double s = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++)
        s += p[i] ^ p[(i + 1) % n];
    return abs(s) / 2;
}

Также существует возможно более интуитивный, но и более громоздкий метод трапеций, где мы так же проходимся по всем ребрам и складываем ориентированные площади, но не треугольников относительно начала координат, а трапеций с основанием на оси $x$, в котором «нижние» трапеции аналогично отменяют лишнюю площадь «верхних».

Вне зависимости от метода подсчета площадей, заметим, что из формулы для площади треугольника следует, что если все координаты целочисленные, то площадь любой фигуры будет либо целым числом, либо рациональным с двойкой в знаменателе. Часто в задачах все входные данные целочисленные, и чтобы оставаться в целых числах, иногда имеет смысл умножить все входные числа на $2$ — тогда все площади будут целыми (и более того, чётными).

#Принадлежность точки

Опять же, начнём с треугольников. Требуется определить, находится ли точка точка $P$ в треугольнике $ABC$, заданном против часовой стрелки. Тогда она должна лежать слева от всех трёх отрезков $AB$, $BC$ и $CA$. Это условие задаст пересечение трёх полуплоскостей, которое и будет нужным треугольником.

$$
text{P лежит внутри ABC} iff begin{cases}
(B-A) times (P-A) geq 0 \
(C-B) times (P-B) geq 0 \
(A-C) times (P-C) geq 0 \
end{cases}
$$

Подобную проверку можно обобщить на случай выпуклых многоугольников. Для этого нужно пройтись по вершинам против часовой стрелки и проверить, что точка $P$ лежит «слева» от всех ребер.

Чтобы проверить, что многоугольник выпуклый, можно пройтись по ребрам многоугольника и проверять векторным произведением, что мы «поворачиваем» всегда в одну сторону, то есть для всех последовательных точек $a$, $b$, $c$ проверить, что $(b-a)times(c-a) > 0$.

В постановке задачи, когда у нас многоугольник фиксирован, и поступают запросы проверки вхождения, задачу можно решить быстрее чем за линейное время.

#Произвольный многоугольник

В более общем случае есть два популярных подхода, оба за $O(n)$.

Первый заключается в подсчете углов. Пройдемся по всем вершинам в порядке обхода и будем последовательно рассматривать углы с вершиной в точке $P$ и лучами, проходящими через соседние вершины многоугольника. Если просуммировать эти ориентированные углы, то получится какая-то величина $theta$. Если точка $P$ лежит внутри многоугольника, то $theta = pm 2 pi$, иначе $theta = 0$.

Второй заключается в подсчете, сколько раз луч, выпущенный из $P$, пересекает ребра многоугольника.

Если из произвольной точки пустить любой луч, и если этот луч пересечет многоугольник, то он рано или поздно выйдет из этого многоугольника — потому что луч бесконечный, а многоугольник нет.

Если посчитать число пересечений с многоугольником, то для точки, находящейся внутри, это число будет нечетным («наружу-внутрь-наружу», 3 пересечения), в противном случае — четным.

Чтобы не обрабатывать отдельно случаи, когда луч пересекает вершину (сразу 2 ребра), его можно делать случайным — вероятность, что действительнозначное направление совпадет с конечным числом точек пренебрежимо мала.

Источник

Вычисление площади выпуклого многоугольника по координатам вершин на плоскости

Вычисление площади выпуклого многоугольника по координатам вершин. Выпуклый многоугольник строится по точкам с использованием алгоритма Джарвиса

Калькулятор ниже был написан для решения частной задачи расчета площади выпуклого четырехугольника по координатам его вершин. Он только обобщает эту задачу до задачи расчета площади любого выпуклого многоугольника вообще. Собственно, на сайте уже был подобный калькулятор Площадь многоугольника, но там требовалось вводить длины сторон и диагоналей, а это несколько труднее, чем вводить только координаты вершин.

Принцип работы остается таким же – многоугольник разбивается на непересекающиеся треугольники, подсчитывается площадь всех треугольников (это легко сделать зная длины всех трех сторон – Расчет площади треугольника по формуле Герона), затем площади суммируются. Основная проблема была в том, чтобы сделать его устойчивым к ситуации, когда точки вводят не по порядку. Предположим, сначала вводят первые четыре точки получая фигуру на рисунке ниже

При добавлении следующей точки, например, так, как на следующем рисунке

должен уже получиться многоугольник ADCBE, а не ABCDE, разбитый на треугольники ADC, ACB и ABE, соответственно.

Чтобы получить правильный многоугольник, фактически требуется получить оболочку введенных точек. Для этого калькулятор использует алгоритм Джарвиса (или алгоритм обхода Джарвиса, или алгоритм заворачивания подарка), который определяет последовательность элементов множества, образующих выпуклую оболочку для этого множества. Метод можно представить как обтягивание верёвкой множества вбитых в доску гвоздей.

Алгоритм работает за время , где n — общее число точек на плоскости, h — число точек в выпуклой оболочке. Для выпуклого многоугольник соответственно будет . Не самый оптимальный алгоритм, зато очень простой, и для этого калькулятора вполне производительный.

Как пользоваться калькулятором: начинаете вводить координаты точек выпуклого многоугольника. Начиная с трех точек алгоритм Джарвиса будет стоить обтягивающий контур, затем контур будет разбиваться треугольники и подсчитываться общая площадь. Для справки также будут выводиться площади всех треугольников.

Формулы площади

Основные свойства и виды

К выпуклым четырехугольникам можно отнести практически все известные нам фигуры, состоящие из четырех углов и сторон. Можно выделить следующие:

Все эти фигуры объединяет не только то, что они четырехугольные, но и то, что они еще и выпуклые. Достаточно просто рассмотреть схему:

Что такое четырех угольник

Четырёхугольник — многоугольник, состоящий из четырех точек (вершин) и четырёх отрезков (сторон), попарно соединяющих эти точки. Площадь четырехугольника равна полупроизведению его диагоналей и угла между ними.

Четырехугольник – это многоугольник с четырьмя вершинами, три из которых не лежат на одной прямой.

Четырехугольник – это геометрическая фигура, состоящая из четырех точек, три из которых не лежат на одной прямой, последовательно соединенная отрезками.

Формулы площади квадрата

где S – площадь квадрата,
a – длина стороны квадрата,
d – длина диагонали квадрата.

Определения и соглашения

В приведённой ниже таблице будут указаны определения и договорённости, которые будут использоваться в дальнейшем во время наших рассуждений.

Четырёхугольник – это фигура из четырёх точек (вершин), из которых любые три не лежат на одной прямой, и четырёх отрезков (сторон) последовательно их соединяющих.
Диагональ — отрезок, соединяющий вершины многоугольника не лежащие на одной стороне (её обозначение – латинская буква d).
Площадь фигуры — это численное значение территории, заключённой внутри многоугольника (её обозначение – латинская буква S).
Синус угла — это число равное отношению противоположного катета к гипотенузе в прямоугольном треугольнике. (её обозначение – запись sin).
Косинус угла — это число равное отношению прилежащего катета к гипотенузе в прямоугольном треугольнике. В дальнейшем в статье для его обозначения будем использовать латинскую запись cos.
Описанная окружность — это окружность, которой принадлежат все вершины многоугольника ( её радиуса обозается буквой R).
Вписанная окружность — это окружность, которая касается всех сторон многоугольника. В дальнейшем в статье для обозначения её радиуса будем использовать латинскую букву r.
Угол между сторонами a и b будем обозначать следующей записью (a,b).

Площадь четырехугольника, заданного координатами

Формула площади четырехугольника по координатам используется для расчета площади фигур, которые располагаются в системе координат. В этом случае для начала требуется расчет длин необходимых сторон. В зависимости от типа четырехугольника может меняться и сама формула. Рассмотрим пример расчета площади четырехугольника, используя квадрат, который лежит в системе координат XY .

Мы знаем, что все стороны фигуры равны, и формула площади квадрата находится по формуле:
Найдем одну из сторон, к примеру, AB :
Подставим значения в формулу:
Знаем, что все стороны одинаковые. Подставляем значение в формулу расчета площади:

Формула вычисления площади

Площадь (S) выпуклого четырехугольника равняется одной второй (половине) произведения его диагоналей и синуса угла между ними:

S = 1/2 * d₁ * d₂ * sin α

Нахождение площади четырёхугольника различными способами и методами

Узнаем как найти площадь четырёхугольника когда даны его диагонали и образуемый при их пересечении острый угол. Тогда площадь четырёхугольника будет вычисляться по формуле: S = 1/2*d1*d2*sin(d1,d2).

Рассмотрим пример. Пусть d1 = 15 сантиметров, d2 = 12 сантиметров, и угол между ними 30 градусов. Определим S. S = 1/2*15*12*sin30 = 1/2*15*12*1/2 = 45 сантиметров квадратных.

Теперь пусть даны стороны и противолежащие углы четырёхугольника.

Пусть a, b, c, d известные стороны многоугольника; p – его полупериметр. Корень квадратный выражения условимся обозначать как rad (от латинского radical). Формула площади четырёхугольника будет находиться по формуле: S = rad(( p − a ) ( p − b ) ( p − c ) ( p − d ) − a b c d ⋅ c o s^2( (a,b) + (c,d))/2), где p = 1/2*(a + b + c + d).

На первый взгляд, формула кажется очень сложной и вычурной. Однако ничего сложного здесь нет, что мы и докажем, рассмотрев пример. Пусть данные нашего условия следующие: a = 18 миллиметров, b = 23 миллиметра, c = 22 миллиметра, d = 17 миллиметров. Противолежащие углы будут равны (a,b) = 0,5 градуса и (c,d) = 1,5 градуса. Для начала находим полупериметр: p = 1/2*(18 + 23 + 22 + 17) = 1/2*80 = 40 миллиметров.

Теперь найдём квадрат косинуса полусуммы противолежащих углов: c o s^2( (a,b) + (c,d))/2) = c o s^2(0,5 + 1,5)/2 = c o s1*c o s1 = (1/2)*(1/2) = 0,9996.

Подставим полученные данные в нашу формулу, получим: S = rad((40 – 18)*(40 – 23)*(40 – 22)*(40 – 17) – 18*23*22*17*0,97) = rad(22*17*18*23 – 18*23*22*17*1/4) = rad((22*17*18*23*(1 – 0,9996)) = rad(154836*0,0004) = rad62 = 7,875 миллиметра квадратного.

Разберёмся как находить площадь с помощью вписанной и описанной окружностей. При решении задач данной темы имеет смысл сопровождать свои действия вспомогательным рисунком, хотя это требование и не является обязательным.

Если есть вписанная окружность и нужно найти площадь четырёхугольника формула имеет вид:

Снова возьмём на рассмотрение пример: a = 16 метров, b = 30 метров, c = 28 метров, d = 14 метров, r = 6 метров. Подставим аши значения в формулу, получим:

S = ((16 +30 + 28 + 14)/2)*6 = 44*6 = 264 метров квадратных.

Теперь займёмся вариантом когда окружность описана вокруг четырёхугольника. Здесь мы сможем воспользоваться следующей формулой:

S = rad((p − a )*( p − b )*( p − c )*( p − d ), где p равно половине длины периметра. Пускай в нашем случае стороны имеют следующие значения a = 26 дециметров, b = 35 дециметров, c = 39 дециметров, d = 30 дециметров.

Первым делом определим полупериметр, p = (26 + 35 + 39 + 30)/2 = 65 дециметров. Подставим найденное значение в нашу формулу. Получим:

S = rad((65 – 26)*(65 – 35)*(65 – 39)*(65 – 30)) = rad(39*30*26*35) = 1032 (округлённо) дециметров квадратных.

Особые виды четырехугольников

Четырехугольники могут обладать дополнительными свойствами, образуя особые виды геометрических фигур:

Параллелограмм
Ромб
Прямоугольник
Квадрат
Трапеция
Дельтоид
Контрпараллелограмм

Квадрат, прямоугольник и другие параллелограммы

Квадрат — это параллелограмм, у которого все стороны равны и пересекаются под прямым углом.
Прямоугольник — это параллелограмм, у которого все стороны пересекаются под прямым углом.
Ромб — это параллелограмм, у которого все стороны равны.

‘Площадь = длина х высота, или S = a х h.
Пример: если длина прямоугольника равна 10 см, а ширина равна 5 см, то площадь этого прямоугольника: S = 10 х 5 = 50 квадратных сантиметров.
Не забывайте, что площадь измеряется в квадратных единицах (квадратных метрах, квадратных сантиметрах и так далее).

Площадь = сторона х сторона, или S = a 2.
Пример: если сторона квадрата равна 4 см (a = 4), то площадь этого квадрата: S = a 2 = 4 х 4 = 16 квадратных сантиметров.

Площадь = (диагональ1 х диагональ2)/2, или S = (d₁ × d₂)/2
Пример: если диагонали ромба равны 6 см и 8 см, то площадь этого ромба: S = (6 х 8)/2 = 24 квадратных сантиметров.

Пример: если длина ромба равна 10 см, а его высота равна 3 см, то площадь такого ромба равна 10 х 3 = 30 квадратных сантиметров.

Площадь = сторона х высоту, или S = a × h
Площадь = (диагональ1 × диагональ2)/2, или S = (d₁ × d₂)/2
Пример: если сторона квадрата равна 4 см, то его площадь равна 4 х 4 = 16 квадратных сантиметров.
Пример: диагонали квадрата равны по 10 см. Вы можете найти площадь этого квадрата по формуле: (10 х 10)/2 = 100/2 = 50 квадратных сантиметров.

Пример задачи

Найдите площадь выпуклого четырехугольника, если его диагонали равны 5 и 9 см, а угол между ними составляет 30°.

Решение:
Подставляем в формулу известные нам значения и получаем: S = 1/2 * 5 см * 9 см * sin 30° = 11,25 см 2 .

Свойство диагоналей выпуклого четырехугольника

Диагонали выпуклого четырехугольника пересекаются. Действительно, это явление можно наблюдать визуально, достаточно взглянуть на рисунок:

На рисунке слева изображен невыпуклый четырехугольник или четырехсторонник. Как угодно. Как видно, диагонали не пересекаются, по крайней мере, не все. Справа изображен выпуклый четырехугольник. Тут уже наблюдается свойство диагоналей пересекаться. Это же свойство можно считать признаком выпуклости четырехугольника.

Свойства длин сторон четырехугольника

Модуль разности любых двух сторон четырёхугольника не превосходит суммы двух других его сторон.

Важно. Неравенство верно для любой комбинации сторон четырехугольника. Рисунок приведен исключительно для облегчения восприятия.

В любом четырёхугольнике сумма длин трёх его сторон не меньше длины четвёртой стороны.

Важно. При решении задач в пределах школьной программы можно использовать строгое неравенство ( a, b, c, d формула полупериметра будет выглядеть так:
Зная стороны, выводим формулу. Площадь четырехугольника представляет собой корень из произведения разности полупериметра с длиной каждой стороны:

Четырехугольник и окружность

Четырехугольник, описанный вокруг окружности (окружность, вписанная в четырехугольник).

Главное свойство описанного четырехугольника:

Четырехугольник можно описать вокруг окружности тогда и только тогда, когда суммы длин противоположных сторон равны.

Четырехугольник, вписанный в окружность (окружность, описанная вокруг четырехугольника)

Главное свойство вписанного четырехугольника:

Четырехугольник можно вписать в окружность тогда и только тогда, когда суммы противоположных углов равны 180 градусов.

Вывод формул для площадей четырехугольников

Утверждение 1 . Площадь выпуклого четырёхугольника можно найти по формуле

где d₁ и d₂ – диагонали четырёхугольника , а φ – любой из четырёх углов между ними (рис. 1).

Доказательство . В соответствии с рисунком 1 справедливо равенство:

что и требовалось доказать.

Утверждение 2 . Площадь параллелограмма параллелограмма можно найти по формуле

где a – сторона параллелограмма, а h_a – высота высота высота , опущенная на эту сторону (рис. 2).

Доказательство . Поскольку прямоугольный треугольник DFC равен прямоугольному треугольнику AEB (рис.26), то четырёхугольник AEFB – прямоугольник. Поэтому

что и требовалось доказать.

Утверждение 3 .Площадь параллелограмма параллелограмма можно найти по формуле

где a и b – смежные стороны параллелограмма, а φ – угол между ними (рис. 3).

то, в силу утверждения 2, справедлива формула

что и требовалось доказать.

Утверждение 4 . Площадь ромба ромба можно найти по формуле

где r – радиус вписанной в ромб окружности , а φ – любой из четырёх углов ромба (рис.4).

Доказательство . Поскольку каждая из диагоналей ромба является биссектрисой угла , а каждая точка биссектрисы угла равноудалена от сторон угла, то точка пересечения диагоналей ромба равноудалена от всех сторон ромба и является центром вписанной в ромб окружности . Отсюда следует, в частности, что высота ромба в 2 раза больше радиуса вписанной окружности (рис.4). Поэтому

что и требовалось доказать.

Утверждение 5 . Площадь трапеции можно найти по формуле

где a и b – основания трапеции, а h – высота высота высота (рис.5).

Доказательство . Проведём прямую BE через вершину B трапеции и середину E боковой стороны CD . Точку пересечения прямых AD и BE обозначим буквой F (рис. 5). Поскольку треугольник BCE равен треугольнику EDF (по стороне и прилежащим к ней углам) , то площадь трапеции ABCD равна площади треугольника ABF . Поэтому

что и требовалось доказать.

Утверждение 6 . Площадь трапеции трапеции можно найти по формуле

где a и b – основания, а c и d – боковые стороны трапеции ,

(рис.6).

Доказательство . Воспользовавшись теоремой Пифагора , составим следующую систему уравнений с неизвестными x, y, h (рис. 6):

что и требовалось доказать.

Утверждение 7 . Площадь дельтоида , дельтоида , можно найти по формуле:

где a и b – неравные стороны дельтоида, а r – радиус вписанной в дельтоид окружности (рис.7).

Доказательство . Докажем сначала, что в каждый дельтоид можно вписать окружность. Для этого заметим, что треугольники ABD и BCD равны в силу признака равенства треугольников «По трём сторонам» (рис. 7). Отсюда вытекает, что диагональ BD является биссектрисой углов B и D , а биссектрисы углов A и C пересекаются в некоторой точке O , лежащей на диагонали BD . Точка O и является центром вписанной в дельтоид окружности.

Если r – радиус вписанной в дельтоид окружности, то

Нахождение площади выпуклого четырехугольника: формула и пример

Выпуклый четырехугольник – это геометрическая фигура, полученная путем соединения на плоскости четырех точек, которые не должны лежать на одной прямой. При этом образованные таким образом стороны не должны пересекаться.

Формула вычисления площади

По диагоналям и углу между ними

Площадь (S) выпуклого четырехугольника равняется одной второй (половине) произведения его диагоналей и синуса угла между ними.

По четырем сторонам (формула Брахмагупты)

Чтобы воспользоваться формулой, необходимо знать длины всех сторон фигуры. Также вокруг четырехугольника должна быть возможность описать окружность.

p – полупериметр, вычисляется следующим образом:

По радиусу вписанной окружности и сторонам

Если в четырехугольник можно вписать окружность, вычислить его площадь можно, воспользовавшись формулой:

S = p ⋅ r

r – радиус окружности.

Пример задачи

Найдите площадь выпуклого четырехугольника, если его диагонали равны 5 и 9 см, а угол между ними составляет 30°.

Решение:
Подставляем в формулу известные нам значения и получаем: S = 1/2 * 5 см * 9 см * sin 30° = 11,25 см 2 .

[spoiler title=”источники:”]

http://exceltut.ru/formuly-ploshhadi/

Нахождение площади выпуклого четырехугольника: формула и пример

[/spoiler]

Источник

[{Large{text{Основные факты о площади}}}]

Можно сказать, что площадь многоугольника — это величина, обозначающая часть плоскости, которую занимает данный многоугольник. За единицу измерения площади принимают площадь квадрата со стороной (1) см, (1) мм и т.д. (единичный квадрат). Тогда площадь будет измеряться в см(^2), мм(^2) соответственно.

Иными словами, можно сказать, что площадь фигуры — это величина, численное значение которой показывает, сколько раз единичный квадрат умещается в данной фигуре.

Свойства площади

1. Площадь любого многоугольника — величина положительная.

2. Равные многоугольники имеют равные площади.

3. Если многоугольник составлен из нескольких многоугольников, то его площадь равна сумме площадей этих многоугольников.

4. Площадь квадрата со стороной (a) равна (a^2).

[{Large{text{Площадь прямоугольника и параллелограмма}}}]

Теорема: площадь прямоугольника

Площадь прямоугольника со сторонами (a) и (b) равна (S=ab).

Доказательство

Достроим прямоугольник (ABCD) до квадрата со стороной (a+b), как показано на рисунке:

Данный квадрат состоит из прямоугольника (ABCD), еще одного равного ему прямоугольника и двух квадратов со сторонами (a) и (b). Таким образом,

(begin{multline*} S_{a+b}=2S_{text{пр-к}}+S_a+S_b Leftrightarrow
(a+b)^2=2S_{text{пр-к}}+a^2+b^2 Leftrightarrow\
a^2+2ab+b^2=2S_{text{пр-к}}+a^2+b^2 Rightarrow
S_{text{пр-к}}=ab end{multline*})

Определение

Высота параллелограмма — это перпендикуляр, проведенный из вершины параллелограмма к стороне (или к продолжению стороны), не содержащей эту вершину.
Например, высота (BK) падает на сторону (AD), а высота (BH) — на продолжение стороны (CD):

Теорема: площадь параллелограмма

Площадь параллелограмма равна произведению высоты и стороны, к которой проведена эта высота.

Доказательство

Проведем перпендикуляры (AB’) и (DC’), как показано на рисунке. Заметим,что эти перпендикуляры равны высоте параллелограмма (ABCD).

Тогда (AB’C’D) – прямоугольник, следовательно, (S_{AB’C’D}=AB’cdot
AD).

Заметим, что прямоугольные треугольники (ABB’) и (DCC’) равны. Таким образом,

(S_{ABCD}=S_{ABC’D}+S_{DCC’}=S_{ABC’D}+S_{ABB’}=S_{AB’C’D}=AB’cdot
AD.)

[{Large{text{Площадь треугольника}}}]

Определение

Будем называть сторону, к которой в треугольнике проведена высота, основанием треугольника.

Теорема

Площадь треугольника равна половине произведения его основания на высоту, проведенную к этому основанию.

Доказательство

Пусть (S) – площадь треугольника (ABC). Примем сторону (AB) за основание треугольника и проведём высоту (CH). Докажем, что [S = dfrac{1}{2}ABcdot CH.] Достроим треугольник (ABC) до параллелограмма (ABDC) так, как показано на рисунке:

Треугольники (ABC) и (DCB) равны по трем сторонам ((BC) – их общая сторона, (AB = CD) и (AC = BD) как противоположные стороны параллелограмма (ABDC)), поэтому их площади равны. Следовательно, площадь (S) треугольника (ABC) равна половине площади параллелограмма (ABDC), то есть (S = dfrac{1}{2}ABcdot CH).

Теорема

Если два треугольника (triangle ABC) и (triangle A_1B_1C_1) имеют равные высоты, то их площади относятся как основания, к которым эти высоты проведены.

Следствие

Медиана треугольника делит его на два треугольника, равных по площади.

Теорема

Если два треугольника (triangle ABC) и (triangle A_2B_2C_2) имеют по равному углу, то их площади относятся как произведения сторон, образующих этот угол.

Доказательство

Пусть (angle A=angle A_2). Совместим эти углы так, как показано на рисунке (точка (A) совместилась с точкой (A_2)):

Проведем высоты (BH) и (C_2K).

Треугольники (AB_2C_2) и (ABC_2) имеют одинаковую высоту (C_2K), следовательно: [dfrac{S_{AB_2C_2}}{S_{ABC_2}}=dfrac{AB_2}{AB}]

Треугольники (ABC_2) и (ABC) имеют одинаковую высоту (BH), следовательно: [dfrac{S_{ABC_2}}{S_{ABC}}=dfrac{AC_2}{AC}]

Перемножая последние два равенства, получим: [dfrac{S_{AB_2C_2}}{S_{ABC}}=dfrac{AB_2cdot AC_2}{ABcdot AC} qquad text{ или
} qquad dfrac{S_{A_2B_2C_2}}{S_{ABC}}=dfrac{A_2B_2cdot
A_2C_2}{ABcdot AC}]

Теорема Пифагора

В прямоугольном треугольнике квадрат длины гипотенузы равен сумме квадратов длин катетов:

Верно и обратное: если в треугольнике квадрат длины одной стороны равен сумме квадратов длин других двух сторон, то такой треугольник прямоугольный.

Теорема

Площадь прямоугольного треугольника равна половине произведения катетов.

Теорема: формула Герона

Пусть (p) – полупериметр треугольника, (a), (b), (c) – длины его сторон, тогда его площадь равна [S_{triangle}=sqrt{p(p – a)(p –
b)(p – c)}]

[{Large{text{Площадь ромба и трапеции}}}]

Замечание

Т.к. ромб является параллелограммом, то для него верна та же формула, т.е. площадь ромба равна произведению высоты и стороны, к которой проведена эта высота.

Теорема

Площадь выпуклого четырехугольника, диагонали которого перпендикулярны, равна половине произведения диагоналей.

Доказательство

Рассмотрим четырехугольник (ABCD). Обозначим (AO=a, CO=b, BO=x,
DO=y):

Заметим, что данный четырехугольник составлен из четырех прямоугольных треугольников, следовательно, его площадь равна сумме площадей этих треугольников:

(begin{multline*}
S_{ABCD}=frac12ax+frac12xb+frac12by+frac12ay=frac12(ax+xb+by+ay)=\
frac12((a+b)x+(a+b)y)=frac12(a+b)(x+y)end{multline*})

Следствие: площадь ромба

Площадь ромба равна половине произведения его диагоналей: [S_{text{ромб}}=dfrac12 d_1cdot d_2]

Определение

Высота трапеции – это перпендикуляр, проведенный из вершины одного основания к другому основанию.

Теорема: площадь трапеции

Площадь трапеции равна произведению полусуммы оснований на высоту.

Доказательство

Рассмотрим трапецию (ABCD) с основаниями (BC) и (AD). Проведем (CD’parallel AB), как показано на рисунке:

Тогда (ABCD’) – параллелограмм.

Проведем также (BH’perp AD, CHperp AD) ((BH’=CH) – высоты трапеции).

Тогда (S_{ABCD’}=BH’cdot AD’=BH’cdot BC, quad S_{CDD’}=dfrac12CHcdot D’D)

Т.к. трапеция состоит из параллелограмма (ABCD’) и треугольника (CDD’), то ее площадь равна сумме площадей параллелограмма и треугольника, то есть:

[S_{ABCD}=S_{ABCD’}+S_{CDD’}=BH’cdot BC+dfrac12CHcdot
D’D=dfrac12CHleft(2BC+D’Dright)=] [=dfrac12
CHleft(BC+AD’+D’Dright)=dfrac12 CHleft(BC+ADright)]

Источник

Определения[править | править код]

Примеры[править | править код]

Площадь выпуклого многоугольника[править | править код]

Вариации и обобщения[править | править код]

См. также[править | править код]

Определение многоугольников

Понятие площади многоугольника. Площадь прямоугольника

Площадь параллелограмма

Площадь треугольника

Пример №1

Площадь трапеции

Равносоставленные и равновеликие многоугольники

Теорема Чевы

Ломанная линия и многоугольники

Внутренние и внешние углы многоугольника

Пример №2

Многоугольники вписанные в окружность и описанные около окружности

Окружность, вписанная в треугольник и описанная около нее

Свойства четырехугольников, вписанных в окружность и описанного около нее

Площадь правильного многоугольника

Пример №3

Паркетирование

Справочный материал по многоугольникам

Пример №4

Пример №5

Многоугольник и его свойства

Понятие площади

Пример №6

Параллелограмм и его площадь

Пример №7

Треугольник и его площадь

Пример №8

Трапеция и её площадь

Пример №9

#Площади

#Принадлежность точки

#Произвольный многоугольник

Вычисление площади выпуклого многоугольника по координатам вершин на плоскости

Формулы площади

Основные свойства и виды

Что такое четырех угольник

Формулы площади квадрата

Определения и соглашения

Площадь четырехугольника, заданного координатами

Формула вычисления площади

Нахождение площади четырёхугольника различными способами и методами

Особые виды четырехугольников

Квадрат, прямоугольник и другие параллелограммы

Пример задачи

Свойство диагоналей выпуклого четырехугольника

Свойства длин сторон четырехугольника

Четырехугольник и окружность

Вывод формул для площадей четырехугольников

Нахождение площади выпуклого четырехугольника: формула и пример

Формула вычисления площади

По диагоналям и углу между ними

По четырем сторонам (формула Брахмагупты)

По радиусу вписанной окружности и сторонам

Пример задачи

Вам также может понравиться

Как найти потерянную деревню в майнкрафт

Как составить буклет туристического маршрута

Как найти поршень в трубе

Добавить комментарий Отменить ответ