Geometrian perusteet. Luvun 3 harjoitustehtävien ratkaisuhahmotelmia

Samankaltaiset tiedostot
3 Euklidisen tasogeometrian lauseita

Luentojen yhteydessä esitettyjen harjoitustehtävien ratkaisuhahmotelmia

Harjoitustehtävät, syyskuu Helpommat

Geometriaa kuvauksin. Siirto eli translaatio

Lukion matematiikkakilpailun alkukilpailu 2015

33. pohjoismainen matematiikkakilpailu 2019 Ratkaisut

Juuri 3 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

Juuri 3 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

Lukion matematiikkakilpailun avoimen sarjan ensimmäinen kierros 2014

Ratkaisut vuosien tehtäviin

a) Arkistokatu ja Maaherrankatu ovat yhdensuuntaiset. Väite siis pitää paikkansa.

4.3 Kehäkulma. Keskuskulma

Matematiikan olympiavalmennus

Matematiikan olympiavalmennus 2015 helmikuun helpommat

Harjoitustehtävät, joulukuu 2013, (ehkä vähän) vaativammat

Tekijä Pitkä matematiikka On osoitettava, että jana DE sivun AB kanssa yhdensuuntainen ja sen pituus on 4 5

Trigonometriaa: kolmioita ja kaavoja

Hilbertin aksioomat ja tarvittavat määritelmät Tiivistelmä Geometria-luentomonisteesta Heikki Pitkänen

MAA15 Vektorilaskennan jatkokurssi, tehtävämoniste

Geometrian perusteet. Luvun 1 harjoitustehtävien ratkaisuhahmotelmia

Vastaukset 1. A = (-4,3) B = (6,1) C = (4,8) D = (-7,-1) E = (-1,0) F = (3,-3) G = (7,-9) 3. tämä on ihan helppoa

Geometrian perusteet. Luvun 2 harjoitustehtävien ratkaisuhahmotelmia

Avaruusgeometrian kysymyksiä

Pituus on positiivinen, joten kateetin pituus on 12.

Kansainväliset matematiikkaolympialaiset 2008

Pyramidi 4 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 180 Päivitetty Pyramidi 4 Luku Ensimmäinen julkaistu versio

2 Kuvioita ja kappaleita

Projektiivisen geometrian alkeita

Geometrian perusteet. Luvun 4 harjoitustehtävien ratkaisuhahmotelmia

3 Ympyrä ja kolmion merkilliset pisteet

Matematiikan olympiavalmennus

302 Nelikulmion kulmien summa on ( 4 2) 301 a) Ainakin yksi kulma yli 180. , joten nelikulmio on olemassa. a) = 280 < 360

9 Projektiivisen geometrian alkeita

Laudatur 4 MAA4 ratkaisut kertausharjoituksiin

PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

5 Arkhimedeen aksiooma ja mittaluvut


RATKAISUT a + b 2c = a + b 2 ab = ( a ) 2 2 ab + ( b ) 2 = ( a b ) 2 > 0, koska a b oletuksen perusteella. Väite on todistettu.

Matematiikan olympiavalmennus 2015 syyskuun tehtävät

Tekijä Pitkä matematiikka a) p = 2πr r = 4,5 = 2π 4,5 = 28, piiri on 28 cm. A = πr 2 r = 4,5

Matematiikan olympiavalmennus

Pythagoraan polku

2 MONIKULMIOIDEN GEOMETRIAA

Tee konseptiin pisteytysruudukko! Muista kirjata nimesi ja ryhmäsi. Lue ohjeet huolellisesti!

Mohrin-Mascheronin lause kolmiulotteisessa harppi-viivaingeometriassa

Tekijä Pitkä matematiikka

29. Pohjoismainen matematiikkakilpailu

Pyramidi 3 Geometria tehtävien ratkaisut sivu a)

IMO 2004 tehtävät ja ratkaisut

Geometrian perusteita

1. a. Ratkaise yhtälö 8 x 5 4 x + 2 x+2 = 0 b. Määrää joku toisen asteen epäyhtälö, jonka ratkaisu on 2 x 1.

5 Kertaus: Geometria. 5.1 Kurssin keskeiset asiat. 1. a) Merkitään suorakulmion sivuja 3x ja 4x. Piirretään mallikuva.

0, niin vektorit eivät ole kohtisuorassa toisiaan vastaan.

Tekijä Pitkä matematiikka Poistetaan yhtälöparista muuttuja s ja ratkaistaan muuttuja r.

Thaleen lause. Puoliympyrän sisältämä kehäkulma on suora. (Thales Miletolainen, n. 634 n. 547 eaa)

Juuri Kertaus Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

C. Montako prosenttia pinta-ala kasvaa, jos mittakaava suurenee 5%? a) 5 % b) 7 % c) 9 % d) 10 % e) 15 %

Kertausosa. 5. Merkitään sädettä kirjaimella r. Kaaren pituus on tällöin r a) sin = 0, , c) tan = 0,

Pro gradu -tutkielma Ympyrälliset nelikulmiot sekä niiden duaalisuus. Juha Tolonen

Vanhoja koetehtäviä. Analyyttinen geometria 2016

6 Geometria koordinaatistossa

A-osio. Ilman laskinta. MAOL-taulukkokirja saa olla käytössä. Maksimissaan tunti aikaa. Laske kaikki tehtävät:

2 Yhdenmuotoisuus ja pinta-ala

203 Asetetaan neliöt tasoon niin, että niiden keskipisteet yhtyvät ja eräiden sivujen välille muodostuu 45 kulma.

4. Reaaliluvuille a 1 a 2 a n pätee. a k 1 + a k a k n 0 (1)

(iv) Ratkaisu 1. Sovelletaan Eukleideen algoritmia osoittajaan ja nimittäjään. (i) 7 = , 7 6 = = =

C. Montako prosenttia pinta-ala kasvaa, jos mittakaava suurenee 5%? a) 5 % b) 7 % c) 9 % d) 10 % e) 15 %

MAA3 TEHTÄVIEN RATKAISUJA

5 TASOGEOMETRIA. ALOITA PERUSTEISTA 190A. Muunnetaan 23,5 m eri yksiköihin. 23,5 m = 235 dm = 2350 cm = mm ja 23,5 m = 0,0235 km

Juuri 4 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Kertaus. b) B = (3, 0, 5) K2. 8 ( 1)

Baltian Tie Ratkaisuja

Ratkaisut vuosien tehtäviin

Ympyrä 1/6 Sisältö ESITIEDOT: käyrä, kulma, piste, suora

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Tehtävien ratkaisut

Tekijä Pitkä matematiikka

1. a) b) Nollakohdat: 20 = c) a b a b = + ( a b)( a + b) Derivaatan kuvaajan numero. 1 f x x x g x x x x. 3. a)

x+3 = n(y 3) y +n = 3(x n). Kun ylemmästä yhtälöstä ratkaistaan x = n(y 3) 3 ja sijoitetaan alempaan, saadaan

c) Vektorit ovat samat, jos ne ovat samansuuntaiset ja yhtä pitkät. Vektorin a kanssa sama vektori on vektori d.

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

( ) ( ) 1.1 Kulmia ja suoria. 1 Peruskäsitteitä. 1. a) epätosi b) tosi c) tosi d) epätosi e) tosi. 2. a) Kulmat ovat vieruskulmia, joten

Pikkuisen inversiokuvauksesta

Geometrian perusteita. Matti Lehtinen

Monikulmiot 1/5 Sisältö ESITIEDOT: kolmio

Kurssin numjeroitujen harjoitustehtävien ratkaisuhahmotelmia

Kolmion kulmien summa. Maria Sukura

Geometriaa GeoGebralla Lisätehtäviä nopeasti eteneville

3 Vektorin kertominen reaaliluvulla

Tekijä Pitkä matematiikka b) Kuvasta nähdään, että b = i 4 j. c) Käytetään a- ja b-kohtien tuloksia ja muokataan lauseketta.

Baltian Tie 2005 ratkaisuja

HARJOITUSTEHTÄVIÄ. Millä vektorin c arvoilla voidaan vektoreita a + b, a + c ja b +2 c siirtelemällä muodostaa kolmio?

Yhtälön oikealla puolella on säteen neliö, joten r. = 5 eli r = ± 5. Koska säde on positiivinen, niin r = 5.

Euroopan tyttöjen matematiikkaolympialaiset Minskissä

Transkriptio:

Geometrian perusteet Luvun 3 harjoitustehtävien ratkaisuhahmotelmia Harjoitus 3... Osoita, että josx on kolmion ABC sivun BC piste, BX = m, XC = n ja AX = p, niin a(p + mn) =b m + c n. Ratkaisu.. ratkaisu. Olkoon AXB = φ. Sovelletaan kosinilausetta kolmioihin ABX ja AXC. Saadaan yhtälöt c = p + m pm cos φ b = p + n +pn cos φ. Kun edellinen yhtälö kerrotaan n:llä jajälkimmäinen m:llä jayhtälöt sitten lasketaan yhteen puolittain, saadaan b m + c n = p(m + n)+m n + mn =(m + n)(p + mn) = a(p + mn), koska m + n = a.. ratkaisu. Piirretään kolmion ABC ympäri ympyrä Γ. Leikatkoon AX Γ:n pisteessä D. Merkitään BDY = d, DC = e, XD = x. Ptolemaioksen lauseen mukaan BC AD = AB DC + AC BD eli a(p + x) =ce + bd. Kolmiot ABX ja DCX ovat yhdenmuotoisia (kk), samoin BDX ja AXC. Siis e n = c p ja d m = b p. Lisäksi pisteen potenssia koskevan lauseen perusteella px = mn. Kun nämä sijoitetaan yllä esitettyyn Ptolemaioksen lauseen seuraukseen, saadaan väite. Harjoitus 3... Osoita, että jos pisteet A, B, C ja D eivät ole samalla ympyrällä, niin AB CD + BC DA > AC BD.

Ratkaisu. Piirretään kolmio DAE CAB. Silloin Yhdenmuotoisuudesta seuraa DE CB = AD AC. () AC AD = AB AE. Koska myös EAB = DAC, niin ABE ACD (sks). Siis BE CD = AB AC. () Verrannoista () ja () saadaan AB CD + BC DA =(BE + ED) AC AC BD. Kolmioiden yhdenmuotoisuuden nojalla AED = ABC ja AEB = ADC. Koska ABCD ei ole jännenelikulmio, ABC ja ADC eivät ole vieruskulmia. Siis AED ja AEB eivät ole vieruskulmia. Pisteet B, E ja D eivät ole samalla suoralla, joten BE + ED > AC, javäite on todistettu. Harjoitus 3..3. Johda Ptolemaioksen lauseesta sinin ja kosinin yhteen- ja vähennyslaskukaavat. Ratkaisu. Olkoon AC = jaγympyrä, jonka halkaisija on AC. Tarkastellaan Γ:n sisään piirrettyä nelikulmiota ABCD, jossa DAC = α ja CAD = β. Koska kolmiot ACD ja ABC ovat suorakulmaisia ja AC =, niin AB =cosβ, BC =sinβ, CD =sinα ja AD = cos α. Sinilauseen perusteella lisäksi DB =sin(α + β). Ptolemaioksen lauseen mukaan AC DB = CD AB + BC AD eli sin(α + β) =sinα cos β +sinβcos α. Oletetaan, että β<α. Tarkastetaan nyt nelikulmiota ACED, missä EAC = β. NytDE =sin(α β), EC =sinβ, EA =cosβ. Ptolemaioksen lauseen nojalla AC DE = AE DC AD EC eli sin(α β) =sinα cos β cos α sin β. Olkoot sitten α ja β sellaisia, että α + β on suoraa kulmaa pienempi. Jos F valitaan Γ:lta samalta puolen AC:täkuinD niin, että FAD = β, niin AF =cos(α + β). Valitaan vielä G Γ:lta samalta puolen AC:tä kuind niin, että ACG = β. Silloin AG =sinβ ja cos(α + β) =AF = GD. Ptolemaioksen lauseesta saadaan cos(α+β)+sinα sin β = AC GD+AG CD = AD CG =cosαcos β. Tapaus α+β suurempi kuin suora kulma sivuutetaan. Olkoon sitten α > β. ValitaanH Γ:lta eri puolelta AC:tä kuind niin, että ACH = β. Olkoon vielä I Γ:lla, samalla puolella AC:tä kuind, niin että DAC = β. Silloin IAC = α β ja AI =cos(α β). Kolmiot ADH ja DAI ovat yhteneviä (ksk). Siis HD = AI. Nelikulmiosta AHCD saadaan nyt Ptolemaioksen lauseen nojalla cos(α β) =HD AC = AD HC + CI AH =cosαcos β +sinαsin β. Harjoitus 3..4. Osoita, että josjännenelikulmion ABCD sivut ovat a, b, c ja d, p = (a + b + c + d), ja nelikulmion ala on S, niin S =(p a)(p b)(p c)(p d).

Ratkaisu. Huomataan, että a + b + c + d =(s a) jne. Olkoon sivujen a ja b välinen kulma γ ja sivujen c ja d välinen kulma δ. Kulmat γ ja δ ovat vieruskulmia, joten niillä on sama sini ja itseisarvoltaan sama, mutta vastakkaismerkkinen kosini. Jännenelikulmion ala on S = ab sin γ + cd sin δ = (ab + cd)sinγ. Olkoon e jännenelikulmion kulmia γ ja δ vastassa oleva lävistäjä. Kosinilauseen perusteella e = a + b ab cos γ ja e = c + d cd cos δ = c + d +cd cos γ. Kun edellisistä yhtälöistä eliminoidaan e, saadaan (ab+cd)cosγ = a +b c d. Lasketaan hiukan samoin kuin Heronin kaavan todistuksessa: 6S =(4S) =(ab sin γ +cd sin δ) =4(ab+cd) sin γ =4(ab+cd) 4(ab+cd) cos γ =4(ab + cd) (a + b c d ) =((ab + cd)+(a + b c d ))((ab + cd) (a + b c d )) =((a + b) (c d) )((c + d) (a b) ) =(a+b+c d)(a+b c+d)(c+d+a b)(c+d a+b) =(s d) (s c) (s b) (s a). Väite seuraa. Harjoitus 3... Kolmion ABC sisäympyrä sivuaa kolmion sivua BC pisteessä D ja kulman CAB aukeamassa oleva sivuympyrä sivuaabc:tä pisteessä E. Osoita, että BD = CE = p b. Ratkaisu. Jos ABC:n sisään piirretty ympyrä sivuaaab:tä pisteessä C ja AC:tä pisteessä B,jajosBD = x, niin BC = x, AC = AB = c x, B C = CD = b c + x. Koska CD = a x, x = a b + c, jotenx = p b. Sivutkoon kulman CAB aukeamassa oleva sivuympyrä AC:tä pisteessä A ja AB:tä pisteessä A. Olkoon y = CE. Silloin AA = b + y ja AA = c + a y. KoskaAA = AA,y = a + c b eli y = x. Harjoitus 3... Olkoot kolmion ABC kärjistä A, B ja C piirretyt korkeusjanat h A, h B ja h C. Osoita, että r = + + = + +. r A r B r C h A h B h C Ratkaisu. Lauseen 3.3. mukaan pr =(p a)r A =(p b)r B =(p c)r C. Siis + + = r A r B r C pr (3p a b c) = r. 3 Kolmion ABC alan lausekkeista pr = h Aa = h Bb = h Cc saadaan samoin + + = a + b + c h A h B h C pr = r. Harjoitus 3..3. Nelikulmion sivut ovat a, b, c ja d. voidaan piirtää ympyrä jos ja vain jos a + c = b + d. Osoita, että nelikulmion sisään

4 Ratkaisu. Jos nelikulmion ABCD, missä AB = a, BC = b, CD = c ja DA = d, sisään on piirretty ympyrä, joka sivuaa AB:tä pisteessä X, BC:tä pisteessä Y, CD:tä pisteessä Z ja DA:ta pisteessä T, niin a + b = AX + XB+ CZ + ZD = AT + BY + YC+ DT = b + d. Olkoon sitten a + c = b + d. Piirretään ympyrä Γ,joka sivuaa DA:ta, AB:tä ja BC:tä. (Ympyrän keskipiste on kulmien DAB ja ABC leikkauspiste.) Jos se ei sivua DC:tä, niin se joko leikkaa DC:ntaieikosketa suoraa DC. Oletetaan, että tapauksista edellinen olisi tosi. Piirretään Γ:lle AB:n suuntainen tangentti. Se leikkaa AD:n pisteessä F ja BC:n pisteessä E. Oletuksen ja jo todistetun mukaan ovat voimassa yhtälöt AB + CD = AD + BC ja AB + FE = AF + BE = AD + DF + BC + CE = AB + CD + DF + CE. Yhtälöistä seuraafe = FD+ DC + CE. Tämä on ristiriidassa sen kanssa, että murtoviivan FDCE pituus on suurempi kuin janan FE. Tapaus, jossa Γ ei leikkaa CD:tä käsitellään analogisesti. Harjoitus 3..4. Osoita, että kolmion yhdeksän pisteen ympyrän keskipiste on kolmion Eulerin suoralla. Ratkaisu. Olkoon O kolmion ABC ympärysympyrän keskipiste. Lauseen 3.3.5 merkinnöin OD HX ja OF HZ. Yhdeksän pisteen ympyrän keskipiste N on janan DX keskinormaalilla. Samoin se on janan FZ keskinormaalilla. Kumpikin näistä keskinormaaleista leikkaa OH:n tämän keskipisteessä. Siis N on janan OH keskipiste. Harjoitus 3..5. Todista Simsonin lauseen käänteislause: jos pisteen P projektiot D, E ja F suorilla BC, CA ja AB ovat samalla suoralla, niin P on kolmion ABC ympäri piirretyllä ympyrällä. Ratkaisu. Voidaan olettaa, että E on janalla FD. Ympyrä, jonka halkaisija on PB, kulkee F :n ja D:n kautta (Thaleen lause). Oletetaan, että pisteet tällä ympyrällä ovat järjestyksessä BDPF. Silloin ABD ja DPA ovat vieruskulmia. Ympyrä, jonka halkaisija on PA,kulkeeF :n ja E:n kautta. EAP = EFP. Ympyrä, jonka halkaisija on PD,kulkeeE:n ja D:n kautta. Koska F, E ja D ovat samalla suoralla, FEP on kolmio; erityisesti FED ja ACP ovat yhdenmuotoisia (kk). Siis AP C = FPD. Siis AP C ja ABC ovat vieruskulmia. Siis P on ympyrällä ABC. Harjoitus 3.3.. Piirrä harpilla ja viivoittimella säännöllinen viisikulmio, jonka yksi sivu on annettu jana AB. Ratkaisu. Ratkaisu on periaatteessa selostettu luennoissa. Piste X, joka jakaa janan AB = a kultaisen leikkauksen suhteessa löytyy seuraavasti: piirretään pisteeseen BAB:tä vastaan kohtisuora ja erotetaan siltä janabo = a. Piirretään O-keskinen ympyrä ΓB:n kautta. Leikatkoon AO Γ:n pisteissä X ja Y niin, että X on lähempänä A:ta kuin Y. Nyt X Y = a ja kun lasketaan A:n potenssi Γ:n suhteen, saadaan AB = AX AY = AX (AX + X Y ). Jos AX = x, yhtälö onsamakuina = x(x + a) elia(a x) =x.

Kun erotetaan AB:ltä AX :n pituinen jana AX, ollaan saatu X, josta konstruktio sitten lähtee käyntiin. Harjoitus 3.3.. Selvitä, miten konstruoidaan säännöllinen kahdeksankulmio. Ratkaisu. Piirretään kaksi kohtisuoraa suoraa, jotka leikkaavat pisteessä O. Piirretään O- keskinen ympyrä Γ, joka leikkaa toisen suorista pisteissä A ja E ja toisen suorista pisteissä C ja G. Piirretään suorat, jotka puolittavat kulman AOC ja kulman COE. Kulman AOC puolittaja leikkaa Γ:n pisteessä B, COE:n puolittaja pisteessä D, EOG:n puolittaja pisteessä F ja GOA:n puolittaja pisteessä H. Kolmiot AOD, DOC,..., HOA ovat kaikki yhteneviä (sks). Siis AB = BC =... = AH ja kaikki kulmat ABC, BCD,... HAC ovat yhteneviä yhtenevien tasakylkisten kolmioiden kantakulmien summina. Harjoitus 3.3.3. Selvitä, miten konstruoidaan säännöllinen kuusikulmio. Ratkaisu. Halutaan, että kuusikulmion sivu = a. Piirretään jana OA = a. Piirretään O-keskinen ympyrä ΓA:n kautta. Piirretään A-keskinen ympyrä O:n kautta. Se leikkaa Γ:n pisteissä B ja F. Kolmiot OAB ja OAC ovat tasasivuisia. Piirretään B- jaf - keskiset ympyrät O:n kautta. Ne leikaavat Γ:n A:n lisäksi pisteissä C ja E. Kolmiot OBC ja OEF ovat tasasivuisia. Piirretään C- jae-keskiset ympyrät O:n kautta. Ne leikkaavat Γ:n B:n ja F :n lisäksi pisteissä D ja D. Kolmiot OCD ja ODE ovat tasasivuisia. Koska tasasivuisen kolmion kaikki kulmat ovat yhteneviä, COB = OAB ja DOC = ABO. Siten BOD = COB + DOC = OAB + ABO. Mutta viimeksi mainittu kulma on kulman AOB vieruskulma. Tästä seuraa, että D on suoralla AO. Aivan samoin nähdään, että D on suoralla AO. Siis D = D. Kuusikulmiossa ABCDEF kaikki sivut ovat yhteneviä yhtenevien tasasivuisten kolmioiden sivuina ja kaikki kulmat ovat yhteneviä tasasivuisen kolmion kahden kulman summina. ABCDEF on siis säännöllinen kuusikulmio. 5