Как найти сумму углов в четырехугольнике

Сумма углов четырехугольника

Свойства

1. Сумма углов четырехугольника равна 360°.
   ∠A + ∠B + ∠C + ∠D = 360°.
   
2. Если четырехугольник правильный, то каждый угол по 90°
   и этот четырехугольник является квадратом.
   ∠A = ∠B = ∠C = ∠D, ⇒ ∠A = ∠B = ∠C = ∠D = 90°,
   ABCD — квадрат.
   
3. Сумма противоположных углов четырехугольника равна 180°,
   если около четырехугольника описана окружность.
   ∠A + ∠С = ∠В + ∠D = 180°.
   

Такие четырехугольники называют вписанными.

Это все виды четырехугольников,
которые изучаются в школьном
курсе по геометрии.

Четырехугольник и его элементы — определение и вычисление с доказательствами и примерами решения

Содержание:

Четырехугольником называют фигуру, состоящую из четырех точек и четырех последовательно соединяющих их отрезков.

Никакие три из этих точек не должны лежать на одной прямой, а соединяющие их отрезки не должны иметь никаких других общих точек, кроме данных.

Любой четырехугольник ограничивает некоторую часть плоскости, являющуюся внутренней областью четырехугольника.

На рисунке 1 изображен четырехугольник

Вершины четырехугольника, являющиеся концами его стороны, называют соседними, несоседние вершины называют противолежащими. На рисунке 1 вершины и — соседние, и — противолежащие.

Стороны четырехугольника, имеющие общую вершину, называют соседними, а не имеющие общей вершины — противолежащими. На рис. 1 стороны и — соседние, и — противолежащие.

Сумму длин всех сторон четырехугольника называют его периметром. Периметр обозначают буквой Например, периметр четырехугольника можно обозначить как

Отрезки, соединяющие противолежащие вершины четырехугольника, называют диагоналями четырехугольника.

На рисунке 2 отрезки и — диагонали четырехугольника Каждый четырехугольник имеет две диагонали.

Углами четырехугольника называют углы и (рис. 1). Углы четырехугольника называют противолежащими, если их вершины — противолежащие вершины четырехугольника, и соседними, если их вершины — соседние вершины четырехугольника. На рисунке 1 углы и — противолежащие, и — соседние.

Один из углов четырехугольника может быть больше развернутого угла. Например, на рисунке 3 в четырехугольнике угол больше развернутого. Такой четырехугольник называют невыпуклым. Если все углы четырехугольника меньше 180°, его называют выпуклым. Диагонали выпуклого четырехугольника пересекаются (рис. 2), а невыпуклого не пересекаются (рис. 4).

Теорема (о сумме углов четырехугольника). Сумма углов четырехугольника равна 360°.

Доказательство:

Пусть — некоторый четырехугольник. Проведем в нем диагональ (рис. 5). Тогда Учитывая, что (как сумма углов (как сумма углов будем иметь:

Пример:

Найдите углы четырехугольника, если их градусные меры относятся как 3 : 10 : 4 : 1. Выпуклым или невыпуклым является этот четырехугольник?

Решение:

Пусть углы четырехугольника равны и Имеем уравнение откуда Следовательно, углы четырехугольника равны и Так как один из углов четырехугольника больше 180°, то этот четырехугольник — невыпуклый.

Ответ. 60°, 200°, 80°, 20°; невыпуклый.

Четырехугольник и его элементы

На рисунке 1 отрезки АВ и ВС имеют только одну общую точку В, которая является концом каждого из них. Такие отрезки называют соседними. На рисунке 2 каждые два отрезка являются соседними.

Отрезки АВ и CD на рисунке 3 не являются соседними.

Рассмотрим фигуру, состоящую из четырех точек А, В, С, D и четырех отрезков АВ, ВС, CD, DA таких, что никакие два соседних отрезка не лежат на одной прямой и никакие два несоседних отрезка не имеют общих точек (рис. 4, а).

Фигура, образованная этими отрезками, ограничивает часть плоскости, выделенную на рисунке 4, б зеленым цветом. Эту часть плоскости вместе с отрезками АВ, ВС, CD и DA называют четырехугольником. Точки А, В, С, D называют вершинами четырехугольника, а отрезки АВ, ВС, CD, DA — сторонами четырехугольника.

На рисунке 5 изображены фигуры, состоящие из четырех отрезков АВ, ВС, CD, DA и части плоскости, которую они ограничивают. Однако эти фигуры не являются четырехугольниками. Поясните почему.

Стороны четырехугольника, являющиеся соседними отрезками, называют соседними сторонами четырехугольника. Вершины, являющиеся концами одной стороны, называют соседними вершинами многоугольника. Стороны, не являющиеся соседними, называют противолежащими сторонами четырехугольника. Несоседние вершины называют противолежащими вершинами четырехугольника.

На рисунке 6 изображен четырехугольник, в котором, например, стороны MQ и MN являются соседними, а стороны NP и MQ — противолежащими. Вершины Q и Р — соседние, а вершины М и Р — противолежащие.

Четырехугольник называют и обозначают по его вершинам. Например, на рисунке 4, б изображен четырехугольник ABCD, а на рисунке 6 — четырехугольник MNPQ. В обозначении четырехугольника буквы, стоящие рядом, соответствуют соседним вершинам четырехугольника. Например, четырехугольник, изображенный на рисунке 6, можно обозначить еще и так: PQMN, или MQPN, или NPQM и т. д.

Сумму длин всех сторон четырехугольника называют периметром четырехугольника.

Отрезок, соединяющий противолежащие вершины четырехугольника, называют диагональю. На рисунке 7 отрезки АС и BD — диагонали четырехугольника АВСD.

Углы ABC, BCD, CDA, DAB (рис. называют углами четырехугольника ABCD. В этом четырехугольнике каждый из них меньше развернутого угла. Такой четырехугольник называют выпуклым. Однако существуют четырехугольники, в которых не все углы меньше развернутого. Например, на рисунке 9 угол В четырехугольника ABCD больше 180°. Такой четырехугольник называют невыпуклым 1 .

Углы АВС и ADC называют противолежащими углами четырехугольника ABCD (рис. 8, 9). Также противолежащими являются углы BAD и BCD.

Теорема 1.1. Сумма углов четырехугольника равна 360°.

Доказательство. Проведем в четырехугольнике диагональ, разбивающую его на два треугольника. Например, на рисунке 10

1 Более подробно с понятием «выпуклость» вы ознакомитесь в п. 19.

это диагональ BD. Тогда сумма углов четырехугольника ABCD равна сумме углов треугольников ABD и CBD. Поскольку сумма углов треугольника равна 180°, то сумма углов четырехугольника равна 360°.

Следствие. В четырехугольнике только один из углов может быть больше развернутого.

Докажите это свойство самостоятельно.

Пример:

Докажите, что длина любой стороны четырехугольника меньше суммы длин трех остальных его сторон.

Решение:

Рассмотрим произвольный четырехугольник ABCD (рис. 11). Покажем, например, что АВ 1 В учебнике задачи на построение не обязательны для рассмотрения.

В треугольнике АВС известны две стороны АВ и ВС и угол В между ними. Следовательно, этот треугольник можно построить. Теперь можем от лучей АВ и СВ отложить углы, равные углам четырехугольника при вершинах А и С.

Проведенный анализ показывает, как строить искомый четырехугольник.

Строим треугольник по двум данным сторонам четырехугольника и углу между ними. На рисунке 12 это треугольник АВС. Далее от лучей АВ и СВ откладываем два известных угла четырехугольника. Два построенных луча пересекаются в точке D. Четырехугольник ABCD — искомый.

Параллелограмм. Свойства параллелограмма

Определение. Параллелограммом называют четырехугольник, у которого каждые две противолежащие стороны параллельны.

На рисунке 19 изображен параллелограмм ABCD. По определению параллелограмма имеем:

Рассмотрим некоторые свойства параллелограмма.

Теорема 2.1. Противолежащие стороны параллелограмма равны.

Доказательство. На рисунке 19 изображен параллелограмм ABCD. Докажем, что АВ = CD и ВС = AD.

Проведем диагональ АС. Докажем, что треугольники АВС и CDA равны (рис. 20).

В этих треугольниках сторона АС — общая, углы 1 и 2 равны как накрест лежащие при параллельных прямых ВС и AD и секущей АС, углы 3 и 4 равны как накрест лежащие при параллельных прямых АВ и CD и секущей АС. Следовательно, треугольники АВС и CDA равны по второму признаку равенства треугольников. Отсюда АВ = CD и ВС = AD.

Теорема 2.2. Противолежащие углы параллелограмма равны.

Доказательство. На рисунке 19 изображен параллелограмм ABCD. Докажем, что
При доказательстве предыдущей теоремы было установлено, что (рис. 20). Отсюда Из равенства углов 1 и 2 и равенства углов 3 и 4 следует, что Следовательно,

Теорема 2.3. Диагонали параллелограмма точкой пересечения делятся пополам.

Доказательство. На рисунке 21 изображен параллелограмм ABCD, диагонали которого пересекаются в точке О. Докажем, что АО = ОС и ВО = OD.

Рассмотрим треугольники AOD и СОВ.
Имеем: равны как накрест лежащие при параллельных прямых AD и ВС и секущих АС и BD соответственно. Из теоремы 2.1 получаем: AD = ВС.

Следовательно, треугольники AOD и СОВ равны по второму признаку равенства треугольников. Отсюда АО = ОС, ВО = OD.

Определение. Высотой параллелограмма называют перпендикуляр, опущенный из любой точки прямой, содержащей сторону параллелограмма, на прямую, содержащую противолежащую сторону.

На рисунке 22 каждый из отрезков AF, QE, ВМ, PN, СК является высотой параллелограмма ABCD.

Из курса геометрии 7 класса вы знаете, что все точки одной из двух параллельных прямых равноудалены от другой прямой. Поэтому AF = QE и ВМ = PN = СК.

Говорят, что высоты ВМ, СК, PN проведены к сторонам ВС и AD, а высоты AF, QE — к сторонам АВ и CD.

Пример №1

Докажите, что прямые, содержащие высоты треугольника, переcекаются в одной точке.

Решение:

Через каждую вершину данного треугольника АВС проведем прямую, параллельную противолежащей стороне. Получим треугольник (рис. 23).

Из построения следует, что четырехугольники — параллелограммы. Отсюда Следовательно, точка А является серединой отрезка

Поскольку прямые параллельны, то высота АН треугольника АВС перпендикулярна отрезку Таким образом, прямая АН — серединный перпендикуляр стороны треугольника Аналогично можно доказать, что прямые, содержащие две другие высоты треугольника АВС, являются серединными перпендикулярами сторон треугольника

Так как серединные перпендикуляры сторон треугольника пересекаются в одной точке, то утверждение теоремы доказано.

Пример №2

Биссектриса тупого угла параллелограмма делит его сторону в отношении 2 : 1, считая от вершины острого угла. Найдите стороны параллелограмма, если его периметр равен 60 см.

Решение:

Пусть биссектриса тупого угла В параллелограмма ABCD (рис. 24) пересекает сторону AD в точке М. По условию AM : MD = 2 : 1.

Углы ABM и CBM равны по условию.
Углы СВМ и AM В равны как накрест лежащие при параллельных прямых ВС и AD и секущей ВМ.

Тогда Следовательно, треугольник ВАМ равнобедренный, отсюда АВ = AM.

Пусть MD = х см, тогда АВ =АМ = 2х см, AD = Зх см. Поскольку противолежащие стороны параллелограмма равны, то его периметр равен 2 (АВ + AD). Учитывая, что по условию периметр параллелограмма равен 60 см, получаем:

2 (2х + Зх) = 60;
х = 6.

Следовательно, АВ = 12 см, AD = 18 см.

Ответ: 12 см, 18 см.

Признаки параллелограмма

Определение параллелограмма позволяет среди четырехугольников распознавать параллелограммы. Этой же цели служат следующие три теоремы, которые называют признаками параллелограмма.

Теорема 3.1 (обратная теореме 2.1). Если в четырехугольнике каждые две противолежащие стороны равны, то этот четырехугольник — параллелограмм.

Доказательство. На рисунке 29 изображен четырехугольник ABCD, в котором АВ = CD и ВС = AD. Докажем, что четырехугольник ABCD — параллелограмм.

Проведем диагональ АС. Треугольники АВС и CDA равны по третьему признаку равенства треугольников. Отсюда и Углы 1 и 3 являются накрест лежащими при прямых ВС и AD и секущей АС. Следовательно, Аналогично из равенства следует, что

Таким образом, в четырехугольнике ABCD каждые две противолежащие стороны параллельны, поэтому этот четырехугольник — параллелограмм.

Теорема 3.2. Если в четырехугольнике две противолежащие стороны равны и параллельны, то этот четырехугольник — параллелограмм.

Доказательство. На рисунке 30 изображен четырехугольник ABCD, в котором ВС = AD и Докажем, что четырехугольник ABCD — параллелограмм.

Проведем диагональ АС. В треугольниках АВС и CDA имеем: ВС = AD по условию, углы 1 и 2 равны как накрест лежащие при параллельных прямых ВС и AD и секущей АС, а сторона АС общая. Следовательно, треугольники АВС и CDA равны по первому признаку равенства треугольников. Отсюда АВ = CD. Значит, в четырехугольнике ABCD каждые две противолежащие стороны равны. Поэтому по теореме 3.1 четырехугольник ABCD — параллелограмм.

Теорема 3.3 (обратная теореме 2.3). Если в четырехугольнике диагонали точкой пересечения делятся пополам, то этот четырехугольник — параллелограмм.

Доказательство. На рисунке 31 изображен четырехугольник ABCD, в котором диагонали АС и BD пересекаются в точке О, причем АО = ОС и ВО = OD. Докажем, что четырехугольник ABCD — параллелограмм.

Поскольку углы ВОС и DOA равны как вертикальные, АО = ОС и ВО = OD, то треугольники ВОС и DOA равны по первому признаку равенства треугольников. Отсюда ВС = AD и Углы 1 и 2 являются накрест лежащими при прямых ВС и AD и секущей АС. Следовательно,

Таким образом, в четырехугольнике ABCD две противолежащие стороны равны и параллельны. По теореме 3.2 четырехугольник ABCD — параллелограмм.

Вы знаете, что треугольник можно однозначно задать его сторонами, то есть задача построения треугольника по трем сторонам имеет единственное решение. Иначе обстоит дело с параллелограммом. На рисунке 32 изображены параллелограммы стороны которых равны, то есть Однако очевидно, что сами параллелограммы не равны.

Сказанное означает, что если четыре рейки скрепить так, чтобы образовался параллелограмм, то полученная конструкция не будет жесткой.

Это свойство параллелограмма широко используют на практике. Благодаря его подвижности лампу можно устанавливать в удобное для работы положение, а раздвижную решетку — отодвигать на нужное расстояние в дверном проеме (рис. 33).

На рисунке 34 изображена схема механизма, являющегося частью паровой машины. При увеличении скорости вращения оси шары отдаляются от нее под действием центробежной силы, тем самым поднимая заслонку, регулирующую количество пара. Механизм назван параллелограммом Уатта в честь изобретателя первой универсальной паровой машины.

Пример №3

Докажите, что если в четырехугольнике каждые два противолежащих угла равны, то этот четырехугольник — параллелограмм.

Решение:

На рисунке 35 изображен четырехугольник ABCD, в котором Докажем, что четырехугольник ABCD — параллелограмм.

По теореме о сумме углов четырехугольника (теорема 1.1) Учитывая, что получим:

Поскольку углы А и В — односторонние углы при прямых AD и ВС и секущей АВ, а их сумма равна 180°, то
Аналогично доказываем, что

Следовательно, четырехугольник ABCD — параллелограмм.

Необходимо и достаточно

Из курса геометрии 7 класса вы узнали, что большинство теорем состоят из двух частей: условия (то, что дано) и заключения (то, что требуется доказать).

Если утверждение, выражающее условие, обозначить буквой А, а утверждение, выражающее заключение, — буквой В, то формулировку теоремы можно изобразить следующей схемой: если А, то В.
Например, теорему 2.3 можно сформулировать так:

Тогда теорему 3.3, обратную теореме 2.3, можно сформулировать так:

Часто в повседневной жизни в своих высказываниях мы пользуемся словами «необходимо», «достаточно». Приведем несколько примеров.

• Для того чтобы уметь решать задачи, необходимо знать теоремы.
• Если вы на математической олимпиаде правильно решили все предложенные задачи, то этого достаточно для того, чтобы занять первое место.

Употребление слов «необходимо» и «достаточно» тесно связано с теоремами.

Условие А является достаточным для заключения В. Вместе с тем делимость числа нацело на 5 (утверждение В) необходима для делимости числа нацело на 10 (утверждение А).

Приведем еще один пример:

В этой теореме утверждение А является достаточным условием для утверждения В, то есть для того, чтобы два угла были равны, достаточно, чтобы они были вертикальными. В этой же теореме утверждение В является необходимым условием для утверждения А, то есть для того, чтобы два угла были вертикальными, необходимо, чтобы они были равны. Отметим, что утверждение В не является достаточным условием для утверждения А. Действительно, если два угла равны, то это совсем не означает, что они вертикальные.

Итак, в любой теореме вида если А, то В утверждение А является достаточным для утверждения В, а утверждение В — необходимым для утверждения А.

Если справедлива не только теорема если А, то В, но и обратная теорема если В, то А, то А является необходимым и достаточным условием для В, а В — необходимым и достаточным условием для А.

Например, теоремы 3.3 и 2.3 являются взаимно обратными. На языке «необходимо — достаточно» этот факт можно сформулировать так: для того чтобы четырехугольник был параллелограммом, необходимо и достаточно, чтобы его диагонали точкой пересечения делились пополам.

Подчеркнем, что если в теореме есть слова «необходимо и достаточно», то она объединяет две теоремы: прямую и обратную (прямой теоремой может быть любая из двух теорем, тогда другая будет обратной). Следовательно, доказательство такой теоремы должно состоять из двух частей: доказательств прямой и обратной теорем. Теорему, объединяющую прямую и обратную теоремы, называют критерием.

Иногда вместо «необходимо и достаточно» говорят «тогда и только тогда». Например, взаимно обратные теоремы 2.1 и 3.1 можно объединить в следующий критерий:

• четырехугольник является параллелограммом тогда и только тогда, когда каждые две его противолежащие стороны равны.

Сформулируйте самостоятельно теорему 2.2 и ключевую задачу п. 3 в виде теоремы-критерия.

Прямоугольник

Параллелограмм — это четырехугольник, однако очевидно, что не каждый четырехугольник является параллелограммом. В этом случае говорят, что параллелограмм — это отдельный вид четырехугольника. Рисунок 42 иллюстрирует этот факт.

Существуют также отдельные виды параллелограммов.

Определение. Прямоугольником называют параллелограмм, у которого все углы прямые.

На рисунке 43 изображен прямоугольник ABCD.
Из определения следует, что прямоугольник имеет все свойства параллелограмма. В прямоугольнике:

• противолежащие стороны равны;
• диагонали точкой пересечения делятся пополам.

Однако прямоугольник имеет свои особые свойства, которыми не обладает параллелограмм, отличный от прямоугольника. Так, из определения следует, что все углы прямоугольника равны. Еще одно свойство прямоугольника выражает следующая теорема.

Теорема 4.1. Диагонали прямоугольника равны.

Доказательство. На рисунке 44 изображен прямоугольник ABCD. Докажем, что его диагонали АС и BD равны.
В прямоугольных треугольниках ABD и DCA катеты АВ и DC равны, а катет AD общий. Поэтому треугольники ABD и DCA равны по двум катетам. Отсюда BD = АС.

Определение прямоугольника позволяет среди параллелограммов распознавать прямоугольники. Этой же цели служат следующие две теоремы, которые называют признаками прямоугольника.

Теорема 4.2. Если один из углов параллелограмма прямой, то этот параллелограмм — прямоугольник.

Докажите эту теорему самостоятельно.

Теорема 4.3. Если диагонали параллелограмма равны, то этот параллелограмм — прямоугольник.

Доказательство. На рисунке 45 изображен параллелограмм ABCD, диагонали АС и BD которого равны. Докажем, что параллелограмм ABCD — прямоугольник.

Рассмотрим треугольники ABD и DCА. У них АВ = CD, BD =АС, AD — общая сторона. Следовательно, эти треугольники равны по третьему признаку равенства треугольников. Отсюда Эти углы являются односторонними при параллельных прямых АВ и DC и секущей AD. Таким образом, Тогда Поэтому по теореме 4.2 параллелограмм ABCD — прямоугольник.

Ромб

Вы уже знаете, что прямоугольник — это отдельный вид параллелограмма. Познакомимся еще с одним видом параллелограмма — ромбом.

Определение. Ромбом называют параллелограмм, у которого все стороны равны.

На рисунке 47 изображен ромб ABCD.
Из определения следует, что ромб имеет все свойства параллелограмма. В ромбе:

• противолежащие углы равны;
• диагонали точкой пересечения делятся пополам.

Однако ромб имеет и свои особые свойства.

Теорема 5.1. Диагонали ромба перпендикулярны и являются биссектрисами его углов.

Доказательство. На рисунке 48 изображен ромб ABCD, диагонали которого пересекаются в точке О. Докажем, что и

Поскольку по определению ромба все его стороны равны, то треугольник АВС равнобедренный (АВ = ВС). По свойству диагоналей параллелограмма АО = ОС. Тогда отрезок ВО является медианой треугольника АВС, а значит, и высотой и биссектрисой этого треугольника. Следовательно,

Распознавать ромбы среди параллелограммов позволяют не только определение ромба, но и следующие две теоремы, которые называют признаками ромба.

Теорема 5.2. Если диагонали параллелограмма перпендикулярны, то этот параллелограмм — ромб.

Теорема 5.3. Если диагональ параллелограмма является биссектрисой его угла, то этот параллелограмм — ромб.

Докажите эти теоремы самостоятельно.

Квадрат

Определение. Квадратом называют прямоугольник, у которого все стороны равны.

На рисунке 50 изображен квадрат ABCD.

Из приведенного определения следует, что квадрат — это ромб, у которого все углы равны. Значит, квадрат является отдельным видом и прямоугольника, и ромба. Это иллюстрирует рисунок 51. Поэтому квадрат обладает всеми свойствами прямоугольника и ромба. Отсюда следует, что:

• все углы квадрата прямые;
• диагонали квадрата равны, перпендикулярны и являются биссектрисами его углов.

Средняя линия треугольника

Определение. Средней линией треугольника называют отрезок, соединяющий середины двух его сторон.

На рисунке 56 отрезки MN, NE, ЕМ — средние линии треугольника АВС.

Теорема 7.1. Средняя линия треугольника, соединяющая середины двух его сторон, параллельна третьей стороне и равна ее половине.

Доказательство. Пусть MN — средняя линия треугольника АВС (рис. 57). Докажем, что

На прямой MN отметим точку Е так, что MN = NE (рис. 57). Соединим отрезком точки Е и С. Поскольку точка N является серединой отрезка ВС, то BN = NC. Углы 1 и 2 равны как вертикальные. Следовательно, треугольники MBN и ECN равны по первому признаку равенства треугольников. Отсюда Учитывая, что AM = ВМ, получим: ЕС = AM. Углы 3 и 4 являются накрест лежащими при прямых АВ и ЕС и секущей ВС. Тогда

Таким образом, в четырехугольнике АМЕС стороны AM и ЕС параллельны и равны. Следовательно, по теореме 3.2 четырехугольник АМЕС является параллелограммом. Отсюда то есть

Также ME = АС. Поскольку

Пример №4

Докажите, что середины сторон четырехугольника являются вершинами параллелограмма.

Решение:

В четырехугольнике ABCD точки М, N, К и Р — середины сторон АВ, ВС, CD и AD соответственно (рис. 58).
Отрезок MN — средняя линия треугольника АВС. По свойству средней линии треугольника
Отрезок РК — средняя линия треугольника ADC. По свойству средней линии треугольника

Поскольку то
Из равенств и получаем:
Следовательно, в четырехугольнике MNKP стороны MN и РК равны и параллельны, поэтому четырехугольник MNKP — параллелограмм.

Трапеция

Определение. Трапецией называют четырехугольник, у которого две стороны параллельны, а две другие не параллельны.

Каждый из четырехугольников, изображенных на рисунке 62, является трапецией.

Параллельные стороны трапеции называют основаниями, а непараллельные — боковыми сторонами (рис. 63).

В трапеции ABCD углы Аи D называют углами при основании AD, а углы В и С — углами при основании ВС.

Определение. Высотой трапеции называют перпендикуляр, опущенный из любой точки прямой, содержащей одно из оснований, на прямую, содержащую другое основание.

На рисунке 64 каждый из отрезков ВМ, EF, DK, PQ является высотой трапеции ABCD. Длины этих отрезков равны расстоянию между параллельными прямыми ВС и AD. Поэтому ВМ = EF = DK = PQ.

На рисунке 65 изображена трапеция ABCD, у которой боковые стороны АВ и CD равны. Такую трапецию называют равнобокой или равнобедренной.

Если боковая сторона трапеции является ее высотой, то такую трапецию называют прямоугольной (рис. 66).

Трапеция — это отдельный вид четырехугольника. Связь между четырехугольниками и их отдельными видами показана на рисунке 67.

Определение. Средней линией трапеции называют отрезок, соединяющий середины ее боковых сторон.

На рисунке 68 отрезок MN — средняя линия трапеции ABCD.

Теорема 8.1. Средняя линия трапеции параллельна основаниям и равна половине их суммы.

Доказательство. Пусть MN — средняя линия трапеции ABCD (рис. 69). Докажем, что

Проведем прямую BN и точку ее пересечения с прямой AD обозначим буквой Е.

Поскольку точка N — середина отрезка CD, то CN = ND. Углы 1 и 2 равны как вертикальные, а углы 3 и 4 равны как накрест лежащие при параллельных прямых ВС и АЕ и секущей CD. Следовательно, треугольники BCN и EDN равны по второму признаку равенства треугольников. Отсюда ВС = DE и BN = NE. Тогда отрезок MN — средняя линия треугольника АВЕ. Из этого следует, что то есть и Имеем:

Пример №5 (свойства равнобокой трапеции)

Докажите, что в равнобокой трапеции:

1. углы при каждом основании равны;
2. диагонали равны;
3. высота трапеции, проведенная из вершины тупого угла, делит основание трапеции на два отрезка, меньший из которых равен половине разности оснований, а больший — половине суммы оснований (средней линии трапеции).

Решение:

Рассмотрим равнобокую трапецию ABCD (АВ = CD).
1) Проведем высоты ВМ и СК (рис. 70). Поскольку АВ = CD и ВМ = СК, то прямоугольные треугольники АМВ и DKC равны по катету и гипотенузе. Тогда

Имеем: Следовательно,

2) Рассмотрим треугольники ACD и DBA (рис. 71).

Имеем: АВ = CD, AD — общая сторона, углы BAD и CDA равны как углы при основании равнобокой трапеции. Следовательно, треугольники ACD и DBA равны по двум сторонам и углу между ними. Тогда АС = BD.
3) В четырехугольнике ВМКС (рис. 70) угол ВМК прямой. Следовательно, этот четырехугольник является прямоугольником. Отсюда МК = ВС.
Из равенства треугольников АМВ и DKC следует, что Тогда

Центральные и вписанные углы

Определение. Центральным углом окружности называют угол с вершиной в центре окружности.

На рисунке 76 угол АОВ — центральный. Стороны этого угла пересекают окружность в точках А и В. Эти точки делят окружность на две дуги, выделенные на рисунке 76 разным цветом.

Точки А и В называют концами дуги, они принадлежат каждой из выделенных дуг. Каждую из этих дуг можно обозначить так: (читают: «дуга АВ»).

Однако по записи невозможно отличить дуги на рисунке 76. Если на какой-нибудь из двух дуг отметить точку (на рисунке 77 это точка М), то понятно, что обозначение относится к «синей» дуге. Если на одной из двух дуг АВ отмечена точка, то договоримся, что обозначение относится к дуге, которой эта точка не принадлежит (на рисунке 77 это «зеленая» дуга).

Дуга АВ принадлежит центральному углу АОВ (рис. 77). В этом случае говорят, что центральный угол АОВ опирается на дугу АВ.

Каждая дуга окружности, как и вся окружность, имеет градусную меру. Градусную меру всей окружности считают равной 360°. Если центральный угол MON опирается на дугу MN (рис. 78), то градусную меру дуги MN считают равной градусной мере угла MON и записывают: (читают: «градусная мера дуги MN равна градусной мере угла MON). Градусную меру дуги MEN (рис. 78) считают равной 360° —

На рисунке 79 изображена окружность, в которой проведены два перпендикулярных диаметра АВ и CD.

Тогда Каждую из дуг АСВ и ADB называют полуокружностью. На рисунке 79 полуокружностями являются также дуги CAD и CBD.

О хорде, соединяющей концы дуги, говорят, что хорда стягивает дугу. На рисунке 80 хорда АВ стягивает каждую из дуг АВ и АКВ.

Любая хорда стягивает две дуги, сумма градусных мер которых равна 360°.

Определение. Вписанным углом окружности называют угол, вершина которого принадлежит окружности, а стороны пересекают окружность.

На рисунке 81 угол АВС — вписанный. Дуга АС принадлежит этому углу, а дуга АВС — не принадлежит. В таком случае говорят, что вписанный угол АВС опирается на дугу АС. Также можно сказать, что вписанный угол АВС опирается на хорду АС.

Теорема 9.1. Градусная мера вписанного угла равна половине градусной меры дуги, на которую он опирается.

Доказательство. О На рисунке 81 угол АВС вписанный.

Докажем, что
Рассмотрим три случая расположения центра О окружности относительно вписанного угла АВС.

Случай 1. Центр О принадлежит одной из сторон угла, например стороне ВС (рис. 82).
Проведем радиус ОА. Центральный угол АОС — внешний угол равнобедренного треугольника АВО (стороны ОА и ОВ равны как радиусы). Тогда Однако Отсюда

Случай 2. Центр О принадлежит углу, однако не принадлежит ни одной из его сторон (рис. 83).
Проведем диаметр ВК. Согласно доказанному
Имеем:

Случай 3. Центр О не принадлежит углу (рис. 84).
Для третьего случая проведите доказательство самостоятельно.

Следствие 1. Вписанные углы, опирающиеся на одну и ту же дугу, равны (рис. 85).

Следствие 2. Вписанный угол, опирающийся на диаметр (полуокружность), — прямой (рис. 86).

Докажите эти свойства самостоятельно.

Пример №6 (свойство угла между касательной и хордой).

Отрезок АВ — хорда окружности с центром О (рис. 87). Через точку А проведена касательная MN. Докажите, что

Решение:

Проведем диаметр AD (рис. 87). Тогда угол В равен 90° как вписанный, опирающийся на диаметр AD. В прямоугольном треугольнике ABD Поскольку MN — касательная, то Тогда Получаем, что
Следовательно,
Имеем:

Пример №7

Постройте касательную к данной окружности, проходящую через данную точку, лежащую вне окружности.

Решение:

На рисунке 88 изображены окружность с центром О и точка М, лежащая вне этой окружности.

Пусть X — такая точка окружности, что прямая MX является касательной (рис. 88). Тогда угол МХО прямой. Следовательно, его можно рассматривать как вписанный в окружность с диаметром МО.

Проведенный анализ показывает, как провести построение.

Построим отрезок МО и разделим его пополам (рис. 89). Пусть точка К — его середина. Построим окружность радиуса КО с центром К. Обозначим точки пересечения построенной и данной окружностей буквами Е и F. Тогда каждая из прямых ME и MF является искомой касательной.

Действительно, угол МЕО равен 90° как вписанный угол, опирающийся на диаметр МО. Отрезок ОЕ — радиус данной окружности. Тогда по признаку касательной прямая ME — искомая касательная.

Описанная и вписанная окружности четырехугольника

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

На рисунке 103 изображена окружность, описанная около четырехугольника ABCD. В этом случае также говорят, что четырехугольник вписан в окружность.

Теорема 10.1. Если четырехугольник является вписанным в окружность, то сумма его противолежащих углов равна 180°.

Доказательство. Пусть четырехугольник ABCD вписан в окружность (рис. 103). Докажем, что
Поскольку углы А и С являются вписанными, то
Имеем:
Аналогично можно показать, что

Вы знаете, что около любого треугольника можно описать окружность. Однако не всякий четырехугольник обладает таким свойством. Например, нельзя описать окружность около параллелограмма, отличного от прямоугольника. Распознавать четырехугольники, около которых можно описать окружность, позволяет следующая теорема.

Теорема 10.2 (обратная теореме 10.1). Если в четырехугольнике сумма противолежащих углов равна 180°, то около него можно описать окружность.

Доказательство. Рассмотрим четырехугольник ABCD, в котором Докажем, что около него можно описать окружность.

Предположим, что около этого четырехугольника нельзя описать окружность. Опишем окружность около треугольника ABD. По предположению точка С не принадлежит этой окружности. Поэтому возможны два случая.

Случай 1. Точка С лежит вне описанной окружности треугольника ABD (рис. 104).

Пусть сторона ВС пересекает окружность в точке Четырехугольник вписан в окружность. Тогда по теореме 10.1 получаем, что Но по условию Отсюда Однако это равенство выполняться не может, так как по свойству внешнего угла треугольника

Итак, точка С не может лежать вне окружности, описанной около треугольника ABD.

Случай 2. Точка С лежит внутри описанной окружности треугольника ABD (рис. 105). Рассуждая аналогично, можно показать, что точка С не может лежать внутри рассматриваемой окружности. Убедитесь в этом самостоятельно.

Таким образом, предположив, что точка С не принадлежит окружности, описанной около треугольника ABD, мы получили противоречие.

Теорему 10.2 можно рассматривать как признак принадлежности четырех точек одной окружности.

Если четырехугольник вписан в окружность, то существует точка, равноудаленная от всех его вершин (центр описанной окружности). Чтобы найти эту точку, достаточно найти точку пересечения серединных перпендикуляров двух соседних сторон четырехугольника.

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

На рисунке 106 изображена окружность, вписанная в четырехугольник ABCD. В этом случае также говорят, что четырехугольник описан около окружности.

Теорема 10.3. Если четырехугольник является описанным около окружности, то суммы его противолежащих сторон равны.

Доказательство. Пусть четырехугольник ABCD описан около окружности (рис. 107). Докажем, что АВ + CD = ВС + AD.

Точки М, N, Р, К — точки касания окружности со сторонами четырехугольника.

Поскольку отрезки касательных, проведенных к окружности через одну точку, равны, то АК =АМ, ВМ = BN, CN = СР, DP = DK. Пусть АК = а, ВМ = b, CN = с, DP = d.

Тогда АВ + CD = a + b + c + d,
ВС + AD = b + c + a + d.

Следовательно, АВ + CD = ВС + AD.

Вы знаете, что в любой треугольник можно вписать окружность. Однако не всякий четырехугольник обладает таким свойством. Например, нельзя вписать окружность в прямоугольник, отличный от квадрата. Распознавать четырехугольники, в которые можно вписать окружность, позволяет следующая теорема.

Теорема 10.4. Если в выпуклом четырехугольнике суммы противолежащих сторон равны, то в него можно вписать окружность.

Доказательство. Рассмотрим выпуклый четырехугольник ABCD, в котором АВ + CD = ВС + AD. Докажем, что в него можно вписать окружность.

Пусть биссектрисы углов А и В пересекаются в точке О (рис. 108). Тогда точка О равноудалена от сторон АВ, ВС и AD. Следовательно, существует окружность с центром в точке О, которая касается этих трех сторон.

Предположим, что эта окружность не касается стороны CD. Тогда возможны два случая.

Случай 1. Сторона CD не имеет общих точек с построенной окружностью.
Проведем касательную параллельно стороне CD (рис. 108). Четырехугольник описан около окружности. Тогда по теореме 10.3 получаем, что

Однако по условию

Вычтем из равенства (2) равенство (1):

Отсюда имеем:

Это равенство противоречит утверждению, доказанному в ключевой задаче п. 1.

Итак, сторона CD должна иметь общие точки с рассматриваемой окружностью.

Случай 2. Сторона CD имеет две общие точки с построенной окружностью.

Рассуждая аналогично, можно показать, что сторона CD не может иметь две общие точки с построенной окружностью. Убедитесь в этом самостоятельно.

Таким образом, предположив, что построенная окружность не касается стороны CD, мы получили противоречие.

Если четырехугольник описан около окружности, то существует точка, равноудаленная от всех его сторон (центр вписанной окружности). Чтобы найти эту точку, достаточно найти точку пересечения биссектрис двух соседних углов этого четырехугольника.

Пример №8 (признак принадлежности четырех точек одной окружности).

Точки А, М, N, В таковы, что причем точки M и N лежат в одной полуплоскости относительно прямой АВ. Докажите, что точки А, М, N, В лежат на одной окружности.

Решение:

Пусть Около треугольника АМВ опишем окружность (рис. 109). Пусть С — произвольная точка окружности, не принадлежащая дуге АМВ. Тогда четырехугольник АСВМ вписан в окружность. Отсюда Имеем: Следовательно, по теореме 10.2 около четырехугольника ACBN можно описать окружность. Поскольку около треугольника АВС можно описать только одну окружность, то этой окружности принадлежат как точка М, так и точка N.

Сумма углов четырехугольника

• Сумма углов четырехугольника равна 360°.

Параллелограмм

• Параллелограммом называют четырехугольник, у которого каждые две противолежащие стороны параллельны.

Свойства параллелограмма

• Противолежащие стороны параллелограмма равны.
• Противолежащие углы параллелограмма равны.
• Диагонали параллелограмма точкой пересечения делятся пополам.

Высота параллелограмма

• Высотой параллелограмма называют перпендикуляр, опущенный из любой точки прямой, содержащей сторону параллелограмма, на прямую, содержащую противолежащую сторону.

Признаки параллелограмма

• Если в четырехугольнике каждые две противолежащие стороны равны, то этот четырехугольник — параллелограмм.
• Если в четырехугольнике две противолежащие стороны равны и параллельны, то этот четырехугольник — параллелограмм.
• Если в четырехугольнике диагонали точкой пересечения делятся пополам, то этот четырехугольник — параллелограмм.

Прямоугольник

• Прямоугольником называют параллелограмм, у которого все углы прямые.

Особое свойство прямоугольника

• Диагонали прямоугольника равны.

Признаки прямоугольника

• Если один из углов параллелограмма прямой, то этот параллелограмм — прямоугольник.
• Если диагонали параллелограмма равны, то этот параллелограмм — прямоугольник.

Ромб

• Ромбом называют параллелограмм, у которого все стороны равны.

Особое свойство ромба

• Диагонали ромба перпендикулярны и являются биссектрисами его углов.

Признаки ромба

• Если диагонали параллелограмма перпендикулярны, то этот параллелограмм — ромб.
• Если диагональ параллелограмма является биссектрисой его угла, то этот параллелограмм — ромб.

Квадрат

• Квадратом называют прямоугольник, у которого все стороны равны.

Средняя линия треугольника

• Средней линией треугольника называют отрезок, соединяющий середины двух его сторон.

Свойство средней линии треугольника

• Средняя линия треугольника, соединяющая середины двух его сторон, параллельна третьей стороне и равна ее половине.

Трапеция

• Трапецией называют четырехугольник, у которого две стороны параллельны, а две другие не параллельны.

Высота трапеции

• Высотой трапеции называют перпендикуляр, опущенный из любой точки прямой, содержащей одно из оснований, на прямую, содержащую другое основание.

Средняя линия трапеции

• Средней линией трапеции называют отрезок, соединяющий середины ее боковых сторон.

Свойство средней линии трапеции

• Средняя линия трапеции параллельна основаниям и равна половине их суммы.

Центральный угол окружности

• Центральным углом окружности называют угол с вершиной в центре окружности.

Вписанный угол окружности

• Вписанным углом окружности называют угол, вершина которого принадлежит окружности, а стороны пересекают окружность.

Градусная мера вписанного угла окружности

• Градусная мера вписанного угла равна половине градусной меры дуги, на которую он опирается.

Свойства вписанных углов

• Вписанные углы, опирающиеся на одну и ту же дугу, равны.
• Вписанный угол, опирающийся на диаметр (полуокружность), — прямой.

Окружность, описанная около четырехугольника

• Окружность называют описанной около четырехугольника, если она проходит через все его вершины.

Свойство четырехугольника, вписанного в окружность

• Если четырехугольник является вписанным в окружность, то сумма его противолежащих углов равна 180°.

Признак четырехугольника, около которого можно описать окружность

• Если в четырехугольнике сумма противолежащих углов равна 180°, то около него можно описать окружность.

Окружность, вписанная в четырехугольник

• Окружность называют вписанной в четырехугольник, если она касается всех его сторон.

Свойство окружности, описанной около четырехугольника

• Если четырехугольник является описанным около окружности, то суммы его противолежащих сторон равны.

Признак четырехугольника, в который можно вписать окружность

• Если в выпуклом четырехугольнике суммы противолежащих сторон равны, то в него можно вписать окружность.

Вписанные и описанные четырехугольники

Четырехугольник называют вписанным в окружность, если все его вершины лежат на окружности. Окружность при этом называют описанной около четырехугольника (рис. 92).

Теорема 1 (свойство углов вписанного четырехугольника). Сумма противолежащих углов вписанного четырехугольника равна 180°.

Доказательство:

Пусть в окружность с центром вписан четырехугольник (рис. 92). Тогда (по теореме о вписанном угле).

Поэтому Тогда

Следствие 1. Если около трапеции можно описать окружность, то трапеция равнобокая.

Доказательство:

Пусть трапеция вписана в окружность, (рис. 93). Тогда Но в трапеции Поэтому Следовательно, — равнобокая трапеция (по признаку равнобокой трапеции).

Как известно из курса геометрии 7 класса, около любого треугольника можно описать окружность. Для четырехугольников это не так.

Теорема 2 (признак вписанного четырехугольника). Если в четырехугольнике сумма двух противолежащих углов равна 180°, то около него можно описать окружность.

Доказательство:

Пусть в четырехугольнике Проведем через точки и окружность. Докажем (методом от противного), что вершина четырехугольника также будет лежать на этой окружности.

1) Допустим, что вершина лежит внутри круга (рис. 94). Продолжим до пересечения с окружностью в точке Тогда (по условию) и (по свойству углов вписанного четырехугольника). Тогда Но — внешний, a — не смежный с ним внутренний угол треугольника Поэтому должен быть больше, чем

Пришли к противоречию, значит, наше предположение ошибочно, и точка не может лежать внутри круга.

2) Аналогично можно доказать, что вершина не может лежать вне круга.

3) Следовательно, точка лежит на окружности, ограничивающей круг (рис. 92), а значит около четырехугольника можно описать окружность.

Следствие 1. Около любого прямоугольника можно описать окружность.

Следствие 2. Около равнобокой трапеции можно описать окружность.

Заметим, что, как и в треугольнике, центром описанной около четырехугольника окружности является точка пересечения серединных перпендикуляров к его сторонам, поскольку она равноудалена от всех его вершин. Например, в прямоугольнике такой точкой является точка пересечения диагоналей.

Четырехугольник называют описанным около окружности, если все его стороны касаются окружности. Окружность при этом называют вписанной в четырехугольник (рис. 95).

Теорема 3 (свойство сторон описанного четырехугольника). В описанном четырехугольнике суммы противолежащих сторон равны.

Доказательство:

Пусть четырехугольник — описанный, — точки касания (рис. 96). По свойству отрезков касательных, проведенных из одной точки к окружности,

Ha рисунке 96 равные отрезки обозначены одинаковым цветом.

Тогда

Следовательно,

Как известно из курса геометрии 7 класса, в любой треугольник можно вписать окружность. Для четырехугольников это не так.

Теорема 4 (признак описанного четырехугольника). Если в четырехугольнике суммы противолежащих сторон равны, то в этот четырехугольник можно вписать окружность.

Доказательство этой теоремы является достаточно громоздким, поэтому его не приводим.

Следствие. В любой ромб можно вписать окружность.

Как и в треугольнике, центром окружности, вписанной в четырехугольник, является точка пересечения биссектрис его углов. Так как диагонали ромба являются биссектрисами его углов, то центр вписанной в ромб окружности — точка пересечения диагоналей.

Теорема Фалеса

Теорема Фалеса. Если параллельные прямые, пересекающие стороны угла, отсекают на одной его стороне равные отрезки, то они отсекают равные отрезки и на другой его стороне.

Доказательство:

Пусть параллельные прямые пересекают стороны угла с вершиной (рис. 101), при этом Докажем, что

1) Проведем через точки и прямые и параллельные прямой (по условию), (как соответственные углы при параллельных прямых и (как соответственные углы при параллельных прямых и Поэтому

(по стороне и двум прилежащим к ней углам), а значит, (как соответственные стороны равных треугольников).

2) Четырехугольник — параллелограмм (по построению). Поэтому Аналогично -параллелограмм, поэтому

Таким образом, следовательно что и требовалось доказать.

Следствие. Параллельные прямые, пересекающие две данные прямые и отсекающие на одной из них равные отрезки, отсекают равные отрезки и на другой прямой.

С помощью линейки без делений по теореме Фалеса возможно разделить отрезок на любое количество равных частей.

Пример №9

Разделите отрезок на б равных частей.

Решение:

1) Пусть — данный отрезок (рис. 102). Проведем произвольный луч и отложим на нем циркулем последовательно 6 отрезков:

2) Через точки и проведем прямую.

3) Через точки — с помощью угольника и линейки проведем прямые, параллельные прямой Тогда по теореме Фалеса эти прямые разделят отрезок АВ на 6 равных частей:

Фалес Милетский — древнегреческий математик и астроном. По давней традиции его считают одним из так называемых семи мудрецов света, ведь он был одним из самых выдающихся математиков своего времени.

В молодые годы любознательный юноша отправился путешествовать по Египту с целью познакомиться с египетской культурой и Фалес не только быстро изучил то, что в то время уже было известно египетским ученым, но и сделал ряд собственных научных открытий. Он самостоятельно определил высоту египетских пирамид по длине их тени, чем очень удивил египетского фараона Амазиса, а вернувшись на родину, создал в Милети философскую школу.

По мнению историков Фалес был первым, кто познакомил греков с геометрией и стал первым греческим астрономом. Он предсказал солнечное затмение, произошедшее 28 мая 585 года до н. э.

На гробнице Фалеса высечена надпись: «Насколько мала эта гробница, настолько велика слава этого царя астрономов в области звезд».

Рекомендую подробно изучить предметы:

Геометрия Аналитическая геометрия Начертательная геометрия

Ещё лекции с примерами решения и объяснением:

• Четырехугольники и окружность
• Параллелограмм, его свойства и признаки
• Площадь параллелограмма
• Прямоугольник и его свойства
• Сумма углов треугольника
• Внешний угол треугольника
• Свойство точек биссектрисы угла
• Свойство катета прямоугольного треугольника, лежащего против угла в 30°

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Четырехугольник и его элементы сумма углов

Математику уж затем учить надо, что она ум в порядок приводит

1) Два отрезка называют соседними , если они имеют общую точку ,являющуюся концом каждого из них.

2) Фигуру , ограниченную частью плоскости , являющуюся такими , что никакие два соседних отрезка не лежат на одной прямой и никакие два не соседних отрезка не имеют общих точек , вместе с этими отрезками, называют четырёхугольником .

3) Стороны четырёхугольника , являющиеся соседними отрезками , называют соседними сторонами четырёхугольника .

4) Вершины четырёхугольника , являющиеся концами одной стороны называют соседними вершинами четырехугольника .

5) Стороны четырёхугольника, не являющиеся соседними, называют противолежащими (противоположными) сторонами четырёхугольника .

6) Несоседние вершины четырёхугольника называют противолежащими (противоположными) вершинами четырёхугольника .

7) Сумму длин сторон четырёх угольника называют периметром четырехугольника .

Отрезок , соединяющий противолежащие вершины четырехугольника, называют диагональю четырехугольника .

9) Четырёхугольник , все углы которого меньше развёрнутого угла называют выпуклым четырёхугольником .

10) Сумма углов четырёхугольника равна 360°.

11) В четырёхугольнике только один из углов может быть больше развернутого.

1) Два отрезка называют соседними , если они имеют ______________________ ,являющуюся ___________________________ каждого из них.

2) Фигуру , ограниченную частью плоскости , являющуюся такими , что никакие два ________________ отрезка не лежат __________________________ и никакие ___________________ отрезка не имеют _____________________ , вместе с этими отрезками, называют четырёхугольником .

3) Стороны четырёхугольника , являющиеся соседними отрезками , называют _____________________ сторонами четырёхугольника .

4) Вершины четырёхугольника , являющиеся ________________________________ называют соседними вершинами четырехугольника .

5) Стороны четырёхугольника, не являющиеся соседними, называют ____________________________ сторонами четырёхугольника .

6) Несоседние вершины четырёхугольника называют _______________________________ вершинами четырёхугольника .

7) Сумму _______________________ четырёх угольника называют периметром четырехугольника .

Отрезок , соединяющий противолежащие вершины четырехугольника называют____________________ четырехугольника .

9) Четырёхугольник , все углы которого меньше развёрнутого угла называют ___________________ четырёхугольником .

10) Сумма углов четырёхугольника равна _______

11) В четырёхугольнике _____________________________ может быть больше развернутого.

Содержание:

Четырёхугольник — это фигура, которая состоит из четырёх точек и четырёх последовательно соединяющих их отрезков. При этом, никакие три из указанных точек не должны быть расположены на одной прямой, а соединяющие их отрезки не должны пересекаться. Данные точки называются вершинами четырёхугольника, а соединяющие их отрезки — сторонами четырёхугольника.

Вершины, являющиеся концами одной стороны четырёхугольника, называются соседними, а вершины, не принадлежащие одной стороне — противолежащими. Стороны, имеющие общую вершину, называются соседними сторонами, а не имеющие общих вершин — противолежащими сторонами. Отрезки, соединяющие противолежащие вершины, называются диагоналями четырёхугольника. Точки, принадлежащие четырёхугольнику, делят плоскость q на два множества, которые образуют две области — внутреннюю и внешнюю.

Четырёхугольник называется выпуклым, если все точки, принадлежащие внутренней области, находятся в одной полуплоскости от линии, содержащей любую сторону четырёхугольника, если эти точки находятся в разных полуплоскостях, то четырёхугольник называется невыпуклым (вогнутым).

Если соединить любые две точки внутренней области выпуклого многоугольника, то отрезок, соединяющий эти точки, целиком находится во внутренней области четырёхугольника.

Диагонали выпуклого четырёхугольника находятся во внутренней области. У невыпуклого четырёхугольника одна из диагоналей находится во внешней области. Каждая из двух диагоналей выпуклого четырёхугольника делит его на два треугольника.

Внутренние и внешние углы четырехугольника

Угол, смежный любому углу выпуклого четырёхугольника, называется внешним углом. Из любой вершины четырёхугольника можно провести два внешних угла, которые являются вертикальными углами и соответственно равны друг другу. Поэтому, говоря о внешнем угле четырёхугольника, мы будем иметь в виду, один из них. На рисунке для внутренних углов углы являются внешними.

Каждый внутренний угол выпуклого четырёхугольника меньше Градусная мера внутреннего угла невыпуклого четырёхугольника может быть больше

Сумма внутренних углов выпуклого четырёхугольника

Теорема. Сумма внутренних углов выпуклого четырёхугольника равна

Докажите теорему, основываясь на том, что сумма внутренних углов треугольника равна Доказательство представьте в виде двухстолбчатой таблицы.

Сумма внешних углов выпуклого четырёхугольника

Теорема. Сумма внешних углов выпуклого четырёхугольника равна

Докажите теорему, опираясь на то, что внешний и внутренний угол, при каждой вершине являются смежными углами.

Параллелограмм

Параллелограмм и его свойства

Параллелограммом называется четырёхугольник, у которого противоположные стороны попарно параллельны.

Теорема 1. Противоположные стороны параллелограмма конгруэнтны.

Теорема 2. Противоположные углы параллелограмма конгруэнтны.

Теорема 3. Сумма углов, прилежащих к одной стороне параллелограмма равна

Теорема 4. Диагонали параллелограмма пересекаются и делятся точкой пересечения пополам.

Теорема 5. Диагонали параллелограмма делят его на два конгруэнтных треугольника.

Признаки параллелограмма

Теорема 1. Четырёхугольник у которого две противоположные стороны конгруэнтный параллельны есть параллелограмм.

Теорема 2. Четырёхугольник с попарно конгруэнтными сторонами есть параллелограмм.

Теорема 3. Если диагонали четырёхугольника пересекаются и в точке пересечения делятся по полам, то этот четырёхугольник есть параллелограмм.

Прямоугольник

Параллелограмм, все углы которого прямые, называется прямоугольником.

Все свойства параллелограмма относятся к прямоугольнику.

Наряду с этим прямоугольник имеет следующее свойство:

Теорема. Диагонали прямоугольника конгруэнтны.

Признак прямоугольника

Параллелограмм, у которого диагонали конгруэнтны есть прямоугольник.

Ромб и квадрат

Свойства ромба

Параллелограмм, у которого все стороны конгруэнтны, называется ромбом. Все свойства параллелограмма относятся к ромбу. Наряду с этим, ромб обладает следующими свойствами:

Теорема 1. Диагонали ромба являются биссектрисами его углов и пересекаются под прямым утлом.

Теорема 2. (Обратная георема). Параллелограмм, у которого диагонали перпендикулярны, есть ромб. Если то параллелограмм является ромбом.

Доказательство теоремы 1.

Дано: ромб.

Докажите, что

Доказательство (словестное): По определению ромба При этом, так как ромб является параллелограммом, а диагонали параллелограмма делятся точкой пересечения пополам, тогда можно записать, что равнобедренный. Медиана (так как ), является также и биссектрисой и высотой. Т.е. Так как является прямым углом, то . Аналогичным образом можно доказать, что

Если четырёхугольник является ромбом или квадратом, то справедливы следующие утверждения.

Ромб:

• 1. Все свойства параллелограмма действительны для ромба.
• 2. Все стороны конгруэнтны.
• 3. Диагонали взаимно перпендикулярны.
• 4. Диагонали ромба делят его углы пополам.

Квадрат:

• 1. Все свойства прямоугольника и ромба действительны для квадрата.
• 2. Все углы прямые.
• 3. Все стороны конгруэнтны.
• 4. Диагонали равны, взаимно перпендикулярны, делятся точкой пересечения пополам, являются биссектрисами углов квадрата.

Трапеция

Четырёхугольник, у которого только две стороны параллельны, называется трапецией.

Параллельные стороны трапеции называются основаниями, не параллельные стороны называются боковыми сторонами.

Трапеция, у которой боковые стороны равны называется равнобедренной трапецией.

Трапеция, у которой одна из боковых сторон перпендикулярна основанию называется прямоугольной трапецией.

Теорема 1. В равнобедренной трапеции углы, прилежащие к основанию конгруэнтны.

Теорема 2. Диагонали равнобедренной трапеции конгруэнтны.

План доказательства теоремы 2

Дано: равнобедренная трапеция.

Докажите:

Средняя линия треугольника

Теорема Фалеса. Если параллельные прямые, пересекающие стороны угла, отсекают на одной его стороне конгруэнтные отрезки, то они отсекают конгруэнтные отрезки и на другой его стороне. Если тогда Запишите в тетради доказательство теоремы, заполнив пропущенные строки.

Доказательство: через точку проведем параллельную прямую к прямой

Если в условии теоремы Фалеса, вместо угла взять две произвольные прямые, то результат не изменится.

Исследование: 1) В треугольнике через точку — середину стороны проведите прямую параллельную Какая фигура получилась? Является ли трапецией? Измерьте и сравните основания полученной трапеции. 2) Измерьте и сравните длины отрезков Можно ли утверждать, что

Определение: Отрезок, соединяющий середины двух сторон треугольника называется средней линией этого треугольника. Теорема. Средняя линия, соединяющая середины двух сторон треугольника, параллельна третьей стороне и равна ее половине

Доказательство. Пусть дан треугольник и его средняя линия Проведём через точку прямую параллельную стороне По теореме Фалеса, она проходит через середину стороны т.е. совпадает со средней линией Т.е. средняя линия параллельна стороне Теперь проведём среднюю линию Т.к. то четырёхугольник является параллелограммом. По свойству параллелограмма По теореме Фалеса Тогда Теорема доказана.

Средняя линия трапеции

Средней линией трапеции называется отрезок, соединяющим середины боковых сторон трапеции.

Теорема. Средняя линия трапеции параллельна основаниям и равна их полусумме.

Доказательство: Через точку и точку середину проведём прямую и обозначим точку пересечения со стороной через

Координаты середины отрезка

Исследование: Начертите числовую ось. Постройте окружность с центром в точке радиусом 3 единицы. Вычислите значение выражения Есть ли связь между значением данного выражения и координатой точки

Координаты середины отрезка

1) Пусть на числовой оси заданы точки и и точка которая является серединой отрезка

то а отсюда следует, что

2) По теореме Фалеса, если точка является серединой отрезка то на оси абсцисс точка является соответственно координатой середины отрезка концы которого находятся в точках и

3) Координаты середины отрезка с концами и точки находятся так:

Убедитесь, что данная формула верна в случае, если отрезок параллелен одной из осей координат.

Теорема Пифагора

В этом разделе вы научитесь:

• различать рациональные и иррациональные числа;
• упрощать выражения, содержащие квадратные корни;
• решать задания на извлечение квадратного корня;
• основам теоремы Пифагора;
• решать практические задачи, применяя теорему Пифагора.

При решении таких задач как вычисления силы шторма на море, скорости автомобиля при аварии, определения места приземления при прыжке с парашютом часто приходится проводить вычисления с числами, стоящими под знаком корня.

Теорема Пифагора очень часто используется при решении геометрических задач.

Имя Пифагора ассоциируется с прямоугольным треугольником и соотношением между его сторонами. Греческий учёный Пифагор, живший в VI веке до нашей эры, является основателем школы, в которой преподавались музыка, гимнастика, философия и геометрия. Ученики школы называли себя Пифагорейцами. Они провозглашали гармонию музыки и чисел в природе и не верили в существование иррациональных чисел.

Практическая работа:

Шаг 1. Вырежьте из картона два одинаковых квадрата.

Шаг 2. На стороне одного из них отметьте отрезки как показано на рисунке и разрежьте его на два квадрата и два прямоугольника.

Шаг 3. Полученные фигуры расположите, как показано на рисунке.

Шаг 4. На сторонах другого квадрата отметьте отрезки как показано на рисунке и отрежьте четыре прямоугольных треугольника.

Шаг 5. Что вы можете сказать о конгруэнтности данных треугольников? К какому виду относится оставшаяся фигура, после того, как вы отрезали треугольники и убрали их? Чему равен каждый внутренний угол данного четырёхугольника?

Шаг 6. Расположите полученные фигуры, как показано на рисунке.

Шаг 7. Сравните результаты, которые вы получили на 3 и 6 шагах. К какому выводу вы пришли?

Теорема Пифагора:

В прямоугольном треугольнике квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов.

Если рассмотреть площади квадратов, построенных на сторонах прямоугольного треугольника, то теорему Пифагора можно перефразировать так: в прямоугольном треугольнике площадь квадрата, построенного на гипотенузе, равна сумме площадей квадратов, построенных на катетах:

Если в прямоугольном треугольнике заданы две стороны, то третью сторону можно найти по теореме Пифагора.

Пример:

Найдём длину катета на рисунке:

Историческая справка: Пифагор родился в 569 году до нашей эры на острове Самос в Греции. В истории его имя увековечено теоремой, которая называется теоремой Пифагора. Она известна своей простотой и практическим значением. Об этой теореме знали ещё задолго до Пифагора. Однако, из письменных источников следует, что впервые её доказал именно Пифагор. Помимо оригинального доказательства теоремы самим Пифагором, известны также доказательстве» Эвклида, Леонардо да Винчи, Президента Америки Джеймса Гарфилда. В 1940 году широкой публике была представлена книга, где приводилось 370 доказательств теоремы. На рисунке вы видите статую, возведённую в честь Пифагора на его родине на острове Самос.

Обратная теорема:

Если квадрат одной из сторон треугольника равен сумме квадратов двух других сторон, то такой треугольник является прямоугольным треугольником. Если то, — прямоугольный.

Прямоугольные треугольники, которых выражаются натуральными числами, называются Пифагоровыми треугольниками. Самый распространённый прямоугольный треугольник имеет стороны 3; 4; 5. Древние египтяне повсеместно пользовались этим треугольником для измерений. Такой треугольник называется Египетским треугольником. Треугольники со сторонами 5,12,13; 8,15,17; 7,24,25,… также являются треугольниками Пифагора. А эти числа называются Пифагоровыми тройками. Если числа являются Пифагоровыми тройками, то и числа также являются Пифагоровыми тройками.

Справочный материал по четырёхугольнику

Обозначим четыре точки, например А, В, С, D, из которых никакие три не лежат на одной прямой. Последовательно соединим их непересекающимися отрезками АВ, ВС, CD, DA. Получим четырёхугольник ABCD.

(рис. 1).

Точки А, В, С, D — вершины четырёхугольника, отрезки АВ, ВС, CD, DA — его стороны. Углы DAB, ABC, BCD, CDA — это углы четырёхугольника. Их также обозначают одной буквой —

Вершины, стороны и углы четырёхугольника называют его элементами. ? | Почему фигуры, изображённые на рисунках 2 и 3, не являются четырёхугольниками?

У фигуры на рисунке 2 отрезки АС и BD пересекаются, а у фигуры на рисунке 3 точки A, D, С лежат на одной прямой.

Четырёхугольник обозначают, последовательно записывая его вершины, начиная с любой из них. Например, четырёхугольник на рисунке 4 можно обозначить так: ABCD, или BCDA, или CDAB и т. д. Но для данного четырёхугольника запись, например, ADBC либо CDBA — неверна.

Две вершины, два угла или две стороны четырёхугольника могут быть либо соседними, либо противоположными. Например, в четырёхугольнике ABCD (рис. 4) вершины А и D, ZA и ZD, стороны AD и АВ — соседние, а вершины А и С, , стороны AD и ВС — противоположные.

Отрезки, соединяющие противоположные вершины четырёхугольника, называются его диагоналями. На рис. 4 отрезки АС и BD — диагонали четырёхугольника ABCD.

Четырёхугольники бывают выпуклыми и невыпуклыми.

Если четырёхугольник лежит по одну сторону от каждой прямой, соединяющей две его соседние вершины, то он выпуклый. На рисунке 5 четырёхугольник выпуклый, а на рисунке б — невыпуклый, поскольку он не лежит по одну сторону от прямой, проходящей через вершины М и N.

Мы будем изучать лишь выпуклые четырёхугольники. Сумма длин всех сторон четырёхугольника называется его периметром. Периметр обозначают буквой Р.

Записать, что периметр четырёхугольника ABCD равен 40 см, можно так: =40 cm

Пример:

Докажите, что каждая сторона четырёхугольника меньше суммы трёх других его сторон.

Решение:

Диагональ АС четырёхугольника ABCD делит его на два треугольника ABC и ADC (рис. 7). В + CD (по неравенству треугольника). Тогда . Аналогично АВ< ВС+ CD + AD, BC

Может ли четырёхугольник иметь стороны: 1 см, 2 см, 3 см, 6 см? Не может, так как наибольшая сторона равна сумме трёх других.

Для того чтобы определить, можно ли из четырёх отрезков а, Ь, с, d построить четырёхугольник, проверьте, является ли наибольший из четырёх отрезков меньше, чем сумма трёх других.

Начертите произвольный четырёхугольник и измерьте транспортиром его углы. Чему равна их сумма?

Теорема (о сумме углов четырёхугольника).

Сумма углов четырёхугольника равна 360е.

Дано: четырёхугольник ABCD (рис. 8).

Доказать;

Доказательство. Диагональ АС четырёхугольника ABCD разделяет его на два треугольника ABC и ACD. Сумма углов четырёхугольника равна сумме всех углов этих треугольников, то есть

Могут ли в четырёхугольнике все углы быть острыми? Нет, поскольку тогда сумма этих углов будет меньше 360°.

Угол, смежный с углом четырёхугольника, называют внешним углом четырёхугольника.

На рисунке 9 — внешний угол четырёхугольника при вершине D.

1. У вас может возникнуть вопрос: Чем отличаются выпуклые и невыпуклые четырёхугольники?

Диагонали выпуклого четырёхугольника ABCD (рис. 10) пересекаются, и каждая из них разделяет его на два треугольника. А диагонали невыпуклого четырёхугольника MNKP (рис. 11) не пересекаются, и только одна из них разбивает его на два треугольника.

Каждый угол выпуклого четырёхугольника меньше 180°. Если четырёхугольник невыпуклый, то один из его углов больше 180°.

Понятие «внешний угол» относится только к выпуклым четырёхугольникам. Посмотрите на рисунок 11. В невыпуклом четырёхугольнике MNKP угол N больше 180°. А понятие внешнего угла на углы, которые больше 180е, не распространяется, ведь согласно определению — это угол, смежный с углом четырёхугольника.

2. В отличие от треугольника четырёхугольник — фигура нежёсткая. Если взять четыре планки и соединить их шарнирами, то форму полученного четырёхугольника можно изменять (рис. 12).

3. Термин «диагональ» происходит от греческого слова diagonios, что означает «идущий от угла к углу». Этот термин стал общепринятым лишь в XVIII веке.

Параллелограмм и его свойства

Если пару параллельных прямых пересечём другой парой параллельных прямых, то получим четырёхугольник, в котором противоположные стороны попарно параллельны. В четырёхугольнике ABCD (рис. 28) AD || ВС и АВ || DC.

Четырёхугольник, в котором противоположные стороны попарно параллельны, называется параллелограммом.

Высотой параллелограмма называется перпендикуляр, проведённый из любой точки одной стороны к параллельной ей стороне (либо её продолжению).

На рисунке 29 отрезки ВМ и BN — высоты параллелограмма ABCD.

Теорема (свойство сторон и углов параллелограмма).

В параллелограмме: 1) противоположные стороны равны; 2) противоположные углы равны.

Дано: ABCD — параллелограмм (рис. 30).

Доказать:

Доказательство. Проведём диагональ AC. по стороне и прилежащим к ней углам. При этом АС — общая сторона, — внутренние накрест лежащие углы при параллельных прямых ВС и AD и секущей AC, также, как внутренние накрест лежащие углы при параллельных прямых >45 и DC и секущей АС. Из равенства треугольников ABC и CD А следует: 1) АВ = DC, ВС = AD 2) . Углы А и С параллелограмма равны как суммы равных углов.

Может ли в параллелограмме быть только один острый угол? Не может, так как, согласно доказанной теореме, таких углов два.

Пример №1

Сумма углов, прилежащих к одной стороне параллелограмма, равна 180°. Докажите это.

Решение:

(рис. 31) по свойству внутренних односторонних углов при параллельных прямых ВС и AD и секущей АВ. Аналогично (АВ CD, ВС-секущая), (ВС || AD, CD — секущая), (АВ || CD, AD- секущая).

Теорема (свойство диагоналей параллелограмма).

Диагонали параллелограмма точкой их пересечения делятся пополам.

Дано: ABCD — параллелограмм (рис. 32), АС и BD — диагонали, О — точка пересечения диагоналей. Доказать: АО = ОС, ВО = OD.

Доказательство. по стороне А и прилежащим к ней углам. Из них ВС = AD как противоположные стороны параллелограмма, как внутренние накрест лежащие углы при параллельных прямых ВС и AD и секущей BD, (BC || AD, АС— секущая). Из равенства треугольников AOD и СОВ следует: АО = ОС, ВО = OD.

Для того чтобы доказать равенство отрезков (углов) в параллелограмме, докажите равенство треугольников, соответствующими элементами которых являются эти отрезки (углы).

Свойства параллелограмма приведены в таблице 3.

1. Возникает вопрос: Сколько данных необходимо для построения параллелограмма ?Таких данных должно быть три, среди которых — не более одного из его углов (один угол параллелограмма определяет остальные углы).

2. Название «параллелограмм» (parallelogrammon) происходит от сочетания греческих слов: «параллелос» — идущий рядом и «грамма» — линия.

Этот термин впервые упоминается в «Началах» Евклида (III в. до н. э.). Сначала вместо термина «параллелограмм» древнегреческий учёный использовал словосочетание «образованная параллельными линиями площадь» (часть плоскости, ограниченная двумя парами параллельных прямых).

Признаки параллелограмма

Решaя задачи, иногда требуется установить, что данный четырёхугольник — параллелограмм. Для этого используют признаки параллелограмма.

Теорема (признак параллелограмма).

Если противоположные стороны четырёхугольника попарнo равны, то такой четырёхугольник — параллелограмм.

Дано: ABCD — четырёхугольник (рис. 52), АВ = DC, ВС = AD.

Доказать: ABCD— параллелограмм.

Доказательство. Проведём диагональ BD (рис. 52). по трём сторонам. У них BD— общая сторона, АВ = DC и ВС = AD по условию. Из равенства треугольников следует: Углы CBD и ADB— внутренние накрест лежащие при прямых ВС и AD и секущей BD. Поэтому ВС || AD. Углы ABD и СОВ также внутренние накрест лежащие при прямых АВ и DC и секущей BD. Поэтому АВ || DC. Так как в четырёхугольнике ABCD ВС ||AD и АВ ||DC, то, по определению, этот четырёхугольник — параллелограмм.

Можно ли считать четырёхугольник параллелограммом, если в нём две противоположные стороны равны, а две другие — параллельны?

Нет, нельзя. На рисунке 53 АВ = CD, ВС || AD, но четырёхугольник ABCD — не параллелограмм.

Теорема (признак параллелограмма).

Если в четырёхугольнике две противоположные стороны равны и параллельны, то такой четырёхугольник — параллелограмм.

Дано: ABCD — четырёхугольник (рис. 54), и АВ = DC, АВ || DC.

Доказать: ABCD — параллелограмм.

Доказательство. Проведём диагональ АС (рис. 54). по двум сторонам и углу между ними. У них АС — общая сторона, АВ = DC по условию, как внутренние накрест лежащие углы при параллельных прямых АВ и DC и секущей АС. Из равенства треугольников следует: Но углы DAC и ВС А — внутренние накрест лежащие при прямых ВС и AD и секущей АС. Поэтому ВС || AD. Поскольку в четырёхугольнике ABCD AD || БС(по доказанному) и АВ || DC (по условию), то, по определению, этот четырёхугольник — параллелограмм.

Пример №2 (признак параллелограмма).

Если диагонали четырёхугольника делятся точкой их пересечения пополам, то такой четырёхугольник — параллелограмм. Докажите это.

Решение:

Пусть ABCD—данный четырёхугольник, О — точка пересечения его диагоналей и ВО= OD, АО= ОС (рис. 55). Докажем, что ABCD — параллелограмм. по двум сторонам и углу между ними. У них ВО = OD, АО = ОС по условию, как вертикальные. Из равенства треугольников следует: ВС= AD и Но углы ОВС и ODA — внутренние накрест лежащие при прямых BCuADh секущей BD. Поэтому BC\AD.

Поскольку в четырёхугольнике ABCD ВС= AD и ВС || AD, то, согласно доказанному признаку, этот четырёхугольник — параллелограмм.

Чтобы установить, что четырёхугольник — параллелограмм, докажите, что в нём:

1. либо противоположные стороны попарно параллельны (определение параллелограмма),
2. либо противоположные стороны попарно равны (признак),
3. либо две противоположные стороны равны и параллельны (признак),
4. либо диагонали делятся точкой их пересечения пополам (признак).

Вам уже знакомы понятия «необходимо», «достаточно», «необходимо и достаточно». В таблице 5 рассмотрите пары утверждений А и В и выясните смысл этих понятий.

Обратите внимание, что утверждения «Л достаточно для в» и «А необходимо для В» — взаимно обратные. Их можно объединить и сформулировать следующим образом.

Для того чтобы четырехугольник был параллелограммом, необходимо и достаточно, чтобы его противоположные стороны были попарно равны.

Иногда вместо «необходимое и достаточное условие» говорят «необходимый и достаточный признак», а чаще — просто «признак». Поэтому теоремы этого параграфа называем «признаками параллелограмма».

Прямоугольник

Параллелограммы, как и —у треугольники, можно разделить на виды. Прямоугольник — один из видов параллелограмма. На рисунке 73 вы видите параллелограмм ABCD являющийся прямоугольником. Дайте определение прямоугольнику и сравните его с приведённым в учебнике.

Параллелограмм, у которого все углы прямые, называется прямоугольником.

Поскольку прямоугольник — частный вид параллелограмма, то ему присущи все свойства параллелограмма:

1. противоположные стороны равны;
2. противоположные углы равны;
3. диагонали делятся точкой их пересечения пополам.

Кроме этих свойств прямоугольник имеет ещё и особое свойство.

Дано: ABCD — прямоугольник, АС и BD — диагонали (рис. 74).

Доказать: АС = BD.

Доказательство. Прямоугольные треугольники ACDw DBA равны по двум катетам. При этом AD — общий катет, а катеты АВ и DC равны как противоположные стороны параллелограмма. Из равенства треугольников следует: АС = BD.

Свойства прямоугольника приведены в таблице 8.

Можно ли утверждать, что параллелограмм, в котором диагонали равны, является прямоугольником? Да, но это нужно доказать.

Пример №3 (признак прямоугольника).

Если диагонали параллелограмма равны, то такой параллелограмм — прямоугольник. Докажите это.

Решение:

Пусть ABCD — параллелограмм, в котором АС = BD (рис. в табл. 8). Докажем, что . по трём сторонам. У них AD — общая сторона, АС = BD по условию, АВ = DC — как противоположные стороны параллелограмма. Из этого следует, что . Поскольку в параллелограмме противоположные углы равны, то: . По свойству углов четырёхугольника,

Следовательно, : 4 = 90°, то есть параллелограмм ABCD — прямоугольник.

Для того чтобы установить, что данный параллелограмм — прямоугольник, докажите, что у него: либо все его углы прямые (определение прямоугольника), либо диагонали равны (признак).

Можно ли утверждать, что четырёхугольник, в котором диагонали равны, — это прямоугольник? Нет, нельзя (см. рис. 75). Необходимо проверить, выполняется ли один из признаков параллелограмма. Например, делятся ли диагонали точкой их пересечения пополам.

Возникает вопрос: Можно ли сформулировать другие определения прямоугольника ?

В младших классах прямоугольником называли четырёхугольник, все углы в котором прямые. Теперь мы определили прямоугольник как частный вид параллелограмма. Возможны и такие определения прямоугольника: параллелограмм, в котором все углы равны (действительно, сумма углов параллелограмма составляет 360°, тогда каждый из них равен 90°); параллелограмм, в котором есть прямой угол (действительно, в параллелограмме сумма смежных углов составляет 180е, а противоположные углы равны. Если один из его углов прямой, то и три остальные — прямые). Эти определения прямоугольника эквивалентны.

Следовательно, существуют разные определения одного и того же понятия.

Ромб. Квадрат

Могут ли в параллелограмме все стороны быть равными? Да, могут. На рисунке 94 в параллелограмме ABCD АВ = ВС = = CD = AD. Это ещё один вид параллелограмма — ромб.

Параллелограмм, у которого все стороны равны, называется ромбом.

Можно ли утверждать, что параллелограмм является ромбом, если две его смежные стороны равны? Да, можно. Равенство всех сторон такого параллелограмма следует из свойства: противоположные стороны параллелограмма равны.

Теорема (свойства диагоналей ромба). Диагонали ромба взаимно перпендикулярны. Диагонали ромба делят его углы пополам.

Дано: ABCD — ромб (рис. 95), О— точка пересечения диагоналей АС и BD.

Доказать:

Доказательство. Согласно определению ромба АВ = ВС, поэтому треугольник ABC— равнобедренный. Так как ромб ABCD— параллелограмм, то АО — ОС. Отсюда ВО— медиана равнобедренного треугольника ABC, следовательно, высота и биссектриса этого треугольника. Поэтому .

Аналогично доказываем, что диагональ BD делит пополам угол D, а диагональ АС— углы А и С ромба ABCD.

Свойства ромба приведены в таблице 10. Таблица 1 О

Пример №4 (признак ромба)

Докажите, что параллелограмм, диагонали которого взаимно перпендикулярны, является ромбом.

Решение:

Пусть ABCD — данный параллелограмм, в котором (рис. 96). Докажем, что ABCD— ромб. по двум сторонами и углу между ними.

Так как ромб — это частный вид параллелограмма, то он имеет все свойства параллелограмма (назовите их). Кроме того, ромб обладает особыми свойствами. У них сторона АО — общая, OB = OD по свойству диагоналей параллелограмма, по условию. Из равенства треугольников следует: АВ = AD. Тогда АВ = CD и AD = ВС по свойству противоположных сторон параллелограмма. Итак, все стороны параллелограмма равны, поэтому он является ромбом.

Для того чтобы установить, что данный параллелограмм — ромб, докажите, что в нем:

• либо все стороны равны (определение ромба),
• либо диагонали взаимно перпендикулярны (признак).

Прямоугольник, в котором все стороны равны, называется квадратом.

На рисунке 97 вы видите квадрат ABCD.

Существуют и другие определения квадрата: ромб, в котором все углы прямые, называется квадратом; прямоугольник, в котором все стороны равны, называется квадратом; параллелограмм, в котором все стороны равны и все углы прямые, называется квадратом. Следовательно, квадрат имеет все свойства параллелограмма, прямоугольника и ромба. Перечислим свойства квадрата.

1. Противоположные стороны и противоположные углы квадрата равны. Диагонали квадрата в точке пересечения делятся пополам (свойства параллелограмма).
2. Диагонали квадрата равны (свойство прямоугольника).
3. Диагонали квадрата взаимно перпендикулярны и делят его углы пополам (свойства ромба).

Квадрат является частным видом и ромба, и прямоугольника, и параллелограмма. Ромб и прямоугольник — это частные виды параллелограмма. Соотношение между видами параллелограммов показано на

1. Рассмотрите таблицу классификации параллелограммов по соседним углам и смежным сторонам. Предложите собственную классификацию изученных видов параллелограмма.

Таблица 1 1

2. Кроме параллелограммов есть ещё один вид четырёхугольников — дельтоид. Эту фигуру получим, если два равнобедренных треугольника ABC и ADCc равными основаниями АС приложить друг к другу так, как показано на рисунке 99.

Свойства дельтоида следуют из свойств равнобедренного треугольника. Например, диагонали взаимно перпендикулярны, одна из них делит углы пополам и другую диагональ — пополам. Сформулируйте, пользуясь рисунком, другие свойства дельтоида. Если равнобедренные треугольники, из которых образован дельтоид, равны, то такой дельтоид является ромбом. Если равнобедренные треугольники к тому же прямоугольные, то дельтоид является квадратом.

3. Слово «ромб» происходит от греческого rhombos — юла, вращение. Слово «квадрат» происходит от латинского quadratum — четырёхугольник. Квадрат был первым четырёхугольником, который рассматривался в геометрии.

Теорема Фалеса. Средняя линия треугольника

Начертите угол ABC (рис. 117).

Произвольным раствором циркуля отложите на стороне АВ угла равные отрезки и Проведите с помощью чертёжного угольника и линейки через точки параллельные прямые, которые пересекут сторону ВС этого угла в точках При помощи циркуля сравните длины отрезков Сделайте вывод.

Теорема Фалёса. Если параллельные прямые, пересекающие стороны угла, отсекают на одной его стороне равные отрезки, то они отсекают равные отрезки и на другой его стороне.

Дано:

Доказать:

Доказательство. Проведём через точки прямые параллельные ВС. по стороне и прилежащим к ней углам. У них по условию, как соответственные углы при параллельных прямых. Из равенства этих треугольников следует, что и как противоположные стороны параллелограммов

Справедлива ли теорема Фалеса, если вместо сторон угла взять две произвольные прямые? Да, справедлива. Параллельные прямые, пересекающие две заданные прямые и отсекающие на одной прямой равные отрезки, отсекают равные отрезки и на другой прямой (рис. 119).

Пример №5

Разделите данный отрезок АВ на пять равных частей.

Решение:

Проведём из точки А луч АС, не лежащий на прямой АВ (рис. 120).

Отложим на луче АС пять равных отрезков: АА,Проведём прямую . Через точки проведём прямые, параллельные прямой . По теореме Фалеса, эти прямые делят отрезок АВ на пять равных частей.

Средней линией треугольника называется отрезок, соединяющий середины двух его сторон.

На рисунке 121 отрезок MN — средняя линия , так как точки М и N — середины сторон АВ и ВС.

Теорема (свойства средней линии треугольника). Средняя линия треугольника параллельна третьей его стороне и равна её половине.

Дано: (рис. 122), AD = BD, СЕ= BE.

Доказать:

Доказательство. 1) Пусть DE- средняя линия . Проведём через точку D прямую, параллельную АС. Согласно теореме Фалеса, она пересекает отрезок ВС в его середине £, то есть содержит среднюю линию DE. Следовательно DE || АС.

2) Проведём прямую EF|| АВ. По теореме Фалеса, прямая EFделит отрезок 1

АС пополам: . По построению, четырёхугольник ADEF- параллелограмм, поэтому DE= AF. Следовательно,

Пример №6

Докажите, что середины сторон четырёхугольника являются вершинами параллелограмма.

Решение:

Пусть ABC— данный четырёхугольник и М, N, Р, К — середины его сторон (рис. 123). Докажем, что MNPK — параллелограмм. Проведём диагональ AC. MN— средняя линия ААВС.

Поэтому . КР— средняя линия треугольника ADC. Поэтому КР || АС и

Получаем: MN || АС и КР || АС, отсюда MN || КР, отсюда MN= КР. Противоположные стороны MN и КР четырёхугольника MNPK равны и параллельны, следовательно, это параллелограмм.

Если по условию задачи даны середины некоторых отрезков, то можно использовать свойства средней линии треугольника.

Древнегреческого учёного Фалеса из Милета (625 — 548 гг. до н. э.) считают одним из семи мудрецов мира. Гений Фалеса нашёл воплощение в разных сферах деятельности. Он занимался инженерным делом, был государственным деятелем, математиком, астрономом. Особой заслугой Фалеса является то, что он ввёл в математику идею доказательства. Учёный доказал, что углы при основании равнобедренного треугольника равны, что диаметр делит окружность на две равные части, что прямой угол можно вписать в полуокружность и т. д. Историки полагают, что именно Фалес начал использовать основные геометрические инструменты — циркуль и линейку. Учёный измерял высоту египетских пирамид по длине их теней, впервые предсказал солнечное затемнение, наблюдавшееся в 585 г. до н. э.

Трапеция

Вы уже знаете, что четырёхугольник с попарно параллельными противоположными сторонами — параллелограмм.

На рисунке 143 изображён четырёхугольник ABCD, две стороны AD и ВС которого параллельны, а две другие — АВ и CD — непараллельны. Такой четырёхугольник — трапеция. Дайте определение трапеции и сравните его с приведённым в учебнике.

Трапецией называется четырёхугольник, в которомдве стороны параллельны, а две другие — непараллельны.

Параллельные стороны трапеции называются её основаниями, а непараллельные — боковыми сторонами. На рисунке 144 AD и ВС — основания трапеции, АВ и CD — боковые стороны.

Могут ли основания трапеции быть равными? Не могут, поскольку тогда получим параллелограмм.

Высотой трапеции называется перпендикуляр, проведённый из любой точки одного основания к другому основанию либо его продолжению (рис. 144).

Трапеция, в которой боковые стороны равны, называется равнобедренной. На рисунке 145 трапеция MNKP — равнобедренная, поскольку MN = КР.

Трапецию, один из углов которой прямой, называют прямоугольной. Трапеция ABCD (рис. 146) — прямоугольная, поскольку = 90*.

Средней линией трапеции называется отрезок, соединяющий середины её боковых сторон.

На рисунке 147 отрезок EF — средняя линия трапеции ABCD, так как точки Е и F — середины боковых сторон АВ и CD.

Теорема (свойства средней линии трапеции). Средняя линия трапеции параллельна основаниям и равна их полусумме.

Дано: ABCD — трапеция с основаниями AD и ВС (рис. 148), EF— средняя линия. Доказать:

Доказательство. Поскольку EF — средняя линия трапеции ABCD, то АЕ= BE, DF= CF. Через точки В и проведём прямую, пересекающую продолжение основания ADb точке Q. no стороне и прилежащим к ней углам. У них CF = FD по условию, как вертикальные, внутренние накрест лежащие углы при параллельных прямых ВС и АО и секущей CD. Из равенства треугольников следует: BF— F0, то есть средняя линия ЕF трапеции является средней линией треугольника АВО.

1) По свойству средней линии треугольника EF || АО, поэтому EF || AD. Поскольку AD || ВС, то EF\ ВС.

Пример №7 (свойство равнобедренной трапеции).

В равнобедренной трапеции углы при основании равны. Докажите это.

Решение:

Пусть в трапеции ABCD (рис. 149) АВ = CD. Докажем, что углы при основании AD равны.

Проведём СЕ || АВ. Полученный четырёхугольник АВСЕ— параллелограмм, так как его противоположные стороны попарно параллельны. По свойству параллелограмма, АВ = СЕ, а по условию — АВ = CD. Следовательно, С£= CD и равнобедренный. Поэтому соответственные углы при параллельных прямых СЕ и АВ и секущей АЁ. Отсюда

Если в условии задачи дана трапеция, то полезно такое дополнительное построение: проведите через вершину трапеции прямую, параллельную боковой стороне (рис. 149 или 150), и используйте свойства полученных параллелограмма и треугольника.

Решите предыдущую задачу, используя рисунок 150. Посмотрите на рисунок 151, где изображены изученные вами

Центральные и вписанные углы

Проведём окружность с центром О и построим угол с вершиной в центре окружности (рис. 182). Получили центральный угол в окружности.

Угол с вершиной в центре окружности называется центральным углом.

Теорема (о вписанном угле). Вписанный угол измеряется половиной дуги, на которую он опирается.

Дано: — вписанный в окружность с центром О (рис. 188 — 190).

Доказать:

Доказательство. Рассмотрим три случая расположения центра , окружности относительно сторон данного вписанного угла.

1. Центр окружности лежит на стороне вписанного угла (рис. 188). Проведём отрезок ОД тогда центральный угол АОС является внешним углом . По свойству внешнего угла треугольника, — равнобедренный (ОВ= OA = R). Поэтому измеряется дугой АС. Следовательно, вписанный угол ABC измеряется половиной дуги АС.

2. Центр окружности лежит во внутренней области вписанного угла (рис. 189). Проведём луч ВО, тогда данный угол равен сумме двух углов:

Из доказанного в первом случае следует, что измеряется половиной дуги AD, a — половиной дуги DC. Поэтому измеряется суммой полудуг AD и DC, то J есть половиной дуги АС.

3. Центр круга лежит во внешней области вписанного угла (рис. 190). Проведём луч ВО, тогда:

Следствие 1.

Вписанные углы, опирающиеся на одну и ту же дугу, равны (рис. 191). Действительно, каждый из них измеряется половиной одной и той же дуги.

Следствие 2.

Вписанный угол, опирающийся на диаметр, — прямой (рис. 192). Действительно, такой угол измеряется половиной полуокружности, то есть 180°: 2 = 90°.

Равны ли вписанные углы, опирающиеся на равные дуги (рис. 193)? Да, так как каждый из этих углов измеряется половиной равных дуг, градусные меры которых равны.

Пример №8

Хорды окружности АВ и ВС образуют угол 30°. Найдите хорду АС, если диаметр окружности равен 10 см.

Решение:

Проведём диаметр CD и соединим точки A и D (рис. 194). как вписанные, опирающиеся на дугу АС (следствие 1). Поэтому , так как опирается на диаметр окружности (следствие 2). Тогда в прямоугольном треугольнике ADC катет АС лежит против угла 30° и равен половине гипотенузы CD. Следовательно,

Для того чтобы доказать равенство двух углов, покажите, что они являются вписанными в одну окружность и опираются на одну и ту же дугу либо на равные дуги данной окружности.

Рассмотрим геометрическое место точек, которое используется при решении сложных задач на построение.

Пусть АВ — некоторый отрезок прямой а, М— произвольная точка, не лежащая на прямой a, (рис. 195). Тогда говорят: из точки М отрезок АВ виден под углом а.

Если описать окружность около (рис. 196), то из любой точки дуги АМВ (кроме точек А и В) отрезок АВ виден под углом а (следствие 1 из теоремы о вписанном угле). Поскольку точку можно взять и с другой стороны от прямой а, то существует ещё одна дуга, например ANB(рис. 197), из каждой точки которой (кроме точек А и В) отрезок АВ виден под углом а. Поэтому геометрическим местом точек, из которых отрезок АВ виден под углом а, является фигура, состоящая из двух дуг АМВ и AN В без точек А и В. Чтобы построить одну из двух дуг этого геометрического места точек для острого угла а, необходимо:

Вписанные и описанные четырёхугольники

Отметим на окружности четыре точки и соединим их хордами (рис. 222). Получили четырёхугольник, вписанный в окружность.

Четырёхугольник, все вершины которого лежат на окружности, называется вписанным в эту окружность, а окружность — описанной около этого четырехугольника.

Отметим на окружности четыре точки и проведём через них отрезки касательных, как показано на рисунке 223. Получили четырёхугольник, описанный около окружности.

Четырёхугольнику все стороны которого касаются окружности, называется описанным около этой окружности, а окружность — вписанной в этот четырёхугольник.

Свойство вписанного четырёхугольника и его признак связаны с углами этого четырёхугольника.

Теорема (свойство углов вписанного четырёхугольника). Сумма противоположных углов вписанного четырёхугольника равна 180″.

Дано: четырёхугольник ABCD, вписанный в окружность (рис. 224).

Доказать:

Доказательство. Углы А, В, Си D вписаны в окружность.

Из теоремы о вписанном угле следует:

Тогда

Сумма всех углов четырёхугольника равна 360°, а сумма углов А и С — 180°. Тогда

Около каждого ли четырёхугольника можно описать окружность? В отличие от треугольника не каждый четырёхугольник — вписанный. Приведём признак вписанного четырёхугольника без доказательства.

Теорема (признак вписанного четырёхугольника). Если в четырёхугольнике сумма двух противоположных углов равна 180е, то около такого четырёхугольника можно описать окружность.

Пример №9

Докажите, что около равнобедренной трапеции можно описать окружность.

Решение:

Пусть ABCD — равнобедренная трапеция с основаниями AD и ВС (рис. 225).

Докажем, что . В любой трапеции сумма углов, прилежащих к одной боковой стороне, равна 180° (следует из свойства параллельных прямых).

Поэтому, . По свойству равнобокой трапеции,

Тогда и, согласно признаку вписанного четырёхугольника, трапеция ABCD— вписанная. Свойство описанного четырёхугольника и его признак связаны со сторонами этого четырёхугольника.

Теорема (свойство сторон описанного четырёхугольника). Суммы противоположных сторон описанного четырёхугольника равны.

Дано: четырёхугольник ABCD, описанный около окружности (рис. 226), Е, F, K и P — точки касания.

Доказать: АВ + CD = ВС + AD.

Доказательство. По свойству касательных, проведённых к окружности из одной точки: АЕ = АР; BE = BF, СК = CF, DK = DP. Сложив почленно эти равенства, получим: АЕ + BE + СК + DK = АР + BF + CF + DP, то есть АВ + CD = ВС + AD.

В каждый ли четырёхугольник можно вписать окружность? В отличие от треугольника, не в каждый четырёхугольник можно вписать окружность. Приведём признак описанного четырёхугольника без доказательства.

Теорема (признак описанного четырёхугольника). Если в четырёхугольнике суммы противоположных сторон равны, то в этот четырёхугольник можно вписать окружность.

Чтобы доказать, что четырёхугольник MNKP (рис. 227) — вписанный, покажите, что: либо ےM + ےK = 180°, либо ےN + ےP= 180°. Чтобы доказать, что четырёхугольник ABCD (рис. 227) — описанный, покажите, что: AB + CD = AD + BC.

1. Кроме окружностей, вписанной и описанной около четырёхугольника, существуют ещё и вневписанные окружности.

Проведём в произвольном четырёхугольнике ABCD биссектрисы внешних углов при вершинах А, В, С и D [рис. 228). Точки их пересечения центры четырёх вневписанных окружностей. Каждая из них касается одной стороны четырёхугольника и продолжении двух других его сторон. Вневписанные окружности имеют следующее свойство: их центры являются вершинами четырёхугольника вписанного в окружность. Действительно,

Следовательно, четырёхугольник — вписанный в окружность.

2. Древнегреческие учёные открыли, кроме уже известных вам, другие интересные свойства вписанных и описанных четырёхугольников. Например.

Теорема Птолемея (II в.). Произведение диагоналей вписанного четырёхугольника равно сумме произведений его противоположных сторон.

Задача Архимеда (III в. до н. э.). Если диагонали вписанного четырёхугольника перпендикулярны, то сумма квадратов четырёх отрезков, на которые делятся диагонали точкой пересечения, равна квадрату диаметра описанной окружности. Позднее (IX — XIII в.) арабские учёные дополнили сведения о вписанных и описанных четырёхугольниках и способах исследования их свойств. Так, одарённый геометр Гасан ибн-Гайтем (умер в 1038 г.) предложил, способ, позволяющий установить, используя лишь циркуль, является ли данный четырёхугольник вписанным. Пусть дан четырёхугольник ABCD(рис. 229).

Продолжим сторону AD за точку D. Проведём дуги равных окружностей с центрами в точках В и D. Если KL = МО, то четырёхугольник ABCD — вписанный, так как ےABC + ےADC = 180° (докажите это). В иных случаях четырёхугольник не является вписанным.

4 | 3. При решении задач иногда рассматриваются окружности, не заданные в условии. На рисунке к задаче сначала находим четырёхугольник, около которого можно описать окружность либо в который можно вписать окружность, а потом используем свойства хорд, диаметров, вписанных углов, углов с вершиной внутри окружности и т. д.

Пример №10

Из произвольной точки М катета ВС прямоугольного треугольника ABC проведён перпендикуляр MD к гипотенузе АВ (рис. 230). Докажем, что ےMAD= ےMCD.

Решение:

Около четырёхугольника ADMC можно описать окружность, так как ےACM+ ےADM= 180°.

Тогда ےMAD= ےMCD— вписанные углы, опирающиеся на одну дугу MD.

Четырёхугольники бывают выпуклые и невыпуклые. В школьной программе рассматриваются чаще всего именно выпуклые многоугольники и потому предполагаю, что ответ надо давать именно в этом направлении.

Если быть ещё более точным, тогда вспомнить и о наличии внешних и внутренних углов. Именно внутренние углы нас интересуют (чаще всего задачи сводятся к нахождению внутренних углов). Для четырёхугольника сумма внутренних углов составляет 360 градусов.

Допустим, что Вы не помните данный факт. Тогда все мы знаем свойства квадрата. У него все углы по 90 градусов. Сложите четыре угла квадрата по 90 градусов и Вы получаете те самые 360 градусов.

Есть ещё формула нахождения суммы углов выпуклого n-угольника: 180(n-2), где n- количество углов (сторон) выпуклого n-угольника. Подставьте вместо n число 4 (количество сторон четырёхугольника) и получите: 180(4-2)=180*2=360 (градусов).

---

Можно рассуждать иначе. Представьте себе на рисунке выпуклый четырёхугольник, разделите его на два треугольника при помощи любой диагонали и вспомните о том, что сумма внутренних углов каждого треугольника равна 180 градусов. Четырёхугольник разделён на два треугольника, тогда и сумма его внутренних углов будет 180+180=360 (градусов). Как ни крутим задачку, а всё равно получаем 360 градусов.

Иллюстрация, которая показывает разницу между выпуклым и невыпуклым четырёхугольником (прилагается). В школьном курсе были рассмотрены следующие четырёхугольники: ромб, прямоугольник, квадрат, трапеция, параллелограмм. Названия разные, а сумма углов одинаковая. Темы «сумма углов треугольника и четырёхугольника» считаю одними из самых лёгких в школьном курсе по математике.