Учебная работа № 1617. Геометрические свойства равнобедренных треугольников

Учебная работа № 1617. Геометрические свойства равнобедренных треугольников

В. В. Богун

Предлагаемая статья, как следует из названия, посвящена изучению свойств равнобедренных треугольников, а также установлению взаимосвязей между данными треугольниками. Необходимость исследований назрела, в первую очередь, изза частого применения в архитектуре равнобедренных треугольников как геометрических моделей отдельных фрагментов зданий и сооружений, а вовторых, пополнения базы знаний в области элементарной геометрии.

Где же могут найти применение данные теоретические исследования? Прежде всего в педагогике как таковой, поскольку они существенно расширят кругозор школьников и студентов, изучающих элементарную геометрию, а также тригонометрию, поскольку работа находится на стыке двух разделов математики элементарной геометрии и тригонометрии, причем их важность абсолютно равнозначна.

Существенными плюсами данных исследований являются следующие факты:

Возможность выхода на теорию стереометрической взаимосвязи между геометрическими фигурами, в частности, правильных четырехугольных пирамид;

Объяснение с помощью свойств равнобедренных треугольников и построенных на их основе правильных четырехугольных пирамид геометрических взаимосвязей между пирамидами Гизы в Египте (Хеопса, Хефрена и Микерина);

Последний факт должен вызвать особый интерес читательской аудитории к исследованиям, поскольку в отличие от всей геометрии в целом, представленной в популярных учебниках в большинстве случаев лишь в виде «голой» теории, мы имеем сочетание теоретических и практических аспектов.

Для простоты изложения материала внесем ряд определений:

Основная высота высота равнобедренного треугольника, опущенная из вершины, являющейся точкой пересечения равных боковых сторон, на основание и соответственно пересекающей последнее в его середине.

Полуподобные равнобедренные треугольники равнобедренные треугольники, для которых справедливо равенство углов при основании одного половинным углам между боковыми сторонами другого.

Половинноподобные равнобедренные треугольники равнобедренные треугольники, равные углы при основании одного являются половинными углами при основании другого.

Теорема 1: Об отношении основной высоты равнобедренного треугольника к радиусу вписанной в него окружности

Отношение основной высоты равнобедренного треугольника к радиусу вписанной в него окружности равно алгебраической сумме единицы и величины, обратной по значению косинусу равных углов при основании.

Исходные данные:

Равнобедренный ∆ АВС (рис. 1); ВD = h  основная высота, опущенная из вершины В на основание АС = 2  а; АВ = ВС = b  боковые стороны треугольника; DО = КО = LО = r радиус вписанной в ∆ АВС окружности,  ВАС =  ВСА =  .

Доказать:

(1)

Доказательство:

Формулы для вычисления площади ∆АВС:

S ∆АВС.

S ∆АВС.

Рис. 1. Равнобедренный ∆ АВС с вписанной в него окружностью.

Получим:

(1)

Следствия из теоремы 1:

1.1.Отношение половины основания равнобедренного треугольника к радиусу вписанной в него окружности равно котангенсу половинного угла при основании:

Так как ,

а

то

. (2)

Однако из курса геометрии известно, что центр вписанной в любой треугольник окружности лежит на пересечении биссектрис его углов.

1.2. Отношение боковой стороны равнобедренного треугольника к радиусу вписанной в него окружности равно отношению котангенса половинного угла при основании к косинусу полного угла при основании:

(3)

1.3. В равнобедренном треугольнике отношение разницы между основной высотой и радиусом вписанной окружности к величине последнего равно отношению боковой стороны к половине основания или величине, обратной значению косинуса угла при основании:

. (4)

Теорема 2: Об отношении основной высоты равнобедренного треугольника к радиусу описанной вокруг него окружности

Отношение основной высоты равнобедренного треугольника к радиусу описанной вокруг него окружности равно удвоенному произведению квадрата синуса угла при основании или разнице единицы и косинуса двойного угла при основании:

Рис. 2. Равнобедренный ∆ АВС с описанной вокруг него окружностью.

Исходные данные:

Равнобедренный ∆АВС (рис. 2); ВD = h основная высота, опущенная из вершины В на основание АС = 2  а; АВ = ВС = b боковые стороны треугольника; АQ = BQ = CQ = R радиус описанной вокруг ∆АВС окружности,  ВАС =  ВСА =  .

Доказать:

(5)

Доказательство:

Формулы для вычисления площади ∆АВС:

S ∆АВС =

S ∆АВС =

Получим:

(5)

Следствия из теоремы 2:

2.1. Отношение половины стороны основания равнобедренного треугольника к радиусу описанной вокруг него окружности равно синусу двойного угла при основании:

Так как

,

то

(6)

Поскольку

,

то

2.2. Отношение боковой стороны к радиусу описанной окружности равно двум синусам углам при основании:

(7)

2.3 В равнобедренном треугольнике отношение разницы между радиусом описанной окружности и основной высотой к величине первого равно косинусу двойного угла при основании:

(8)

Следствие из теорем 1 и 2:

В равнобедренном треугольнике отношение радиуса вписанной к радиусу описанной окружности равно произведению тангенса половинного угла при основании и синуса двойного угла при основании:

(9)

В табл. 1 представлены взаимосвязи между линейными элементами равнобедренного треугольника (основная высота, половина основания, боковая сторона, радиусы вписанных и описанных окружностей), выражаемые через тригонометрические выражения равных углов при основании.

Таблица 1

Соотношения в равнобедренном треугольнике

Y
a b h R R
XX aa 1
bb 1
hh 1
RR 1
rr 1

В предлагаемых ниже двух теоремах рассмотрены взаимосвязи между вписанными и описанными окружностями двух равнобедренных треугольников, имеющих один общий элемент. В первой теореме данным субъектом является основная высота, во второй сторона основания. Что же касается совпадения боковых сторон равнобедренных треугольников, то здесь получим равенство треугольников по двум сторонам и углу между ними.

Теорема 3: О равных углах равнобедренных треугольников

Если два равнобедренных треугольника построены на одной основной высоте и равные углы при основании одного равны углу между боковыми сторонами второго, то их центры вписанной и описанной окружностей соответственно совпадут.

Исходные данные:

Равнобедренные ∆АВС и ∆ЕBF c общей основной высотой ВD = h. DO 1 = r и ВО 2 = R радиусы вписанной и описанной окружностей равнобедренных ∆АВС и ∆ЕBF соответственно.

 ВАС =  ВСА =  EBF =  ,

 BEF =  BFE =  (рис. 3)

Рис. 3. Геометрическая интерпретация теоремы 3

Доказать:

h = R + r (10)

Доказательство:

Для равнобедренного ∆АВС:

Для равнобедренного ∆ЕBF:

По условию теоремы

 ВАС =  ВСА =  EBF =

=  ,  BEF =  BFE =  .

А так как

 BEF =  BFE =

,

получим:

Если

(10),

то

Действительно,

,

что и требовалось доказать.

Следствия из теоремы 3:

3.1. Если два равнобедренных треугольника построены на одной основной высоте и угол между боковыми сторонами одного равен углам при основании второго, то отношение соответствующих оснований равно разнице величины, обратной по значению косинусам равных углов при основании второго, и единице:

Так как

и

,

то

(11)

3.2. Если два равнобедренных треугольника построены на одной основной высоте и равные углы при основании одного равны углу между боковыми сторонами второго, то отношение соответствующих боковых сторон равно половине величины, обратной по значению синусам равных углов при основании второго:

Поскольку

и ,

то

.

.

(12)

Теорема 4: О половинных углах равнобедренных треугольников

Если два равнобедренных треугольника имеют общее основание и вершина, являющаяся пересечением боковых сторон первого, совпадает с центром вписанной во второй треугольник окружности, то центр описанной вокруг первого треугольника окружности лежит на пересечении перпендикуляров к боковым сторонам второго.

Исходные данные:

Равнобедренные ∆ АВС и ∆ АОС с общим основанием АС = 2  а, DO = r = H  радиус вписанной окружности и высота равнобедренных ∆ АВС и ∆ AOC соответственно.  ВАС =  ВСА =  ,  OAC =  OCA = (рис. 4).

Доказать:

(13)

Рис. 4. Геометрическая интерпретация теоремы 4

Доказательство:

Исходя из рис. 4, получим следующую цепочку соотношений:

Тогда

(13)

При этом согласно определению равнобедренные ∆ АВС и ∆ АСS являются полуподобными, поскольку

и наоборот, а равнобедренные ∆АВС и ∆АОС являются половинноподобными, поскольку удовлетворяют определению:

 ВАС =  ВСА =  ,  OAC =  OCA =

Учебная работа № 1617. Геометрические свойства равнобедренных треугольников

Яндекс.Метрика