Interaktívna geometria - planimetria
Portál: | Virtuálna Univerzita Mateja Bela |
Kurz: | Planimetria a stereometria |
Kniha: | Interaktívna geometria - planimetria |
Vytlačil(a): | Hosťovský používateľ |
Dátum: | štvrtok, 9 mája 2024, 20:36 |
Úvod
Geometria je jedným z najstarších odvetví matematiky, ktoré sa zaoberá hlavne polohovými a metrickými vzťahmi medzi rôznymi útvarmi a ich transformáciami. Štúdium geometrie sa opiera o axiomatický systém zavedený Euklidom už pred viac ako dve tisíc rokmi. Euklidov „Základy“ ešte aj dnes považujeme za fundamentálnu učebnicu geometrie. Začiatkom 21. storočia vo veľkom rozsahu začínajú prenikať do všetkých oblastí vzdelávania nové technické informačné a komunikačné prostriedky (IKT), ktoré umožňujú tento proces výrazne zefektívňovať.
Naša práca „Interaktívna geometria“ reaguje na nové trendy prenikania IKT do matematického vzdelávania. Východiskovým cieľom bolo vytvorenie dynamického a interaktívneho elektronického študijného materiálu v systéme LMS Moodle, ktoré čitateľovi prívetivou ale zároveň jasnou formou približuje základy planimetrie. Pri kreovaní aktivity „Elektronická kniha“ v systéme Moodle sme vo významnej miere využili kompatibilnosť systému Moodle a programu GeoGebra. Obidva tieto softvérové produkty sú voľne šíriteľné a ich používanie zaznamenáva v poslednom období výrazný nárast.
Pri tvorbe našej e-knihy sme mali na zreteli predovšetkým zásadu primeranosti a názornosti, ktorú sme snažili dosiahnuť vnorením dynamických appletov do textu. Všetky textové ako aj interaktívne časti sú umiestnené vo voľne dostupnom elektronickom kurze v systéme Moodle. Nami navrhnutý grafický a dynamický obsah stránok kurzu bol motivovaný známym psychologickým tvrdením, že na primerané zmeny v obrazových scénach mozog reaguje veľmi rýchlo a efektívne. Zároveň sme striktne dodržiavali tri zásady
- Ak chceme dosiahnuť vyššiu efektívnosť vo využívaní mozgovej kapacity, je vhodné pri odovzdávaní informácií vo väčšej miere využívať dynamickú obrazovú formu.
- Na druhej strane je nutné mať na zreteli, že neprimerané zvyšovanie frekvencie zmien spomaľuje odozvu u diváka.
- Zmena farby musí zvýrazňovať zmenu relácie, nie plochy.
"Vzdelávanie je zložitý proces, ktorého kvalita a efektívnosť závisí nielen od obsahu vzdelávania ale aj od foriem a metód použitých v tomto procese." Pozrite v [Zil 2013]. Zefektívniť vzdelávanie je náročná úloha, pretože množstvo informácií neustále narastá a časový interval na ich spracovanie je konštantný, dokonca v niektorých prípadoch (napr. pri matematickej príprave na základných stredných školách) aj zmenšujúci sa. Viaceré výskumy preukázali, že vhodná integrácia IKT do vzdelávacieho procesu v matematike, najmä využitie ich výhod oproti klasickým učebným materiálom, môže zvýšiť jeho efektívnosť.
Historické poznámky
Slovo geometria pochádza z gréckeho výrazu hé gé meteón, čo znamená vymeriavanie pozemkov pomocou lán. Pozri prácu [SED]. Matematika ako veda vznikla v Grécku približne v období 6. - 5. st. pred n. l.
Základy geometrie nachádzame už v Babylone, Egypte, Indii a Číne. Veľký rozmach zaznamenala grécka matematika. K zásadnému pokroku v rozvoji
geometrie prispeli významní grécki matematici Thales, Pytagoras a Euklides.
Euklidove Základy môžeme považovať za základy planimetrie, stereometrie a geometrickej algebry. Uvedieme ukážku riešenia úlohy o výpočte obsahu rovnoramenného trojuholníka z obdobia mezopotámskej ríše. Pripomíname, že matematika tohto obdobia používala šesťdesiatkovú číselnú sústavu.
Úloha. (Babylon)
Je daný trojuholník so stranami: (1,40) dĺžka každej z dvoch strán, (2,20) šírka. Aká je plocha?
Je daný trojuholník so stranami: (1,40) dĺžka každej z dvoch strán, (2,20) šírka. Aká je plocha?
Obsah trojuholníka v Babylone podľa starobabylonskej tabuľky
YBC 8633, na ktorej je klinovým písmom vyrytý postup riešenia úlohy na výpočet obsahu rovnoramenného trojuholníka.
Poznámky
Na výpočet obsahov trojuholníkov používali mezopotámski matematici nasledovné vzorce:
Na výpočet obsahov trojuholníkov používali mezopotámski matematici nasledovné vzorce:
K rozvoju geometrie prispeli aj egytskí účenci, ktorí boli nútení po každoročných záplavách Nílu nanovo rozmeriavať pozemkové parcely. Zároveň museli ovládať aj postupy pri rozdeľovaní úrody. Z toho vznikla potreba vedieť vypočítať obsahy rôznych geometrických útvarov ako aj postupy riešenia jednoduchých rovníc. Pozrite si ukážky:
Egypt - obdobie elementárnych matematických pojmov.
Rhindov a Moskovský papyrus.
Výpočet obsahov obdĺžnikov, kruhov, trojuholníkov a objemy kvádrov, zrezaných kužeľov a pyramíd. Riešenie rovníc - pozrite si riešenie úlohy R40 z Rhindovho papyrusu.
Egypt - obdobie elementárnych matematických pojmov.
Rhindov a Moskovský papyrus.
Výpočet obsahov obdĺžnikov, kruhov, trojuholníkov a objemy kvádrov, zrezaných kužeľov a pyramíd. Riešenie rovníc - pozrite si riešenie úlohy R40 z Rhindovho papyrusu.
Úloha
Je treba rozdeliť 100 chlebov medzi 5 mužov tak, aby bola jedna sedmina z troch horných pre dvoch mužov dole.
Je treba rozdeliť 100 chlebov medzi 5 mužov tak, aby bola jedna sedmina z troch horných pre dvoch mužov dole.
Poznámky k pôvodnému riešeniu, ktorý je uvedený na papyruse. Pozrite tiež prácu [BEC, 2003]
Podmienku, že jedna sedmina z troch horných pre dvoch mužov dole, môžeme vyjadriť vzťahom:
Z predchádzajúceho vzťahu vypočítame
Ide teda o postupnosť
,
ktorej súčet je . Číslo musíme vynásobiť číslom
,
aby sme získali požadovaný súčet . Týmto číslom musíme preto vynásobiť aj členy vyššie uvedenej postupnosti. Hľadaná aritmetická postupnosť je teda:
,
ktorej diferencia je . Tento výsledok však na papyruse nie je uvedený.
- Celkový počet chlebov je 100 a je potrebné tieto chleby nejakým spôsobom rozdeliť medzi 5 mužov. V úlohe sa spomínajú traja horní muži a dvaja dolní. Toto naznačuje určité usporiadanie, ale nie je celkom isté, že ide o aritmetickú postupnosť. To vyplýva až z prezentovaného riešenia.
- Ďalej je tu podmienka, ktorú je možné interpretovať tak, že súčet počtu chlebov troch horných mužov v usporiadaní sa rovná súčtu chlebov dvoch mužov dole v usporiadaní.
Podmienku, že jedna sedmina z troch horných pre dvoch mužov dole, môžeme vyjadriť vzťahom:
Z predchádzajúceho vzťahu vypočítame
Ide teda o postupnosť
,
ktorej súčet je . Číslo musíme vynásobiť číslom
,
aby sme získali požadovaný súčet . Týmto číslom musíme preto vynásobiť aj členy vyššie uvedenej postupnosti. Hľadaná aritmetická postupnosť je teda:
,
ktorej diferencia je . Tento výsledok však na papyruse nie je uvedený.
V súčasnosti by sa tento príklad mohol počítať takto:
Chybný predpoklad by sme nahradili neznámou a dostali by sme dve rovnice o dvoch neznámych:
.
po ekvivalentných úpravách by sme dospeli k tomu istému výsledku.
Chybný predpoklad by sme nahradili neznámou a dostali by sme dve rovnice o dvoch neznámych:
.
po ekvivalentných úpravách by sme dospeli k tomu istému výsledku.
Matematika ako veda vznikla v Grécku približne v období 6. - 5. st. pred n. l. Gréci ako prví prestali riešiť iba otázku ako, ale hľadali aj
odpovede na otázku prečo. Významní predstavitelia gréckej matematiky: Tháles, Pytagoras, Euklides
Elementy (zdroj:http://en.wikipedia.org); Kniha II, Návrh 5 - pozrite Tu.
Otvorte si applet Tu. (Aktivujte si navigačný panel.)
V starom Grécku
- Bol vytvorený systém základných vzťahov (axióm) a požiadaviek (postulátov) - Euklidove Základy. Takýto kompletne spracovaný systém bol publikovaný v Euklidových Základoch. Pozrite si práce [EUC] a [SER]. Toto dielo sa považuje za základy planimetrie, stereometrie a geometrickej algebry. Existuje český preklad od Servíta Tu, Heathov preklad je v online verzi od D.E.Joyce Tu. V roku 2022 vyšiel v nakladateľstve Perfekt slovenský preklad s komentármi od profesora J. Čižmára.
- Grécki matematici začali matematické tvrdenia dokazovať , pričom používali deduktívnu metódu. Pokúšali sa vyriešiť aj tri preslávené problémy
- trisekcia uhla (rozdelenie uhla na tri rovnaké uhly)
- zdvojenie kocky (nájdenie kocky, ktorej objem sa rovná dvojnásobku kocky pôvodnej)
- kvadratúru kruhu (nájdenie štvorca, ktorý má rovnaký obsah ako daný kruh),
Euklidove Základy
“Pane, niet kráľovskej cesty ku geometrii.”
Euklidova odpoveď na žiadosť Ptolemaia I. vysvetliť mu svoje Základy rýchlo a ľahko.
Euklidova odpoveď na žiadosť Ptolemaia I. vysvetliť mu svoje Základy rýchlo a ľahko.
Základnými kameňmi pri axiomatickom budovaní geometrie sú
- Základné pojmy (Definície) Euklides popisuje intuitívne pomocou zaužívaných pojmov ako „dĺžka, šírka, ..." . Napr.:
- Bod je to, čo nemá dĺžku.
- Čiara je dĺžka bez šírky.
- Hranicami čiary sú body.
- Priamka (Euklides vo svojich Základoch pod pojmom priamka chápe úsečku ) je čiara, ktorá je v každom svojom bode rovná.
- Trojuholník ... (vyhľadajte definíciu v Euklidových Základoch).
- V skutočnosti sa predpokladá, že čitateľ vie, čo si má pod týmito pojmami predstaviť. Celkove Euklides uvádza 23 definícií.
- Axiómy - postuláty, ktorých pravdivosť sa nespochybňuje.
- Odvodené pojmy (Zásady, Common notion) sa definujú pomocou základných pojmov a prijatých axióm.
- Tvrdenia (Proposition) sú dokazované pomocou základných pojmov, axióm a odvodených pojmov.
Euklides vo svojich Základoch uvádza len päť axióm:
Post 1: Nakresliť priamku z ľubovoľného bodu do ľubovoľného bodu.
Post 2: A priamku možno neohraničene na obe strany predĺžiť.
Post 3: A z akéhokoľvek bodu a akýmkoľvek polomerom možno narysovať kružnicu.
Post 4: A každé dva pravé uhly sú navzájom "zhodné".
Post 5: A keď priamka pretínajúca dve priamky tvorí s nimi na jednej strane vnútorné uhly menšie než dva pravé, pretnú sa tieto priamky neohraničene predĺžené na tej strane, kde súčet uhlov je menší než dva pravé.
Post 1: Nakresliť priamku z ľubovoľného bodu do ľubovoľného bodu.
Post 2: A priamku možno neohraničene na obe strany predĺžiť.
Post 3: A z akéhokoľvek bodu a akýmkoľvek polomerom možno narysovať kružnicu.
Post 4: A každé dva pravé uhly sú navzájom "zhodné".
Post 5: A keď priamka pretínajúca dve priamky tvorí s nimi na jednej strane vnútorné uhly menšie než dva pravé, pretnú sa tieto priamky neohraničene predĺžené na tej strane, kde súčet uhlov je menší než dva pravé.
Prvé tri postuláty majú konštrukčný charakter, pričom popisujú skúsenosť z rysovania pomocou pravítka a kružidla. Tieto postuláty umožňujú v (euklidovskej) rovine:
- narysovať priamku prechádzajúcu dvoma danými bodmi;
- ľubovoľne predĺžiť úsečku;
- narysovať kružnicu s daným stredom a polomerom.
- narysovať priamku prechádzajúcu dvoma danými bodmi;
- ľubovoľne predĺžiť úsečku;
- narysovať kružnicu s daným stredom a polomerom.
Piaty postulát so svojou nejasnou nezávislosťou od zvyšných postulátov má špecifické postavenie. Matematici sa asi 2000 rokov snažili piaty postulát dokázať z predchádzajúcich alebo ho aspoň nahradiť niečím jednoduchším, zjavnejším. Neúspešne
Za postulátmi nasledujú odvodené pojmy alebo zásady:
Za zásadami nasledujú tvrdenia. Prevažná väčšina tvrdení v Euklidových Základoch je dokazovaná prevažne formou konštrukcie resp. návodov ako postupovať pri dokazovaní týchto tvrdení. V ďalšej časti uvedieme niektoré tvrdenia z prvej knihy Základov.
- Ak sa dve rovnajú tretiemu, rovnajú sa aj navzájom.(Servít)
Veci, ktoré sa rovnajú tej istej veci, sa tiež navzájom rovnajú. (Preklad z angl. verzie.) - A ak sa rovným pridá rovné, sú aj celky rovné.
- A ak sa od rovných odnímu rovné, sú aj celky rovné.
- A útvary, ktoré sa (pohybom?) stotožňujú, sú navzájom rovné.
- A celok je väčší ako časť.
Za zásadami nasledujú tvrdenia. Prevažná väčšina tvrdení v Euklidových Základoch je dokazovaná prevažne formou konštrukcie resp. návodov ako postupovať pri dokazovaní týchto tvrdení. V ďalšej časti uvedieme niektoré tvrdenia z prvej knihy Základov.
Euklidove Základy - tvrdenia
- Kniha 1, Tvrdenie I: Vytvoriť rovnostranný trojuholník na danej konečnej priamke.
-
Kniha 1, Tvrdenie II: Z daného bodu narysovať úsečku zhodnú s danou úsečkou .
Dôkaz tvrdenia T/II vo forme dynamickej konštrukcie si otvoríte Tu. - Kniha 1, Tvrdenie IV: Veta .
- Kniha 1, Tvrdenie V: Uhly v rovnoramennom trojuholníku sú pri základni zhodné.
Pri dokazovaní prvých dvoch tvrdení Euklides využíva postulát o konštruovateľnosti kružnice. Tiež používa definíciu
kruhu (Základy, Definícia 15), v ktorej predpokladá existenciu kruhu určeného stredom a polomerom. Definícia kruhu v Základoch má znenie:
Kruh je útvar rovinný ohraničený jednou čiarou (nazýva sa obvod resp. kružnica) tak, že všetky priamky (úsečky), ktoré vychádzajú z jedného bodu vo vnútri útvaru, sa navzájom rovnajú.
Definícia kruhu v Základoch intuitívne používa pojmy "medzi" a "zhodnosť", ktoré nie sú zavedené. Neskôr (takmer dve tisíc rokov) tieto pojmy zavádza Hilbert vo svojom axiomatickom systéme, kde sa kružnica po zavedení axióm zhodnosti už môže korektne zadefinovať.
Na záver tohto úvodného pohľadu na Euklidove Základy uvedieme "doslovný" preklad dôkazu Tvrdenia IV - (Základná veta o zhodnosti trojuholníkov )
Kniha 1, Tvrdenie IV. Ak sa dva trojuholníky zhodujú v dvoch stranách a v uhle nimi určenom, tak sú zhodné.
Dôkaz .
Dynamickú konštrukciu otvoríte Tu.
- Nech sú dva trojuholníky, ktoré majú dve strany rovné dvom stranám . Konkrétne rovná a rovná a uhol je rovný uhlu .
- Hovorím (Euklides), že základňa sa rovná aj základni , trojuholník sa rovná trojuholníku a zostávajúce uhly sa rovnajú zostávajúcim uhlom, respektíve opačne rovnakým stranám. To znamená, že uhol sa rovná uhlu a uhol sa rovná uhlu . Nepriamy dôkaz
- Nech trojuholník je uložený na trojuholníku a ak je bod umiestnený na bode a priamka na .
- Priamka sa tiež rovná , pretože uhol sa rovná uhlu .
- Ale a tiež zhoduje s , a preto základňa sa zhoduje so základňou a rovná sa jej.
- Takže celý trojuholník sa zhoduje s celým trojuholníkom .
- Zvyšné uhly sa zhodujú so zostávajúcimi uhlami a rovnajú sa, uhol sa rovná uhlu a uhol sa rovná uhlu .
- Preto ak dva trojuholníky majú dve strany rovnobežné s dvoma stranami a majú uhly obsiahnuté rovnými čiarami rovnaké, potom majú aj základňu rovnú základni, trojuholník sa rovná trojuholníku a zvyšné uhly sú rovné zvyšným uhlom respektíve tým, ktoré sú oproti rovnakým stranám.
Dynamickú konštrukciu otvoríte Tu.
Komentár k dôkazu tvrdenia T/IV je prevzatý a upravený z Euklidových Základov podľa Servíta.
Poznámka
Pri dokazovaní tohto tvrdenia sa predpokladá, že pri prenášaní úsečky (T/II, T/III) resp. uhla sa ich veľkosť nezmení. Toto v Hilbertovej sústave zabezpečujú axiómy zhodnosti.
Pri dokazovaní tohto tvrdenia sa predpokladá, že pri prenášaní úsečky (T/II, T/III) resp. uhla sa ich veľkosť nezmení. Toto v Hilbertovej sústave zabezpečujú axiómy zhodnosti.
Riešenie
Nami predložená konštrukcia nie je riešenie známeho problému "trisekcia uhla". Pri riešení využívame postulát Post 2, ktorý zaručuje existenciu bodov .
Konštrukcia umožňuje s dostatočnou presnosťou nájsť polohu bodu tak, aby sa veľkosť úsečky približovala (postupným posúvaním bodu po priamke ) k veľkosti polomeru a tým aj uhol k veľkosti uhla .
Ak si vopred stanovíme presnosť veľkosti na desatinných miest, tak túto úlohu môžeme úspešne riešiť využitím skriptovania v programe GeoGebra.
Otvorte si dynamickú konštrukciu Tu a prehrajte si konštrukciu pomocou navigačného panela.
Nami predložená konštrukcia nie je riešenie známeho problému "trisekcia uhla". Pri riešení využívame postulát Post 2, ktorý zaručuje existenciu bodov .
Konštrukcia umožňuje s dostatočnou presnosťou nájsť polohu bodu tak, aby sa veľkosť úsečky približovala (postupným posúvaním bodu po priamke ) k veľkosti polomeru a tým aj uhol k veľkosti uhla .
Ak si vopred stanovíme presnosť veľkosti na desatinných miest, tak túto úlohu môžeme úspešne riešiť využitím skriptovania v programe GeoGebra.
Otvorte si dynamickú konštrukciu Tu a prehrajte si konštrukciu pomocou navigačného panela.
Rovnoramenný trojuholník
Euklidove definície (Servít: "Výmery")
Definícia 20
Z trojstranných útvarov je trojuholník:
Okrem toho z trojstranných útvarov je trojuholník:
Z trojstranných útvarov je trojuholník:
- rovnostranný, ktorý má tri strany rovnaké;
- rovnoramenný, ktorý má len dve strany rovnaké;
- rôznostranný, ktorý má tri strany nerovnaké.
Okrem toho z trojstranných útvarov je trojuholník:
- pravouhlý, ktorý má pravý uhol;
- tupouhlý, ktorý má tupý uhol;
- ostrouhlý majúci tri uhly ostré.
Jedným z fundamentálnych Euklidových tvrdení, ktoré sa využíva v dôkazoch mnohých ďalších tvrdení je veta o zhodnosti uhlov pri základni rovnoramenného trojuholníka. Dôkaz tohto tvrdenia je typicky konštrukčný a zásadne sa líši od bežne používaného dôkazu v stredoškolskej matematike. V dôkaze sa vytvoria dva nové a zároveň zhodné trojuholníky podľa vety (sus). V konštrukcii sa používa len pravítko a kružidlo.
Kniha 1, Tvrdenie V
V rovnoramenných trojuholníkoch sa uhly pri základni navzájom rovnajú; a ak sa predĺžia rovnaké priamky (ramená), uhly pod základňou navzájom rovnajú.
V rovnoramenných trojuholníkoch sa uhly pri základni navzájom rovnajú; a ak sa predĺžia rovnaké priamky (ramená), uhly pod základňou navzájom rovnajú.
Dôkaz
Otvorte si dynamickú konštrukciu Tu.
Otvorte si dynamickú konštrukciu Tu.
Veľmi poučný je aj dôkaz Tvrdenia XIII, ktorý je publikovaný v prvej knihe Základov. Toto tvrdenie zohráva významnú úlohu pri geometrii uhlov.
Kniha 1, Tvrdenie XIII
Ak priamka stojí na priamke, vytvára buď dva pravé uhly alebo uhly, ktorých súčet sa rovná dvom pravým uhlom.
Ak priamka stojí na priamke, vytvára buď dva pravé uhly alebo uhly, ktorých súčet sa rovná dvom pravým uhlom.
Dôkaz
Upravený podľa českého prekladu Euklidových Základov.
Nech akákoľvek priamka stojaca na priamke vytvára uhly . Hovorím, že buď uhly sú dva pravé uhly alebo ich súčet sa rovná dvom pravým uhlom.
Otvorte si applet Tu.
Upravený podľa českého prekladu Euklidových Základov.
Nech akákoľvek priamka stojaca na priamke vytvára uhly . Hovorím, že buď uhly sú dva pravé uhly alebo ich súčet sa rovná dvom pravým uhlom.
Otvorte si applet Tu.
- Ak sa teraz uhol rovná uhlu , potom sú to dva pravé uhly. Def.10
- Ale ak nie, nakreslite z bodu v pravom uhle k . Preto uhly sú dva pravé uhly. T/XI
- Pretože uhol sa rovná súčtu dvoch uhlov , pridajte uhol ku každému, takže súčet uhlov sa rovná súčtu troch uhlov . Z.2, Z.4
- Pretože uhol sa rovná súčtu dvoch uhlov , ku každému z nich pridajte uhol , preto sa súčet uhlov rovná súčtu troch uhlov . Z.2, Z.5
- Ale súčet uhlov sa tiež ukázal byť rovný súčtu rovnakých troch uhlov a veci, ktoré sa rovnajú rovnakému, sa rovnajú rovnako sebe, preto súčet uhlov sa rovná súčtu uhlov . Uhly sú však dva pravé uhly, takže súčet uhlov sa tiež rovná dvom pravým uhlom. Z.1, Z.6
- Preto ak priama čiara stojí na priamke, vytvára buď dva pravé uhly alebo uhly, ktorých súčet sa rovná dvom pravým uhlom.
Uhly
Dynamický applet si otvoríte Tu.
Definície
Sú dané dve rovnobežné priamky , ktoré pretína priamka v bodoch . Uhly nazývame súhlasné (obr. vľavo) resp. striedavé (obr. vpravo).
Sú dané dve rovnobežné priamky , ktoré pretína priamka v bodoch . Uhly nazývame súhlasné (obr. vľavo) resp. striedavé (obr. vpravo).
Kniha 1, Tvrdenie XV
Ak sa dve priamky pretínajú, tvoria uhly vrcholové, ktoré sa navzájom rovnajú.
Ak sa dve priamky pretínajú, tvoria uhly vrcholové, ktoré sa navzájom rovnajú.
Nech sa priamky a pretínajú v bode . Hovorím, že uhol sa rovná uhlu a
uhol sa rovná uhlu .
- Tvrdenie XIII: Pretože priamka stojí na priamke tvoria uhly a , súčet uhlov a sa teda rovná dvom pravým uhlom. >
- Pretože priamka stojí opäť na priamke , takže uhly a sa preto súčet uhlov a rovná dvom pravým uhlom.
- Postulát 4: Súčet uhlov a sa však tiež ukázal ako rovný dvom pravým uhlom, preto sa súčet uhlov a rovná súčtu uhlov a .
- Odvodené pojmy - Zásady Z1, Z3: Od každého odčítajte uhol . Potom zostávajúci uhol sa rovná zostávajúcemu uhlu .
- Podobne je možné dokázať, že uhly a sú rovnaké.
- Preto, ak sa dve priamky pretínajú, tvoria uhly vrcholové, ktoré sa navzájom rovnajú.
Applet otvoríte Tu.
Interpretujte a dokážte ďalšie Euklidove tvrdenia o uhloch.
Vety o trojuholníku
Medzi asi najznámejšie vlastnosti trojuholníka patria tvrdenia o veľkostiach jeho strán a vnútorných uhloch:
- súčet veľkostí ľubovoľných dvoch strán je väčšia ako veľkosť tretej strany - trojuholníková nerovnosť
- súčet vnútorných uhlov trojuholníka sa rovná priamemu uhlu - súčet uhlov sa rovná 180°.
Kniha 1 Tvrdenie XVI
V každom trojuholníku, ktorého jedna strana sa predĺži, vonkajší uhol je väčší ako ktorýkoľvek protiľahlý vnútorný uhol.
V každom trojuholníku, ktorého jedna strana sa predĺži, vonkajší uhol je väčší ako ktorýkoľvek protiľahlý vnútorný uhol.
Dynamický dôkaz si otvoríte Tu.
Kniha 1 Tvrdenie XVIII
V každom trojuholníku oproti väčšej strane leží väčší uhol.
V každom trojuholníku oproti väčšej strane leží väčší uhol.
Dôkaz
Nech je trojuholník a nech strana je dlhšia ako . Hovorím, že tiež uhol je väčší ako uhol .
Nech je trojuholník a nech strana je dlhšia ako . Hovorím, že tiež uhol je väčší ako uhol .
- Nech , odrežme a veďme ... T/III, Post.1
- A keďže vonkajším uhlom trojuholníka je , je väčší protiľahlému vnútornému uhlu ... T/XVI
- Avšak , ako aj strana . rovnoramenný
- Teda tiež ... T/V
- Mnohom väčší teda je ako .
Otvorte si applet Tu.
Kniha 1 Tvrdenie XIX
V každom trojuholníku oproti väčšiemu uhlu leží väčšia strana .
V každom trojuholníku oproti väčšiemu uhlu leží väčšia strana .
Dôkaz
- otvorte si applet
Tu
Nech je trojuholník a nech hovorím, že tiež strana dlhšia je ako strana .
Nech je trojuholník a nech hovorím, že tiež strana dlhšia je ako strana .
- Pretože ak nie, tak buď alebo je menšie ako .
- Určite nie je (rovné) s , lebo rovným by bol tiež s avšak nie je. (Pozri Tvrdenie V.: Uhly pri základni rovnoramenného trojuholníka sú rovné.)
- Teda nerovná sa .
- Určite ani je menšie ako lebo aj by bol menší ako , avšak nie je .
- Teda nie je je menšie ako . Ukázalo sa, že však nie rovný. (Spor)
Kniha 1 Tvrdenie XX
V každom trojuholníku ktorékoľvek dve strany (súčtom) dvoch sú dlhšie ako strana ostávajúca.
V každom trojuholníku ktorékoľvek dve strany (súčtom) dvoch sú dlhšie ako strana ostávajúca.
Dôkaz
Otvorte si applet Tu.
Otvorte si applet Tu.
Kniha 1 Tvrdenie XXIX (Striedavé uhly)
Priamka pretínajúca dve rovnobežné priamky vytvára striedavé uhly , navzájom rovnaké, vonkajší uhol sa rovná vnútornému opačnému (súhlasnému) uhlu a súčet vnútorných uhlov , na tej istej strane sa rovná dvom pravým uhlom.
Priamka pretínajúca dve rovnobežné priamky vytvára striedavé uhly , navzájom rovnaké, vonkajší uhol sa rovná vnútornému opačnému (súhlasnému) uhlu a súčet vnútorných uhlov , na tej istej strane sa rovná dvom pravým uhlom.
Kniha 1 Tvrdenie XXXII (Súčet uhlov trojuholníka) V každom trojuholníku, ak sa jedna zo strán predĺži, tak sa vonkajší uhol sa rovná súčtu dvoch vnútorných protiľahlých uhlov a súčet troch vnútorných uhlov trojuholníka sa rovná dvom pravým uhlom.
Dynamický dôkaz si otvoríte Tu.
Euklidovské konštrukcie
Ako sme už uviedli, pri dokazovaní mnohých tvrdení týkajúcich sa vlastností geometrických útvarov, Euklides využíva hlavne konštrukčnú metódu. Pri podrobnejšom skúmaní týchto konštrukčných dôkazov zistíme, že navrhnuté konštrukcie sa dajú vo väčšine prípadov realizovať len použitím pravítka a kružidla. V odbornej literatúre sa takéto konštrukcie nazývajú euklidovské.
Definícia.
Grafická konštrukcia v euklidovskej rovine (alebo v euklidovskom priestore) realizovaná len
Grafická konštrukcia v euklidovskej rovine (alebo v euklidovskom priestore) realizovaná len
- ideálnym pravítkom a ideálnym kružidlom
- a konečným počtom krokov sa nazýva Euklidovská konštrukcia.
Každý krok elementárnej konštrukcie predstavuje zostrojenie
- priamky prechádzajúcej dvoma danými rôznymi bodmi alebo
- kružnice so stredom v danom bode a s daným polomerom alebo
- priesečníka dvoch rôznobežných priamok (resp. prieniku priamky a kružnice alebo prieniku dvoch kružníc).
Elementárne euklidovské konštrukcie
- Zostrojenie rovnostranného trojuholníka. Kniha 1, Tvrdenie I.
- Zostrojenie osi daného uhla. Kniha 1, Tvrdenie IX.
- Zostrojenie stredu danej úsečky. Kniha 1, Tvrdenie X.
- Zostrojenie osi úsečky.
- Zostrojenie kolmice v danom bode na danú priamku. Kniha 1, Tvrdenie XI. Mezi elementárne euklidovské konštrukcie zaraďujeme aj konštrukcie používané v školskej matematike už na 1. stupni ZŠ
- "Prenesenie" danej úsečky na danú polpriamku. Kniha 1, Tvrdenie II a III.
- "Prenesenie" daného uhla na danú polpriamku v danej polrovine.
Otvorte si konštrukciu Tu
Poznámky.
- Podmienka konečného počtu krokov v definícii euklidovskej konštrukcii je opodstatnená. Napríklad konštrukcia uvedená v príklade v kapitole 2 nemôže byť euklidovská, lebo pri konečnom počte aproximácií nezískame trisekciu uhla. Na druhej strane vieme stanoviť počet krokov, ktoré budú veľkosť trisekcie uhla určovať s vopred danou presnosťou .
- Prvé tri uvedené elementárne konštrukcie nie je problém zrealizovať, ak máme k dispozícii pravítko a kružidlo. Pozrite si napríklad konštrukciu osi uhla a osi úsečky (úloha č. 4).
- V geometrii, v ktorej neplatí piaty Euklidov postulát (neeuklidovské geometrie) to také jednoduché nebude. V prvom rade musíme nájsť odpoveď na otázku: "Čo budeme rozumieť pod pravítkom resp. kružidlom v takejto geometrii?"
- V časti Neeuklidovská geometria popíšeme niektoré elementárne euklidovské konštrukcie v neeuklidovskej geometrii, ktoré budú tvoriť samostatnú triedu Euklidovských konštrukcií.
Podľa prof. Šedivého euklidovská konštrukcia sa považuje za zrealizovanú ak sú splnené podmienky K1 až
K6.
K1: Bod je zostrojený, ak je daná jeho poloha, alebo je priesečníkom dvoch priamok, dvoch kružníc alebo priamky a kružnice.
K2: Priamku považujeme za zostrojenú, ak sú dané jej dva rôzne body.
K3: Kružnicu považujeme za zostrojenú, ak je daný bod a úsečka .
K4: Ak sú dané dve rôznobežky , potom považujeme ich priesečník za zostrojený.
K5: Ak je daná kružnica a jej sečnica, potom považujeme ich priesečníky za zostrojené.
K6: Ak sú dané dve kružnice, o ktorých vieme, že sa pretínajú, potom považujeme ich priesečníky za zostrojené.
Základné euklidovské konštrukcie môžeme považovať za elementárne stavebné kroky pri zostrojovaní zložitejších geometrických útvarov, pre ktorý sú dané nutné "generujúce" prvky.
Napríklad zostrojiť trojuholník, ak sú dané dve jeho strany a uhol nimi zovretý, je možné zrealizovať na základe vety sus o zhodnosti trojuholníkov [Kniha 1, Tvrdenie IV].
K1: Bod je zostrojený, ak je daná jeho poloha, alebo je priesečníkom dvoch priamok, dvoch kružníc alebo priamky a kružnice.
K2: Priamku považujeme za zostrojenú, ak sú dané jej dva rôzne body.
K3: Kružnicu považujeme za zostrojenú, ak je daný bod a úsečka .
K4: Ak sú dané dve rôznobežky , potom považujeme ich priesečník za zostrojený.
K5: Ak je daná kružnica a jej sečnica, potom považujeme ich priesečníky za zostrojené.
K6: Ak sú dané dve kružnice, o ktorých vieme, že sa pretínajú, potom považujeme ich priesečníky za zostrojené.
Základné euklidovské konštrukcie môžeme považovať za elementárne stavebné kroky pri zostrojovaní zložitejších geometrických útvarov, pre ktorý sú dané nutné "generujúce" prvky.
Napríklad zostrojiť trojuholník, ak sú dané dve jeho strany a uhol nimi zovretý, je možné zrealizovať na základe vety sus o zhodnosti trojuholníkov [Kniha 1, Tvrdenie IV].
Definícia (konštrukčná úloha).
Zostrojenie (konštrukciu) geometrického útvaru z daných prvkov sa nazýva konštrukčná úloha.
Zostrojenie (konštrukciu) geometrického útvaru z daných prvkov sa nazýva konštrukčná úloha.
Riešiť konštrukčnú úlohu znamená:
- odvodiť vzťahy medzi zadanými a hľadanými prvkami - náčrtok, rozbor,
- konštrukčne doplniť zadané prvky ďalšími tak, aby bol útvar zostrojiteľný - postup konštrukcie a jeho grafické prevedenie - konštrukcia,
- urobiť dôkaz, že zostrojený útvar je ten, ktorý bolo treba zostrojiť - dôkaz správnosti konštrukcie,
- stanoviť, za ktorých podmienok je úloha riešiteľná a prípadne koľko má vyhovujúcich riešení - diskusia.
Rozbor - prvá etapa riešenia konštrukčnej úlohy, metóda: geometrické miesto bodov. V rozbore ide o hľadanie kauzalít medzi
danými a hľadanými prvkami geometrického útvaru .
- Náčrtok - súčasťou rozboru môže byť aj náčrt (na úrovni ZŠ je to dôležitá súčasť rozboru).
- nakreslíme netypický trojuholník, náčrt kreslíme/modelujeme pomocou úsečiek, kružnicových oblúkov, ... .
- "silnejšie" resp. farebne vyznačíme strany a uhol
- Logický rozbor
- Algebraická metóda rozboru
Obrázok aktivujete Tu.
Applet si otvoríte Tu.
Záver analýzy
Z rozboru vyplýva postup konštrukcie trojuholníka : strana ; uhol ; kružnica ... vrchol je priesečník ramena uhla a kružnice.
Z rozboru vyplýva postup konštrukcie trojuholníka : strana ; uhol ; kružnica ... vrchol je priesečník ramena uhla a kružnice.
Konštrukcia - druhá etapa riešenia konštrukčnej úlohy
Konštrukcia sa skladá z dvoch častí: grafická konštrukcia (narysovanie hľadaného útvaru) a zápis krokov (robí sa vedľa). Stiahnite si applet Tu.
Konštrukcia sa skladá z dvoch častí: grafická konštrukcia (narysovanie hľadaného útvaru) a zápis krokov (robí sa vedľa). Stiahnite si applet Tu.
Dôkaz - tretia etapa riešenia konštrukčnej úlohy. Dôkazom sa chápe argumentácia, či útvar vytvorený konštrukciou spĺňa všetky požiadavky uvedené v zadaní úlohy. V našom príklade dôkaz vyplýva z postupu konštrukcie.
Diskusia - štvrtá etapa riešenia konštrukčnej úlohy
Nech je vzdialenosť bodu od priamky , potom počet priesečníkov závisí na hodnotách . Musíme rozlíšiť dve základné situácie:
- V diskusii určujeme za akých podmienok je úloha riešiteľná, prípadne určujeme koľko má vyhovujúcich riešení resp. skúmame závislosť riešenia od zadaných prvkov.
- V tejto úlohe výhodne vyžijeme posuvníky a počet riešení odvodíme od vzájomnej polohy daných prvkov.
Nech je vzdialenosť bodu od priamky , potom počet priesečníkov závisí na hodnotách . Musíme rozlíšiť dve základné situácie:
- Pokiaľ platí, že , potom je a úloha
a) nemá riešenie, ak
b) má práve jedno riešenie pre alebo
c) má práve dve riešenia za podmienky .
- Pre je diskusia jednoduchšia, úloha
a) nemá riešenie za podmienky
b) má práve jedno riešenie, pokiaľ platí .
Hilbertov axiomatický systém
V roku 1899 slávny matematik David Hilbert publikoval prácu Grundlagen der Geometrie, v ktorej navrhuje axiomatický systém, nahrádzajúci tradičné axiómy Euklida. V literatúre je tento axiomatický systém známy ako Hilbertov axiomatický systém. V práci [HIL] je uvedených šesť primitívnych pojmov, ktoré sú začlenené do dvoch skupín:
- Primitívne objekty
- body - označujeme veľkými písmenami latinskej abecedy ;
- priamky - na označenie používame malé písmená a
- roviny - označujeme malými gréckymi písmenami .
- Primitívne vzťahy (binárne relácie)
- incidencia - ["bod leží na priamke ", "priamka prechádza bodom ", "bod a priamka sú incidentné"].
- vzťah "medzi" - \small [usporiadanie troch kolineárnych bodov , kde bod leží medzi bodmi ]; používa sa aj označenie . Pozri prácu [ChalJ]
- zhodnosť (kongruencia) - ["úsečka je zhodná s úsečkou "], zhodnosť uhlov, zhodnosť trojuholníkov.
Otvorte si interaktívny applet Tu.
Hilbertov axiomatický systém pozostáva z piatich skupín axióm.
- axiómy incidencie
- axiómy usporiadania
- axiómy zhodnosti (kongruencie)
- axióma o rovnobežnosti
- axiómy spojitosti Axiómy charakterizujú vzťahy medzi primitívnymi objektmi. Axiomatický systém obsahuje celkom 20 axióm.
Axiómy incidencie v rovine
I1: Dvoma rôznymi bodmi prechádza práve jedna priamka.
I2: Každá priamka obsahuje aspoň dva rôzne body.
I3: Existuje aspoň jedna trojica navzájom rôznych nekolineárnych bodov.
Axiómy incidencie v priestore
I4: Tromi nekolineárnymi bodmi prechádza práve jedna rovina.
I5: V každej rovine existujú aspoň tri nekolineárne body.
I6: Ak dva rôzne body priamky ležia v rovine , potom každý bod priamky leží v rovine .
I7: Ak dve roviny majú spoločný bod , potom majú spoločný ešte aspoň jeden bod , rôzny od .
I8: Existuje aspoň jedna štvorica nekomplanárnych bodov .
I1: Dvoma rôznymi bodmi prechádza práve jedna priamka.
I2: Každá priamka obsahuje aspoň dva rôzne body.
I3: Existuje aspoň jedna trojica navzájom rôznych nekolineárnych bodov.
Axiómy incidencie v priestore
I4: Tromi nekolineárnymi bodmi prechádza práve jedna rovina.
I5: V každej rovine existujú aspoň tri nekolineárne body.
I6: Ak dva rôzne body priamky ležia v rovine , potom každý bod priamky leží v rovine .
I7: Ak dve roviny majú spoločný bod , potom majú spoločný ešte aspoň jeden bod , rôzny od .
I8: Existuje aspoň jedna štvorica nekomplanárnych bodov .
Dôkaz. nepriamo
V ďalšej časti sa zameriame na interpretáciu Euklidovskej roviny pomocou dynamických geometrických systémov (DGS). Budeme používať softvér GeoGebra. Vo všeobecnosti ak DGS má správne interpretovať danú geometriu (napr. Euklidovskú), tak je nutné vhodne popísať/definovať základné geometrické pojmy a vzťahy. Túto požiadavku výstižne charakterizuje doc. Vallo vo svojej habilitačnej práci, kde zdôrazňuje požiadavku determinovanosti pri využívaní IKT v geometrii.
V DGS je nutné, aby dôležité prvky geometrických útvarov boli deterministicky definované (Vallo, 2021).
Uvádzame niekoľko východísk, ktoré tvorcovia softvéru GeoGebra naprogramovali v jeho základnej verzii. Vo vzhľade Nákresňa (2-rozmerný priestor) je bod reprezentovaný dvojicou reálnych čísel. Tento model je izomorfný s afinným dvojrozmerným priestorom nad poľom reálnych čísel.
Požiadavka determinovanosti z pohľadu geometrie znamená presne stanoviť, čo predstavuje bod so súradnicami . Presné geometrické vymedzenie (determinovanosť) veľmi dobre interpretujú nasledovné príkazy softvéru GeoGebra.
Otvorte si applet Tu.
Pri klasickej výučbe geometrie (manuálne rysovacie prostriedky) je problematické reálne „pracovať“ s totožnými (identickými) útvarmi. Napríklad dva rôzne ale totožné body rozlíšime len tak, že pri ich popise uvedieme .
Požiadavka determinovanosti z pohľadu geometrie znamená presne stanoviť, čo predstavuje bod so súradnicami . Presné geometrické vymedzenie (determinovanosť) veľmi dobre interpretujú nasledovné príkazy softvéru GeoGebra.
- Príkaz
vygeneruje na zobrazovacej ploche bod so súradnicami
a s popisom
.
- Príkaz vygeneruje opäť bod s tými istými súradnicami a s popisom .
Otvorte si applet Tu.
Pri klasickej výučbe geometrie (manuálne rysovacie prostriedky) je problematické reálne „pracovať“ s totožnými (identickými) útvarmi. Napríklad dva rôzne ale totožné body rozlíšime len tak, že pri ich popise uvedieme .
Poznámka.
V DGS priesečník dvoch priamok sa musí exaktne definovať pomocou nástroja Priesečník. Ak nie, tak DGS ho neidentifikuje ako bod.
V DGS priesečník dvoch priamok sa musí exaktne definovať pomocou nástroja Priesečník. Ak nie, tak DGS ho neidentifikuje ako bod.
Pomocou nástroja " Priesečník" môžeme vytvoriť tri priesečníky výšok v trojuholníku
o ktorých vieme dokázať (Kapitola "Významné prvky trojuholníka"), že sú to tri totožné body.
DGS to chápe ako tri samostatné body. Pomocou nástroja "Vzťah a = b" môžeme napríklad overiť, či bod leží aj na kolmici . GeoGebra nám zobrazí oznam/výsledok, ktorý predstavuje obrázok vpravo. Celá konštrukcia "Priesečník výšok v trojuholníku" je znázornená na obrázku vľavo.
Otvorte si dynamickú konštrukciu Tu.
Otvorte si dynamickú konštrukciu Tu.
Modely geometrie
V predchádzajúcej časti sme stručne načrtli interpretáciu základných pojmov (bod, priamka, incidencia a pod.) v programe GeoGebra. Interpretácia týchto pojmov môže mať rôzne podoby.
Ak priradíme základným pojmom nejaký konkrétny význam, tak vytvoríme model geometrie.
Potom v tomto modeli môžeme skúmať, či platia axiómy v systéme, ktorý sme zaviedli. Ak sú axiómy v tejto interpretácii (v modeli geometrie) pravdivé, potom takto vytvorený model je modelom daného axiomatického systému.
Uvádzame niekoľko modelov geometrie.
Ak priradíme základným pojmom nejaký konkrétny význam, tak vytvoríme model geometrie.
Potom v tomto modeli môžeme skúmať, či platia axiómy v systéme, ktorý sme zaviedli. Ak sú axiómy v tejto interpretácii (v modeli geometrie) pravdivé, potom takto vytvorený model je modelom daného axiomatického systému.
Uvádzame niekoľko modelov geometrie.
Incidenčné modely geometrie
- Trojbodová (prípadne štvorbodová, päťbodová) geometria
- sú body a sú priamky resp.
Kompletný graf s
3 (prípadne so 4 resp. 5 vrcholmi.
- Euklidov postulát o rovnobežkách neplatí.
- Overte platnosť axióm incidencie.
- Algebraický model - analytická geometria euklidovskej roviny
Sféra ako neincidenčný model
- Bodmi sú body na guľovej ploche (sfére). Priamkami sú kružnice na sfére so stredom v strede gule.
- Každé dve priamky sa pretínajú v dvoch bodoch, preto nejde o model incidenčnej geometrie. Otvorte si applet a pohybujte bodmi .
Otvorte si interaktívny applet Tu
Lineárna perspektíva (15. stor.) - projekcia bodov trojrozmerného priestoru do roviny (na plátno).
Prevzaté z: Parramón, José M.: Perspektiva pro výtvarníky, Praha : JAN VAŠUT, 1998, ISBN 80-7236-041-8
Otvorte si projekciu bodov v GeoGebra modeli Tu. Porovnajte s pohľadom na koľajnice. Pohľad na koľajnice je vlastne zobrazenie v lineárnej perspektíve.
Prevzaté z: Parramón, José M.: Perspektiva pro výtvarníky, Praha : JAN VAŠUT, 1998, ISBN 80-7236-041-8
Otvorte si projekciu bodov v GeoGebra modeli Tu. Porovnajte s pohľadom na koľajnice. Pohľad na koľajnice je vlastne zobrazenie v lineárnej perspektíve.
Zhodnosť
Axiómy zhodnosti
Z1: Pre ľubovoľné dva rôzne body a polpriamku vychádzajúcu z bodu
existuje na tejto polpriamke práve jeden bod taký, že .
Z2: Ak a , potom .
Navyše, každá úsečka je zhodná sama so sebou: .
Z3: Ak , , a , potom .
Z4: Pre daný uhol , danú polpriamku a danú polrovinu ohraničenú priamkou
existuje práve jedna polpriamka v danej polrovine tak, že .
Z5: Ak a , potom .
Navyše, každý uhol je zhodný sám so sebou: .
Z6: Ak pre trojuholníky a platí, že a ,
potom a .
Z1: Pre ľubovoľné dva rôzne body a polpriamku vychádzajúcu z bodu
existuje na tejto polpriamke práve jeden bod taký, že .
Z2: Ak a , potom .
Navyše, každá úsečka je zhodná sama so sebou: .
Z3: Ak , , a , potom .
Z4: Pre daný uhol , danú polpriamku a danú polrovinu ohraničenú priamkou
existuje práve jedna polpriamka v danej polrovine tak, že .
Z5: Ak a , potom .
Navyše, každý uhol je zhodný sám so sebou: .
Z6: Ak pre trojuholníky a platí, že a ,
potom a .
Veta sus. (Euklidove Základy, Tvrdenie I.4)
Ak pre trojuholníky a platí, že a , potom sú tieto trojuholníky zhodné.
Ak pre trojuholníky a platí, že a , potom sú tieto trojuholníky zhodné.
Dôkaz.
V dôsledku axiómy Z6 stačí ukázať, že . Dôkaz urobíme sporom. Nech
.
Nech , pre ktorý platí . Použitím axiómy Z6 dostaneme, že
,
čo je v rozpore s axiómou Z4 o prenášaní uhla. Teda musí platiť .
V dôsledku axiómy Z6 stačí ukázať, že . Dôkaz urobíme sporom. Nech
.
Nech , pre ktorý platí . Použitím axiómy Z6 dostaneme, že
,
čo je v rozpore s axiómou Z4 o prenášaní uhla. Teda musí platiť .
Poznámky.
- Niekedy sa veta sus uvádza ako axióma Z6.
- Porovnajte nami prezentovaný dôkaz vety sus s dôkazom v uvedeným v Euklidových Základoch.
- Ďalšie vety o zhodnosti trojuholníkov nájdete v samostatnej e-knihe tohto kurzu.
V Hilbertovom axiomatickom systéme axiómy Z1 a Z4 zaručujú jednoznačnosť prenášania
- danej úsečky na danú polpriamku - Z1
- uhla danej veľkosti do polroviny - Z4
Definícia.
Nech je ľubovoľný bod a je daná nenulová úsečka. Kružnica so stredom a polomerom je množina všetkých bodov , pre ktoré platí, že úsečka je zhodná s úsečkou .
Nech je ľubovoľný bod a je daná nenulová úsečka. Kružnica so stredom a polomerom je množina všetkých bodov , pre ktoré platí, že úsečka je zhodná s úsečkou .
Definície ďalších geometrických útvarov budeme uvádzať priebežne podľa potreby.
Axióma Z4 predstavuje euklidovskú konštrukciu prenášania uhla do danej polroviny. Vo vyučovaní geometrie na ZŠ sa táto konštrukcia uskutočňuje pomocou listu papiera alebo pomocou kružidla. Dynamickú formu aktivity prenášania uhla pomocou kružidla, ktorá je vhodná pre žiakov základných škôl, predstavuje nasledujúci applet.
Otvorte si applet Tu
Kružnica sa využíva aj pri euklidovskej konštrukcii osi uhla Kniha 1, Tvrdenie IX ako ukazuje nasledujúci obrázok.
V predchádzajúcich dvoch euklidovských konštrukciách sa mimovoľne predpokladalo, že pri prenášaní úsečky jej veľkosť sa nemení. V Hilbertovom axiomatickom systéme vlastnosť zachovávania "veľkosti útvaru" pri "prenášaní" sa zaručuje pomocou axióm Z1 a Z4.
Rozdiel medzi Euklidovými Základmi a Hilbertovým axiomatickým prístupom je zásadný, ktorý podrobnejšie popíšeme v nasledujúcej podkapitole.
Axióma Z4 predstavuje euklidovskú konštrukciu prenášania uhla do danej polroviny. Vo vyučovaní geometrie na ZŠ sa táto konštrukcia uskutočňuje pomocou listu papiera alebo pomocou kružidla. Dynamickú formu aktivity prenášania uhla pomocou kružidla, ktorá je vhodná pre žiakov základných škôl, predstavuje nasledujúci applet.
Otvorte si applet Tu
Kružnica sa využíva aj pri euklidovskej konštrukcii osi uhla Kniha 1, Tvrdenie IX ako ukazuje nasledujúci obrázok.
V predchádzajúcich dvoch euklidovských konštrukciách sa mimovoľne predpokladalo, že pri prenášaní úsečky jej veľkosť sa nemení. V Hilbertovom axiomatickom systéme vlastnosť zachovávania "veľkosti útvaru" pri "prenášaní" sa zaručuje pomocou axióm Z1 a Z4.
Rozdiel medzi Euklidovými Základmi a Hilbertovým axiomatickým prístupom je zásadný, ktorý podrobnejšie popíšeme v nasledujúcej podkapitole.
Geometria uhlov
Tvrdenie.
Ak sú dva uhly zhodné, potom aj ich susedné uhly sú zhodné.
Ak sú dva uhly zhodné, potom aj ich susedné uhly sú zhodné.
Dôkaz.
Otvorte si applet Tu.
Otvorte si applet Tu.
Definícia (Vonkajší uhol trojuholníka).
Vonkajší uhol trojuholníka je uhol susedný s priľahlým vnútorným uhlom trojuholníka.
Vonkajší uhol trojuholníka je uhol susedný s priľahlým vnútorným uhlom trojuholníka.
Napríklad v predchádzajúcej vete je uhol
vonkajší uhol k uhlu
. Existenciu bodu
zabezpečuje axióma Z1 a axióma U2.
Tvrdenie.
Vonkajší uhol v trojuholníku susedný k uhlu je väčší ako ľubovoľný zo zvyšných dvoch vnútorných uhlov tohto trojuholníka. Symbolicky zapísané
a zároveň .
Vonkajší uhol v trojuholníku susedný k uhlu je väčší ako ľubovoľný zo zvyšných dvoch vnútorných uhlov tohto trojuholníka. Symbolicky zapísané
a zároveň .
Dôkaz.
Stačí, keď dokážeme platnosť prvého a druhého prípadu. Budeme dokazovať sporom.
Stačí, keď dokážeme platnosť prvého a druhého prípadu. Budeme dokazovať sporom.
- Nech platí
a zároveň nech
, potom
.
Otvorte si applet Tu.
Odtiaľ dostávame
.
Zároveň zo zhodnosti a z tvrdenia o susedných uhloch dostávame , kde je bod na polpriamke taký, že .
Polpriamky obe zvierajú s rovnaký uhol, pričom body ležia na tej istej strane od (sú oba na opačnej ako ). To je spor s axiómou Z4. - Nech platí
,
potom existuje polpriamka medzi polpriamkami tak, že platí
.
Teraz tento prípad prevedieme na prvý prípad, ktorého platnosť sme už dokázali. Polpriamka pretína pretína úsečku (veta o priečke uhla, Chalmovianska, str. 19) v bode . Potom v trojuholníku je vonkajší uhol pri vrchole zhodný s vnútorným uhlom pri vrchole . To je ale predpoklad prvého prípadu. To však viedlo k sporu, preto nemôže nastať ani druhý prípad. - V ďalších dvoch prípadoch
;
postupujeme analogicky.
Otvorte si applet Tu .
Poznámky.
- Euklides tvrdenie o vonkajšom uhle (uvádza vo svojich Základoch ako tvrdenie T/XVI, pozrite Tu) dokazuje pomocou zhodnosti vrcholových uhlov. V dôkaze využíva vlastnosť (ktorú bližšie nešpecifikuje), že pri "prenášaní" úsečky sa jej veľkosť nemení.
- V Euklidovom dôkaze kľúčovým momentom je predpoklad, že polpriamka leží medzi polpriamkami . To Euklides pokladá za všeobecne platnú Zásadu. U Hilberta je to podložené axiómami zhodnosti a usporiadania.
- Zhodnosť vrcholových uhlov dokazuje pomocou vlastnosti, že súčet susedných uhlov sa rovná dvom pravým uhlom. Tvrdenie T/XV, dôkaz pozrite Tu.
- V stredoškolskej matematike sa táto veta uvádza ako Teoréma vonkajšieho uhla. Pozri Wikipédiu Tu
Usporiadanie
Axiómy usporiadania
U1: Ak leží medzi a [], potom sú tri rôzne kolineárne body a platí tiež, že leží medzi a .
U2: Pre ľubovoľné navzájom rôzne body existujú body tak, že a .
U3: Pre ľubovoľné tri navzájom rôzne kolineárne body práve jeden z nich leží medzi zvyšnými dvoma.
U4: (Paschova axióma, 1882) Nech priamka neprechádza žiadnym z nekolineárnych bodov .
Ak pretína úsečku , potom pretína buď úsečku alebo úsečku .
U1: Ak leží medzi a [], potom sú tri rôzne kolineárne body a platí tiež, že leží medzi a .
U2: Pre ľubovoľné navzájom rôzne body existujú body tak, že a .
U3: Pre ľubovoľné tri navzájom rôzne kolineárne body práve jeden z nich leží medzi zvyšnými dvoma.
U4: (Paschova axióma, 1882) Nech priamka neprechádza žiadnym z nekolineárnych bodov .
Ak pretína úsečku , potom pretína buď úsečku alebo úsečku .
Definície.
- Nech
sú dva rôzne body. Úsečka
je množina bodov
, ktoré ležia medzi bodmi
zjednotená s dvojprvkovou množinou
. Body
sú krajné body úsečky.
- Nech
sú dva rôzne body. Polpriamka
je množina bodov úsečky
a bodov
, pre ktoré platí
.
- Nech
sú dva rôzne body. Opačná polpriamka k polpriamke
je množina bodov
, pre ktoré platí, že bod
leží medzi bodmi
zjednotenú s jednobodovou množinou
.
Dôkaz.
Z definície polpriamky dostávame
.
Potrebujeme ešte dokázať, že platí . Zvoľme si ľubovoľný bod , pre ktorý platí
.
Otvorte si applet Tu.
Z definície polpriamky dostávame
.
Potrebujeme ešte dokázať, že platí . Zvoľme si ľubovoľný bod , pre ktorý platí
.
- Nech alebo , potom dokazovaná inklúzia platí.
- Nech . Keďže , tak musí súčasne platiť Súčasne môže nastať len prípad . Záver: z axiómy U3 dostávame: .
Otvorte si applet Tu.
Dôkaz.
Dôkaz je nutné rozložiť do dvoch krokov (dokazujeme rovnosť množín).
Dôkaz je nutné rozložiť do dvoch krokov (dokazujeme rovnosť množín).
- Nech , potom treba dokázať . Použite definíciu polriamky.
- Nech , potom treba dokázať . Použite definíciu priamky.
Definícia.
Daná je priamka a body neležiace na tejto priamke. Hovoríme, že body
• ležia na opačných stranách od danej priamky, ak úsečka túto priamku pretína, t.j. ak na tejto priamke existuje bod tak, že
• ležia na tej istej strane od priamky , ak alebo ak a úsečka priamku nepretína (\\small ( p \cap AB= ∅ ) \)
Daná je priamka a body neležiace na tejto priamke. Hovoríme, že body
• ležia na opačných stranách od danej priamky, ak úsečka túto priamku pretína, t.j. ak na tejto priamke existuje bod tak, že
• ležia na tej istej strane od priamky , ak alebo ak a úsečka priamku nepretína (\\small ( p \cap AB= ∅ ) \)
Otvorte si interaktívny applet Tu .
Príklad.
Dané sú tri nekolineárne body . Určte množinu (šrafovaním)
.
Konštrukčný návod Tu. Applet, v ktorom je nástroj na vyznačenie polroviny Tu.
Riešenie Tu.
Dané sú tri nekolineárne body . Určte množinu (šrafovaním)
.
Konštrukčný návod Tu. Applet, v ktorom je nástroj na vyznačenie polroviny Tu.
Riešenie Tu.
Tvrdenie (separačná vlastnosť v rovine, U4S).
Priamka delí rovinu okrem bodov priamky na dve triedy tak, že body ležia v tej istej triede práve vtedy, keď
ležia na tej istej strane od priamky . (t.j. neexistuje bod taký, že , kde a sú dané body).
Dôkaz pozri prácu [CHAL] .
Priamka delí rovinu okrem bodov priamky na dve triedy tak, že body ležia v tej istej triede práve vtedy, keď
ležia na tej istej strane od priamky . (t.j. neexistuje bod taký, že , kde a sú dané body).
Dôkaz pozri prácu [CHAL] .
Definície.
Otvorte si interaktívny applet Tu.
Pozrite si tiež definície v práci [MON] kapitola 2: "Konvexná množina".
Rovnobežnosť
Definícia (Rovnobežnosť).
Euklides: Rovnoběžky jsou přímky, které jsou v téže rovině a prodlouženy na obě strany do nekonečna nikde se nesbíhají. (Servít)
Hilbert: Dve priamky sú rovnobežné (rovnobežky), ak nemajú spoločný bod.
Euklides: Rovnoběžky jsou přímky, které jsou v téže rovině a prodlouženy na obě strany do nekonečna nikde se nesbíhají. (Servít)
Hilbert: Dve priamky sú rovnobežné (rovnobežky), ak nemajú spoločný bod.
Tvrdenie (Základy, T/XXVII).
Keď priamka pretínajúca dve priamky vytvára striedavé uhly navzájom rovnaké, budú tie priamky navzájom rovnobežné.
Keď priamka pretínajúca dve priamky vytvára striedavé uhly navzájom rovnaké, budú tie priamky navzájom rovnobežné.
Dôkaz.
Urobte si cvičenie. Použite dôsledok vety o vonkajšom uhle.
Urobte si cvičenie. Použite dôsledok vety o vonkajšom uhle.
Dôkaz.
Zvoľme si ľubovoľný bod na priamke . Zostrojme priamku (transverzála/priečka priamok ).
Následne zostrojíme priamku tak, aby striedavé uhly pri priamkach s transverzálou boli rovnaké (axióm Z4).
Rovnobežnosť vyplýva z vety o vonkajšom uhle trojuholníka.
AppletTu.
Zvoľme si ľubovoľný bod na priamke . Zostrojme priamku (transverzála/priečka priamok ).
Následne zostrojíme priamku tak, aby striedavé uhly pri priamkach s transverzálou boli rovnaké (axióm Z4).
Rovnobežnosť vyplýva z vety o vonkajšom uhle trojuholníka.
AppletTu.
Poznámka.
Dokázaním predchádzajúceho dôsledku sme ukázali existenciu rovnobežky, pričom sme použili predchádzajúce axiómy.
Teraz stačí formulovať axiómu, ktorá zaručí jednoznačnosť - existenciu jedinej rovnobežky.
Dokázaním predchádzajúceho dôsledku sme ukázali existenciu rovnobežky, pričom sme použili predchádzajúce axiómy.
Teraz stačí formulovať axiómu, ktorá zaručí jednoznačnosť - existenciu jedinej rovnobežky.
Playfairova axióma.
Pre každú priamku a pre každý bod existuje práve (najviac) jedna priamka rovnobežná s priamkou (ozn. ).
Pre každú priamku a pre každý bod existuje práve (najviac) jedna priamka rovnobežná s priamkou (ozn. ).
Piaty Euklidov postulát.
A keď priamka pretínajúca priamky dve priamky tvorí na tej istej strane vnútornej (priľahlej) uhly menšie dvoch pravých, tie dve priamky predĺžené do nekonečna sa zbiehajú na tej strane, kde sú uhly menšie dvoch pravých.
A keď priamka pretínajúca priamky dve priamky tvorí na tej istej strane vnútornej (priľahlej) uhly menšie dvoch pravých, tie dve priamky predĺžené do nekonečna sa zbiehajú na tej strane, kde sú uhly menšie dvoch pravých.
Tvrdenie(Základy, T/XXXII).
Súčet vnútorných uhlov trojuholníka je rovný dvom pravým uhlom.
Dôkaz.
Pokúste sa dokázať toto tvrdenie ako cvičenie. Tvrdenie T/XXXII je ekvivalentné axióme rovnobežnosti. Euklidov dôkaz nájdete v kapitole "Geometria trojuholníka".
Súčet vnútorných uhlov trojuholníka je rovný dvom pravým uhlom.
Dôkaz.
Pokúste sa dokázať toto tvrdenie ako cvičenie. Tvrdenie T/XXXII je ekvivalentné axióme rovnobežnosti. Euklidov dôkaz nájdete v kapitole "Geometria trojuholníka".
Spojitosť
Tvrdenie T/1 (Euklidove Základy Kniha 1, Tvrdenie I).
K danej úsečke zostrojte rovnostranný trojuholník tak, aby táto úsečka bola jednou z jeho strán.
Dôkaz.
Dôkaz má konštrukčný charakter. Euklides popisuje konštrukciu rovnostranného trojuholníka pomocou kružníc , ktoré sa pretínajú v dvoch rôznych bodoch.
K danej úsečke zostrojte rovnostranný trojuholník tak, aby táto úsečka bola jednou z jeho strán.
Dôkaz.
Dôkaz má konštrukčný charakter. Euklides popisuje konštrukciu rovnostranného trojuholníka pomocou kružníc , ktoré sa pretínajú v dvoch rôznych bodoch.
Poznámky.
- V Euklidových Základoch sa nenachádza axióma alebo tvrdenie, podľa ktorého je zaručená existencia spoločného bodu dvoch kružníc!
- V e-knihe DGS sme už uviedli, že v afinnom priestore nad poľom racionálnych čísel sa kruhy nepretínajú.
- Euklides síce nehovorí o spoločnom bode dvoch kružníc, uvádza len tvrdenie/formuláciu "... v ktorom sa kruhy navzájom pretínajú, ..."
- Vyriešiť tento problém je možné sformulovaním axióm spojitosti.
Axiómy spojitosti.
S1: (Archimedova axióma) Nech sú dané úsečky . Na polpriamke zostrojme postupne body také, že
.
Potom existuje jediné prirodzené číslo také, že bod a .
S2: (Axióma úplnosti) K bodom a priamkam v rovine už nie je možné pridať ďalšie tak, aby výsledná geometria stále spĺňala všetky doteraz uvedené axiómy
S1: (Archimedova axióma) Nech sú dané úsečky . Na polpriamke zostrojme postupne body také, že
.
Potom existuje jediné prirodzené číslo také, že bod a .
S2: (Axióma úplnosti) K bodom a priamkam v rovine už nie je možné pridať ďalšie tak, aby výsledná geometria stále spĺňala všetky doteraz uvedené axiómy
Poznámky.
- Euklidovská rovina je model všetkých uvedených axióm.
- Euklidovská rovina je afinná rovina so skalárnym súčinom definovaným na jej vektorovej zložke. Používame aj označenie .
- Geometria, ktorá spĺňa všetky Hilbertove axiómy (dôležitá je pritom Archimedova axióma), môžeme v nej zaviesť meranie! Pozrite si e-knihu "Miera úsečky".
Neeuklidovská geometria
V historickom vývoji geometrie nájdeme dva východiskové míľniky, ktoré by sme mohli charakterizovať tromi otázkami:
„Ako to vytvoriť? “
„Prečo to platí?“
„Platí piaty Euklidov postulát?“
Pozrite si práce [GRE], [VAL].
„Ako to vytvoriť? “
„Prečo to platí?“
„Platí piaty Euklidov postulát?“
Pozrite si práce [GRE], [VAL].
- Začiatok tejto cesty „Ako “ patrí približne do obdobia dvoch tisícročí pred naším letopočtom, do obdobia mezopotámskeho a egyptského staroveku.
- Obdobie „Prečo“ zahŕňa obdobie od antického Grécka až po objavy neeuklidovských geometrií. S úctou k velikánom gréckej matematiky a filozofie treba zdôrazniť, že mnohé grécke myšlienky predbehli svoju dobu o dve nasledujúce tisícročia.
„Väčšina ľudí nevie, že v 19. storočí došlo k revolúcii v oblasti geometrie, ktorá bola vedecky tak hlboká a
vo svojom vplyve rovnako filozoficky dôležitá ako Darwinova evolučná teória.“
Prenikaním informačno-komunikačných technológií (IKT) do života spoločnosti koncom 20. storočia nášho letopočtu sa začala revolúcia nielen v myslení ľudí ale aj v organizácii a riadení ich práce. Používanie IKT vo vzdelávacom procese sa stalo neodmysliteľnou súčasťou moderného vyučovania. V tejto práci chceme poukázať na nové možnosti riešenia konštrukčných úloh v hyperbolickej neeuklidovskej geometrie využitím nových nástrojov v programe GeoGebra. Zameriame sa na model Poincare Disc, v ktorom budeme riešiť základné geometrické úlohy len použitím "neeuklidovského" pravítka a kružítka.
Definícia.
Neeuklidovská geometria je taká geometria, v ktorej neplatí piaty Euklidov postulát (axióma rovnobežnosti) ale spĺňa axiómy incidencie, usporiadania a zhodnosti.
Neeuklidovská geometria je taká geometria, v ktorej neplatí piaty Euklidov postulát (axióma rovnobežnosti) ale spĺňa axiómy incidencie, usporiadania a zhodnosti.
Neeuklidovské geometrie rozdeľujeme do dvoch kategórií:
- Hyperbolická geometria, v ktorej daným bodom neležiacim na danej priamke prechádzajú aspoň dve rovnobežky.
- Parabolická geometria, v ktorej neexistuje žiadna rovnobežka idúca daným bodom neležiacim na danej priamke.
V našej práci sa budeme zaoberať len hyperbolickou rovinnou geometriou.
Za východisko pre hyperbolickú rovinu si vezmeme dvojdielny hyperboloid .
Dynamický hyperboloid si otvoríte Tu.
Uskutočníme dve operácie:
Za východisko pre hyperbolickú rovinu si vezmeme dvojdielny hyperboloid .
Dynamický hyperboloid si otvoríte Tu.
Uskutočníme dve operácie:
- Operácia "stotožnenie" každých dvoch bodov hyperboloidu súmerných podľa jeho stredu. Takouto operáciou redukujeme daný hyperboloid len na jednu jeho časť. Takto definovanú dvojicu bodov nazývame združené body. V ďalších úvahách budeme pracovať len s jeho jednou časťou hyperboloidu, napríklad s "hornou časťou".
- Operácia "prienik" bude predstavovať rez hyperboloidu stredovou rovinou, ktorá je určená dvomi rôznymi bodmi (dvomi združenými dvojicami bodov) a stredom hyperboloidu. Teoreticky stredová rovina môže byť trojakého typu: reálne pretína hyperboloid v hyperbole, môže sa dotýkať hyperboloidu alebo ho nepretína v reálnom prieniku.
- Bod hyperbolickej roviny je trojakého typu:
- vlastný bod hyperboloidu je dvojica združených bodov, ktorú nazývame h-bod
- nevlastný (limitný) bod hyperboloidu (stotožnené body na nevlastnej kružnici) nazývame nevlastný bod 1. druhu
- nevlastné body priestoru Euklidovského priestoru, ktoré na ploche hyperboloidu neležia, nazývame nevlastný bod 2. druhu Napríklad bod (spolu so združeným bodom A') hyperboloidu je vlastný h-bod hyperbolickej roviny.
- Priamka hyperbolickej roviny je krivka, ktorá vznikne ako prienik (rez) hyperboloidu
s ľubovoľnou stredovou rovinou1). Keďže rezy takých rovín môžu byť trojakého typu, existujú tri typy hyperbolických h-priamok.
- ak prienikom stredovej roviny s hyperboloidom je hyperbola, tak túto krivku (hyperbolu) nazývame h-priamka
- ak prienik obsahuje len povrchovú priamku asymptotickej2) kužeľovej plochy (rovina sa dotýka hyperboloidu v nekonečne), tak tento prienik budeme považovať za nevlastnú h-priamku 1. druhu (rovina hyperboloid reálne pretne v komplexne združených rovnobežkách)
- nepretína hyperboloid, tak rezom je imaginárna kužeľosečka (elipsa), ktorú nazveme nevlastná h-priamka 2. druhu.
Otvorte si interaktívny applet Tu.
Poznámky.
- Stredová rovina (priamka) je rovina (priamka) prechádzajúca stredom hyperboloidu.
- Asymptotická kužeľová plocha je rotačná plocha, ktorá sa dotýka rotačného hyperboloidu v nevlastnej kužeľosečke.
- Nevlastný (limitný) bod hyperboloidu (stotožnené body na nevlastnej kružnici) nazývame nevlastný h-bod 1. druhu.
- Nevlastné body priestoru Euklidovského priestoru, ktoré na ploche hyperboloidu neležia, nazývame nevlastný h-bod 2. druhu.
- Keďže rezy stredových rovín s hyperboloidom môžu byť trojakého typu, existujú tri typy hyperbolických h-priamok:
- ak prienik obsahuje len povrchovú priamku asymptotickej kužeľovej plochy (rovina sa dotýka hyperboloidu v nekonečne), tak tento prienik budeme považovať za nevlastnú h-priamku 1. druhu (rovina hyperboloid reálne pretne v komplexne združených rovnobežkách)
- ak stredová rovina nepretína hyperboloid, tak rezom je imaginárna kužeľosečka (elipsa), ktorú nazveme nevlastná h-priamka 2. druhu.
Modely
Poincarè model
Dynamický obrázok si otvoríte Tu.
Tvrdenie
Dôkaz
- Dôkaz prvej časti tohto tvrdenia vyplýva z vlastností stredového premietania, v ktorom sa kužeľová plocha obaľujúca hyperboloid zobrazí do kružnice . To znamená, že ľubovoľný bod hyperboloidu sa zobrazí do vnútra kruhu .
- Dôkaz druhej časti o priemete h-priamky (reálne stredovej hyperboly) rozdelíme na dve etapy i. a ii.
- Nech je dvojica združených bodov hyperboloidu a nech sú ich stredové priemety. Pre súčin vzdialeností
bodov od stredu hyperboloidu platí:
.
Dôkaz toho, že súčin vzdialeností je konštantný je prezentovaný v nižšie priloženom applete. - Musíme ešte dokázať, že priemety h-bodov h-priamky (hyperboly) v označení ležia na kružnici kolmej na kružnicu . Dôkaz je v ďalšej kapitole tejto práce. Pri dôkaze budeme potrebovať tvrdenie o mocnosti bodu ku kružnici.
- Nech je dvojica združených bodov hyperboloidu a nech sú ich stredové priemety. Pre súčin vzdialeností
bodov od stredu hyperboloidu platí:
Mocnosť bodu ku kružnici
Je daná kružnica a bod , ležiaci zvonka kružnice. Nech je sečnica kružnice vedená bodom a nech sú priesečníky sečnice s kružnicou . Pod mocnosťou bodu ku kružnici rozumieme číslo , pre ktoré platí: .
Je daná kružnica a bod , ležiaci zvonka kružnice. Nech je sečnica kružnice vedená bodom a nech sú priesečníky sečnice s kružnicou . Pod mocnosťou bodu ku kružnici rozumieme číslo , pre ktoré platí: .
Viac o mocnosti bodu ku kružnice nájdete v kurze Planimetria a stereometria Tu. Vlastnosť mocnosť stačí vhodne aplikovať na náš prípad. Ilustráciu tvrdenia o priemete h-priamky prezentuje nasledujúci applete. Podrobný dôkaz (časti ii.) nájde čitateľ v ďalšej podkapitole s názvom "Hyperbolická priamka". Pozrite si tiež kapitolu "The Poincaré Disk Model" v práci [HIT].
Beltramiho-Kleinov model
Model vznikne ako stredový priemet dvojdielneho hyperboloidu do roviny kolmej na os hyperboloidu, pričom
Model vznikne ako stredový priemet dvojdielneho hyperboloidu do roviny kolmej na os hyperboloidu, pričom
Zhrnutie
- Bodmi Beltrami Kleinovho modelu sú body Klein Disku.
- Priamkami sú tetivy tohto disku.
V obidvoch hyperbolických modeloch (Beltrami a Poincarè) neplatí axióma rovnobežnosti.
- V obidvoch prípadoch existuje viac ako jedna rovnobežka.
- Existencia rovnobežky vyplýva z prvých skupín axióm.
- V modeli "Sféra" nemáme zaručenú ani existenciu rovnobežky.
- Kleinov disk a Poincarè disk sú modely, ktoré vzniknú aj premietaním do vhodnej roviny. Pozri Disk a hyperboloid.
- Výhodou modelu Klein je, že priamky v tomto modeli sú euklidovské (rovné) tetivy. Nevýhodou je, že model nie je konformný (kruhy a uhly sú skreslené).
- Neeuklidovská hyperbolická geometria reprezentovaná Poincarè diskom je konformná.
Hyperbolická priamka
Pokračovanie dôkazu tvrdenia o priemete h-priamky, v ktorom využijeme tvrdenie o mocnosti bodu ku kružnici.
Tvrdenie
Priemetom h-priamky (hyperboly) do Poincarè disku je otvorený kružnicový oblúk, ktorý je kolmý na hranicu kruhu .
Pri dôkaze budeme potrebovať aj pojem dvojice inverzných bodov a pojem polárneho prvku v kruhovej inverzii. Viac o kruhovej inverzii nájdete v kurze Planimetria a stereometria
Tu. Najskôr dokážeme lemu:
Priemetom h-priamky (hyperboly) do Poincarè disku je otvorený kružnicový oblúk, ktorý je kolmý na hranicu kruhu .
Lema
Nech je daná kruhová inverzia určená kružnicou - hranicou kruhu a nech bod je obrazom bodu v tejto kruhovej inverzii. Zvoľme si ľubovoľnú ale pevne zvolenú kružnicu prechádzajúcu dvojicou inverzných bodov . Ak kružnica pozostáva výlučne len z dvojíc inverzných bodov vzhľadom na kružnicu - hranicu kruhu , tak kružnica pretína kružnicu - hranicu kruhu kolmo.
Nech je daná kruhová inverzia určená kružnicou - hranicou kruhu a nech bod je obrazom bodu v tejto kruhovej inverzii. Zvoľme si ľubovoľnú ale pevne zvolenú kružnicu prechádzajúcu dvojicou inverzných bodov . Ak kružnica pozostáva výlučne len z dvojíc inverzných bodov vzhľadom na kružnicu - hranicu kruhu , tak kružnica pretína kružnicu - hranicu kruhu kolmo.
Dôkaz
Otvorte si applet v programe GeoGebra - dôkaz Tu. Pozrite si tiež prácu [HYP].
V dôsledku lemy a predchádzajúcich častí dôkazu môžeme vysloviť tvrdenie.
- Nech body sú priemety bodov h-priamky . Pozrite si priložený obrázok.
- Podľa predchádzajúcej časti dôkazu (i.) platí
. - Odkiaľ: bod je obrazom bodu aj v kruhovej inverzii . Podobne to môžeme povedať aj o bodoch .
- Nech je kružnica určená bodmi , potom v dôsledku mocnosti bodu ku kružnici bude aj bod bodom kružnice .
- Teraz uvažujme o dotykových bodoch na dotyčniciach z bodu ku kružnici .
- Mocnosť bodov ku kružnici
- Z toho vyplýva, že body sú samodružné v kruhovej inverzii .
- Priamky sú dotyčnice ku kružnici . Odkiaľ .
- Kružnica je kolmá na kružnicu . Tým je dôkaz lemy ukončený.
Otvorte si applet v programe GeoGebra - dôkaz Tu. Pozrite si tiež prácu [HYP].
V dôsledku lemy a predchádzajúcich častí dôkazu môžeme vysloviť tvrdenie.
Poincarè diskový model (tiež sa používa označenie
Poincarè Disc) hyperbolickej roviny je prezentovaný v euklidovskej rovine ako
otvorený kruh
. Euklidovskú geometriu roviny môžeme považovať za „ontológiu pozadia“.
V predchádzajúcej časti sme uviedli, že tento otvorený kruh je stredovým priemetom dvojdielneho hyperboloidu. Uviedli sme tvrdenie, že v Poincarè diskovom modeli pre hyperbolické body a hyperbolické priamky platí:
V predchádzajúcej časti sme uviedli, že tento otvorený kruh je stredovým priemetom dvojdielneho hyperboloidu. Uviedli sme tvrdenie, že v Poincarè diskovom modeli pre hyperbolické body a hyperbolické priamky platí:
- vlastný bod je vnútorný bod kruhu, ktorý je priemetom vlastného h-bodu hyperboloidu;
- koncový bod (resp. nevlastný bod) ležiaci na hranici kruhu, ktorý je priemetom nevlastného bodu 1. druhu;
- priamka je otvorený kružnicový oblúk kruhu - je priemetom h-priamky (hyperboly), pričom tento oblúk leží na kružnici kolmej na hranicu kruhu
Pri zostrojovaní hyperbolickej priamky určenej dvoma bodmi kruhu s výhodou využijeme vlastnosti kruhovej inverzie a konštrukcie popísané v predchádzajúcom dôkaze.
Poznámky
- V ďalšej podkapitole navrhneme v prostredí GeoGebra konštrukciu a zároveň aj nástroj na zostrojenie hyperbolickej priamky určenej dvoma rôznymi bodmi v Poincarè modeli disku. V konštrukcii využijeme inverzné body.
- Pri riešení konštrukčných úloh v Poincarè modeli potrebujeme okrem konštrukcie hyperbolickej priamky potrebovať aj konštrukciu kružnice a ďalších základných euklidovských konštrukcií (kolmica, os úsečky a pod).
Nástroj hPriamka
Poznámky.
- Konštrukcie v Poincarè Disku si uľahčíme, ak v GeoGebre vytvoríme vlastné nástroje, ktorými sa "vykreslí" resp. zostrojí požadovaný útvar.
- Vychádzame z tvrdenia, že h-priamka sa zobrazí do kružnicového oblúku, ktorý leží na kružnici kolmej k Poincarè disku.
- Najskôr musíme popísať konštrukciu, ktorá vytvorí požadovaný kolmý oblúk (obraz h-priamky).
- Potom pomocou makier vytvoríme nástroj, pomocou ktorého sa zostrojí požadovaný kolmý oblúk.
Príklad (Vytvorenie nástroja).
Daný je kruh a body ležiace vnútri kruhu, pričom úsečka nie je priemerom. Zostrojte obraz hyperbolickej h-priamky určenej bodmi v prostredí GeoGebra.
Daný je kruh a body ležiace vnútri kruhu, pričom úsečka nie je priemerom. Zostrojte obraz hyperbolickej h-priamky určenej bodmi v prostredí GeoGebra.
Riešenie - zostrojenie kružnicového oblúka v Euklidovskej rovine
Predpokladajme, že aspoň jeden z bodov je vnútorný bod kruhu a je rôzny od stredu . Podľa už dokázaného tvrdenie je hľadaná h-priamka kružnicový oblúk, ktorý je určený bodmi a zároveň leží na kružnici kolmej ku kruhu . Pozrite si nasledujúci obrázok.
Postup euklidovskej konštrukcie.
Postup na vytvorenie nástroja "hPriamka" v GeoGebre, pomocou ktorého sa narysuje obraz hyperbolickej priamky v Poincarè modeli.
Predpokladajme, že aspoň jeden z bodov je vnútorný bod kruhu a je rôzny od stredu . Podľa už dokázaného tvrdenie je hľadaná h-priamka kružnicový oblúk, ktorý je určený bodmi a zároveň leží na kružnici kolmej ku kruhu . Pozrite si nasledujúci obrázok.
Postup euklidovskej konštrukcie.
- V kruhovej inverzii zostrojíme obrazy bodov .
- Zostrojíme kružnicu určenú bodmi alebo bodmi . Nájdeme priesečníky .
- Na kružnici vyznačíme menší z oblúkov, ktoré sú určené krajnými bodmi .
- Menší oblúk je hľadaný obraz hyperbolickej priamky . Túto konštrukciu si otvoríte Tu.
- úsečka je priemerom kružnice - v konštrukcii tento prípad má názov "Diameter"
- obidva body ležia na kružnici ale nie sú priemerom - v konštrukcii tento prípad má názov "Nevlastne", nájdete v nami vytvorenom applete Tu.
Postup na vytvorenie nástroja "hPriamka" v GeoGebre, pomocou ktorého sa narysuje obraz hyperbolickej priamky v Poincarè modeli.
- Spustite program GeoGebra a otvorte si súbor uložený s názvom "h-Priamka".
- V základnom Menu programu GeoGebra vyberte možnosť "Vytvoriť nový nástroj".
- Postupujte podľa pokynov pre vytvorenie nástroja:
- ako výstupné objekty vyberte oblúk "hPriamka" (otvorte si aj algebraické okno)
- ako vstupné objekty vyberte body:
- vhodne pomenujte nástroj, napr. "hPriamka", vyberte predtým vytvorený obrázok pre ikonu
- v nápovedi uveďte napr. "Ukáž dva body a potom klikni na kružnicu"
- zaškrtnite políčko "Ukázať na palete nástrojov" (nie je nutné).
- Ak už vidíte novú ikonku nástroja hPriamka, tak v tejto konštrukcii kliknite v stĺpci Súbor na Nový.
- Nákresňa je "čistá" ale ikonka hPriamka je tam (ak nie, tak Prispôsobte paletu nástrojov) . Teraz si vytvorte kružnicu a vhodne zväčšite plochu nárysne. Uložte si tento súbor napr. s názvom Nástroj hPriamka.
Nami novovytvorený nástroj hPriamka v GeoGebre na zostrojenie obrazu h-priamky v modeli
Poincaré Disc s polomerom si môžete otvoriť
Tu (je umiestnený vpravo na lište nástrojov).
Používanie nástroja hPriamka je analogické ako v euklidovskej rovine. Najskôr si zvoľte dva rôzne body vo vnútri kruhu - pomocou nástroja Bod. Potom aktivujte nástroj hPriamka a program vykreslí kružnicový oblúk, ktorý je priemetom h-priamky (hyperboly).
Používanie nástroja hPriamka je analogické ako v euklidovskej rovine. Najskôr si zvoľte dva rôzne body vo vnútri kruhu - pomocou nástroja Bod. Potom aktivujte nástroj hPriamka a program vykreslí kružnicový oblúk, ktorý je priemetom h-priamky (hyperboly).
Cvičenie.
Vytvorte Nástroj/Ikonu v GeoGebre, pomocou ktorého sa vykreslí obraz hyperbolickej úsečky (časti hyperboly) v modeli Poincarè Disku.
Využite kompletnú konštrukciu hPriamky.
Pokračujte v tejto konštrukcii krokmi:
Vytvorte Nástroj/Ikonu v GeoGebre, pomocou ktorého sa vykreslí obraz hyperbolickej úsečky (časti hyperboly) v modeli Poincarè Disku.
Využite kompletnú konštrukciu hPriamky.
Pokračujte v tejto konštrukcii krokmi:
- zostrojte stred oblúka "hPriamka", ktorý označte napr.
- potom zostrojte oblúk s názvom "hUsecka" určený stredom a krajnými bodmi a
- následne vytvorte GeoGebra nástroj s rovnakým názvom "hUsecka".
Nástroj hKružnica
Nech sú dané dva rôzne body a na hyperboloide.
- Uvažujme o kružnici , ktorej všetky body sú bodmi hyperboloidu. Symbolicky: .
- Nech bod je stredovo súmerný k bodu podľa stredu , potom bod je tiež bodom kružnice a zároveň bodom hyperboloidu.
- Nech je určená bodmi a bodom StredPremietania. Táto rovina pretína daný dvojdielny hyperboloid v hyperbole (v applete červená krivka).
- Zostrojme dotyčnice k tejto hyperbole v bodoch a ich priesečník .
- Potom platí nasledujúce tvrdenie, ktoré uvádzame bez dôkazu. K dôkazu sú potrebné širšie znalosti stredového premietania kužeľosečiek.
Poznámka.
Na základe tohto tvrdenia môžeme uskutočniť konštrukciu, pomocou ktorej zostrojíme kružnicu v Poincaré disku určenú stredom a bodom a na základe tejto konštrukcie aj nástroj v GeoGebre pomocou, ktorého narysujeme kružnicu v modeli Poincaré Disc.
Na základe tohto tvrdenia môžeme uskutočniť konštrukciu, pomocou ktorej zostrojíme kružnicu v Poincaré disku určenú stredom a bodom a na základe tejto konštrukcie aj nástroj v GeoGebre pomocou, ktorého narysujeme kružnicu v modeli Poincaré Disc.
Poznámka.
Teraz už máme tri základné (euklidovské) nástroje: hPriamku hUsecku a hKružnicu v Geogebre.
Teraz už máme tri základné (euklidovské) nástroje: hPriamku hUsecku a hKružnicu v Geogebre.
Poincare disk
Základné "hyperbolické" konštrukcie v Poincarè Disku , ktoré sú zovšeobecnením euklidovských konštrukcií, sú prezentované formou riešených úloh. Pri riešení úloh z z neeuklidovskej geometrie je vhodné, aby ste si najskôr stiahli applet "Poincaré Disk" vytvorený v prostredí GeoGebra. Pomocou tohto appletu vieme zostrojiť hyperbolickú úsečku a priamku; kružnicu určenú stredom a bodom resp. polomerom; vieme určiť vzdialenosť dvoch bodov.
Poincaré Disk si môžete stiahnuť Tu
Poincaré Disk si môžete stiahnuť Tu
Riešené úlohy z neeuklidovskej geometrie.
- Zostrojte rovnostranný trojuholník pomocou hyperbolických kružníc (pozrite si Euklidovo tvrdenie T/I).
Riešenie Tu. - Zostrojte hyperbolickú priamku , ktorá je osou úsečky , kde .
Návod:- Využitím Euklidovho tvrdenia T/I zostrojte hyperbolické rovnostranné trojuholník , kde je súmerný bod podľa priamky .
- V trojuholníku zostrojte os prechádzajúcu vrcholmi .
- Využite Euklidove tvrdenia T/IX a T/X.
- Riešenie Tu.
- Zostrojte hyperbolickú kolmicu na hyperbolickú priamku , ktorá prechádza bodom . Pomocou dotyčníc k hPriamkam ukážte, že uhly pri päte kolmice sú pravé. Návod: Využite Euklidove tvrdenia T/XI a T/XII.
- Zostrojte hyperbolickú rovnobežku k hyperbolickej priamke , ktorá prechádza bodom . Využite vlastnosť striedavých uhlov.
Poznámka.
Euklidove tvrdenia využívané v tejto časti platia aj v hyperbolickej geometrii, keďže sú nezávislé na piatom Euklidovom postuláte.
Euklidove tvrdenia využívané v tejto časti platia aj v hyperbolickej geometrii, keďže sú nezávislé na piatom Euklidovom postuláte.
Cvičenie I
Cvičenie.
- Dokážte, že
- Existuje práve jedna os uhla. Kniha I, Tvrdenie IX.
- Každá nenulová úsečka má práve jeden stred, a ten je jej vnútorným bodom. Kniha I, Tvrdenie X. Pozrite si os úsečky Tu
- Riešte úlohy (napr. č. 3, 11 a 12 ) zo zbierky " Základné euklidovské konštrukcie" Tu. Pokúste sa o riešenie aj ďalších úloh.
- Nech v rovnoramennom trojuholníku platí, že uhol pri základni trojuholníka je dvojnásobkom uhla pri vrchole .
Overte, že dĺžka ramena a dĺžka základne sú v zlatom pomere. Pozrite Euklidove Základy Kniha II,
Tvrdenie XI a otvorte applet
Tu.
Pomoc pri riešení úlohy: Do trojuholníka vpíšte trojuholník s ním podobný
otvorte applet Tu
a aplikujte Euklidovo tvrdenie Kniha 1., T/IV a T/V. Viac o zlatom pomere nájdete v prezentácii Tu. - Ukážte, že uhlopriečky obdĺžnika sú zhodné a že sa navzájom rozpoľujú. (Vytvorte applet, ktorý bude interpretovať túto vlastnosť.)
- Pomocou tvrdenia "Uhlopriečky obdĺžnika sú ..." ukážte:
Ak je pravouhlý s pravým uhlom pri vrchole , potom všetky jeho vrcholy ležia na kružnici, ktorej priemerom je strana . - Ukážte, že platí:
.
Uvedomte si, že pre polohu bodu vzhľadom na máme možnosti: . - Uveďte definíciu opačnej polroviny. (Pozrite si prácu: Monoszová, G.: Planimetria.)
- Dané sú tri nekolineárne body . Určte množinu (šrafovaním)
- Zostrojte rovnoramenný trojuholník so základňou pomocou dvoch zhodných hyperbolických kružníc (kružnice s rovnakým polomerom). Pomocou dotyčníc k hPriamkam a k hPriamkam určte veľkosti uhlov pri základni a presvedčte sa, že majú rovnakú veľkosť. Riešenie Tu.
- Nájdite stred kružnice(pozrite si Euklidovo tvrdenie: Kniha III, T/I). Riešenie Tu.
- Zostrojte hyperbolickú kolmicu na hyperbolickú priamku , ktorá neprechádza bodom .
- Zostrojte kružnicu vpísanú (resp. opísanú) do trojuholníka (pozrite si Euklidovo tvrdenie: Kniha IV, T/IV (resp. T/V)).
Základné hyperbolické konštrukcie v Poincare Disku .
Poznámky.
- Pri dokazovaní prípadov 1a, 1b najskôr ukážte existenciu daného útvaru a potom jeho jednoznačnosť.
- Cvičenie 2. Ukážte, že základňa trojuholníka je stranou pravidelného päťuholníka vpísaného do kružnice a rameno trojuholníka je jeho uhlopriečkou.
- Kolmé kružnice. Základ Tu. Kompletná konštrukcia Tu. GeoGebra s nástrojom "Kolmá kružnica" je Tu.
Geometria trojuholníka
Definícia (trojuholník v Hibertovom axiomatickom systéme).
Nech sú dané nekolineárne body. Pod trojuholníkom rozumieme prienik polrovín.
Nech sú dané nekolineárne body. Pod trojuholníkom rozumieme prienik polrovín.
Otvorte si applet Tu.
Základné pojmy.
Applet Tu.
- Body sú jeho vrcholy.
- Jednotlivé úsečky sú strany .
- Vrcholy a strany tvoria spolu hranicu trojuholníka .
- Body, ktoré sú zároveň vnútornými bodmi polrovín sú vnútorné body alebo vnútro .
- Body, ktoré neležia ani na hranici ani vnútri , sú vonkajšie body alebo vonkajšok .
Applet Tu.
Poznámky.
Za základné vety (vlastnosti) trojuholníka považujeme nasledujúce dve vety:
- Veta o súčte vnútorných uhlov v trojuholníku.
- Trojuholníkovú nerovnosť.
Veta (Súčet vnútorných uhlov).
Súčet všetkých vnútorných uhlov v trojuholníku je priamy uhol (veľkosť je rovná 180°).
Súčet všetkých vnútorných uhlov v trojuholníku je priamy uhol (veľkosť je rovná 180°).
Euklides pri dôkaze tejto vety sa opiera o tvrdenia (pozrite si podkapitolu Vety o trojuholníku)
- T/XXIX - "Priamka pretínajúca rovnobežky vytvára striedavé zhodné uhly a vonkajší uhol sa rovná opačnému vnútornému uhlu a súčet vnútorných uhlov na tej istej strane sa rovná dvom pravým uhlom."
- T/XXXI - "Daným bodom je možné zostrojiť priamku rovnobežnú s danou priamkou"
Interpretácia - existuje mnoho appletov, ktoré interpretujú vetu o súčte vnútorných uhlov. Aktivujte si dva, v ktorých:
Euklidov dôkaz - applet Tu.
Kategorizácia trojuholníkov
Trojuholníky môžeme rozčleniť podľa viacerých kritérií, napríklad podľa:
- dĺžky jeho strán
- veľkosti najväčšieho vnútorného uhla.
Vzhľadom na dĺžky (veľkosti) strán v danom trojuholníku rozdeľujeme trojuholníky do troch skupín
- Rovnostranný trojuholník - všetky strany trojuholníka majú rovnakú dĺžku (sú navzájom zhodné).
- Rovnoramenný trojuholník - práve (len) dve strany rovnakej dĺžky (sú navzájom zhodné).
- Rôznostranný trojuholník - všetky strany majú rozličnú dĺžku (žiadne dve strany trojuholníka nie sú zhodné).
Poznámka
Zdôvodnenie, že neexistuje viac druhov trojuholníkov vyplýva z dichotomického hľadiska. Pre tri veľkosti strán (resp. pre tri čísla: môžu nastať len prípady:
1. , 2. , 3.
Zdôvodnenie, že neexistuje viac druhov trojuholníkov vyplýva z dichotomického hľadiska. Pre tri veľkosti strán (resp. pre tri čísla: môžu nastať len prípady:
1. , 2. , 3.
Vzhľadom na veľkosti veľkosti najväčšieho vnútorného uhla rozdeľujeme trojuholníky do troch skupín
- Ostrouhlý trojuholník – má všetky vnútorné uhly menšie ako 90° (tri ostré uhly).
- Pravouhlý trojuholník – má práve jeden vnútorný uhol s veľkosťou 90° (jeden pravý uhol).
- Tupouhlý trojuholník – má práve jeden vnútorný uhol väčší ako 90° (tupý uhol) a ostatné uhly má ostré.
V priloženom applete "Rozdelenie trojuholníkov" môžete generovať rôzne typy trojuholníkov tak, že budete pohybovať vrcholmi trojuholníka. Vytvorte rôzne typy trojuholníkov, ktoré sú charakterizované veľkosťou strán a veľkosťou uhlov. Nájdite napríklad takú polohu vrcholov trojuholníka, aby bol pravouhlý a súčasne rovnoramenný (ak taký existuje). Pokúste sa zodpovedať otázku: Koľko rôznych typov trojuholníkov reálne vznikne?
Applet otvoríte Tu.
Applet otvoríte Tu.
Úloha.
Nájdite dĺžku strany rovnostranného trojuholníka, ktorého vrcholy majú od nejakého vnútorného bodu vzdialenosti 5, 7, 8. Práca [LAR] (Larson, Príklad 8.1.16, Tu)
Nájdite dĺžku strany rovnostranného trojuholníka, ktorého vrcholy majú od nejakého vnútorného bodu vzdialenosti 5, 7, 8. Práca [LAR] (Larson, Príklad 8.1.16, Tu)
Riešenie.
Vybrané vety o trojuholníkoch
Definícia (Deliaci pomer).
Nech sú tri kolineárne body také, že . Deliaci pomer bodu vzhľadom k bodom rozumieme reálne číslo (označenie ), pre ktoré platí
.
Pre bod je a pre bod je . Pre je zrejme .
Nech sú tri kolineárne body také, že . Deliaci pomer bodu vzhľadom k bodom rozumieme reálne číslo (označenie ), pre ktoré platí
.
Pre bod je a pre bod je . Pre je zrejme .
Poznámky.
- V niektorej literatúre sa pod deliacim pomerom troch rôznych kolineárnych bodov rozumie reálne číslo , pre ktoré platí:
.
Takúto definíciu používa aj GeoGebra. - Deliaci pomer stredu úsečky je rovný -1. Dokážte to.
- Pre tri rôzne kolineárne body platí:
.
Dokážte to. - V rovine sú dané dva pevne body . Množina všetkých bodov tejto roviny, pre ktoré platí
,
kde je reálna konštanta, je kružnica. Dokážte to a vytvorte konštrukciu v GeoGebre.
Cevova veta.
V trojuholníku sa priamky , kde je vnútorným bodom trojuholníka a sú body ležiace na stranách odpovedajúcim protiľahlým vrcholom trojuholníka, pretínajú v jednom bode práve vtedy, ak platí:
V trojuholníku sa priamky , kde je vnútorným bodom trojuholníka a sú body ležiace na stranách odpovedajúcim protiľahlým vrcholom trojuholníka, pretínajú v jednom bode práve vtedy, ak platí:
Giovanni Ceva bol taliansky matematik žijúci na prelome 17. a 18. storočia. Cevova veta stanovuje podmienku, kedy majú tri priamky prochádzajúce vrcholmi trojuholníka spoločný bod. Uvedieme jej prvú časť dôkazu, ktorý má konštrukčný charakter.
Dôkaz.
1. (): Ak sa priamky pretínajú v jednom bode, tak .
2. (): Ak , tak sa priamky pretínajú v jednom bode.
Pri dôkaze tejto implikácie sa vychádza z priesečníka dvoch priamok. Potom sa zostrojí priamka prechádzajúca týmto priesečníkom a tretím vrcholom. Následne sa dokáže, že táto priamka pretína protiľahlú stranu v bode, ktorý spĺňa podmienky vo vete. V dôkaze sa používajú tie isté podobnosti trojuholníkov ako v prvej časti dôkazu. Podrobnejší dôkaz nájdete v práci [Val, 2005].
Dôkaz.
1. (): Ak sa priamky pretínajú v jednom bode, tak .
2. (): Ak , tak sa priamky pretínajú v jednom bode.
Pri dôkaze tejto implikácie sa vychádza z priesečníka dvoch priamok. Potom sa zostrojí priamka prechádzajúca týmto priesečníkom a tretím vrcholom. Následne sa dokáže, že táto priamka pretína protiľahlú stranu v bode, ktorý spĺňa podmienky vo vete. V dôkaze sa používajú tie isté podobnosti trojuholníkov ako v prvej časti dôkazu. Podrobnejší dôkaz nájdete v práci [Val, 2005].
Poznámky.
Aplikovaním Cévovej vety dokážte, že v ľubovoľnom trojuholníku sa:
Aplikovaním Cévovej vety dokážte, že v ľubovoľnom trojuholníku sa:
- Ťažnice sa pretínajú v jednom bode - ťažisku. (Využite skutočnosť, že ťažnice prechádzajú stredmi strán a každý z pomerov v Cévovej vete má tvar .)
- Výšky pretínajú v jednom bode - ortocentre. (Využite skutočnosť, že napr. , ak je výška.)
- Osi vnútorných uhlov trojuholníka sa pretínajú v jednom bode - stred vpísanej kružnice. (Využite skutočnosť, že os vnútorného uhla rozdeľuje protiľahlú stranu na dve časti, ktorých dĺžky sú v rovnakom pomere ako im priľahlé strany trojuholníka.)
- Neskôr tieto tvrdenia dokážeme euklidovskou metódou.
Morleyho veta.
Ak v trojuholníku zostrojíme polpriamky, rozdeľujúce jeho vnútorné uhly na tretinové veľkosti, odpovedajúce si polpriamky sa pretínajú vo vrcholoch rovnostranného trojuholníka .
Ak v trojuholníku zostrojíme polpriamky, rozdeľujúce jeho vnútorné uhly na tretinové veľkosti, odpovedajúce si polpriamky sa pretínajú vo vrcholoch rovnostranného trojuholníka .
Morleyho veta predstavuje jednu z najprekvapujúcejších vlastností elementárnej geometrie, ktorú v roku 1899 objavil a dokázal anglo-americký matematik Frank Morley (1860-1937). Niektorí matematici nazývajú túto vetu aj ako Morleyov zázrak.
Poznámky.
- V 2. kroku dôkazu zhodnosť vyplýva z vety (uhly pri vrchole ... os uhla, pri vrchole majú veľkosť , strana spoločná).
- V 5. kroku dôkazu je potrebné ukázať, že trojuholník je rovnoramenný (uhly pri základni sú zhodné):
- Morleyova veta sa dá dokázať trigonometricky pomocou sínusovej a kosínusovej vety a vzorcov pre sčítanie uhlov.
Ťažisko trojuholníka
Definícia (Ťažnica trojuholníka).
Nech je daný trojuholník a nech je stred strany . Úsečka sa nazýva ťažnica trojuholníka .
Nech je daný trojuholník a nech je stred strany . Úsečka sa nazýva ťažnica trojuholníka .
V ďalších podkapitolách tejto sekcie dokážeme vlastnosti o ťažniciach trojuholníka.
Applet Tu.
- Ťažnice sa pretínajú v jednom bode . Tento bod sa nazýva ťažisko trojuholníka.
- Každá ťažnica je ťažiskom rozdelená na dve časti v pomere .
Applet Tu.
Poznámky.
- Ťažnice trojuholníka budeme označovať .
- Krajný bod ťažnice označujeme resp. používa sa označenie: - stred strany alebo - stred strany .
- Vlastnosť, že ťažisko rozdeľuje každú ťažnicu v pomere sa na ZŠ robí meraním, na stredných školách sa už dokazuje táto vlastnosť.
- V príprave budúcich učiteľov matematiky sa prezentuje viacero dôkazov. Napríklad ako dôsledok Cevovej vety alebo pomocou osovej afinity transformujeme trojuholník na rovnostranný. Tiež sa využíva aj vhodná rovnoľahlosť .
Pri hľadaní ťažiska trojuholníka sa sústredíme na skúmanie vlastností priečok rovnobežných s danou stranou trojuholníka.
Experiment.
Vytvorme v GeoGebre model trojuholníka rozdeleného na veľmi tenké pásiky, ktoré budú rovnobežné so stranou .
Vytvorme v GeoGebre model trojuholníka rozdeleného na veľmi tenké pásiky, ktoré budú rovnobežné so stranou .
- Zrejme ťažisko každého tenkého pásika bude ležať v jeho "strede"
- Pásiky budeme postupne zužovať, až dostaneme rovnobežné úsečky so stranou
- Pri posúvaní rovnobežnej úsečky pomocou bodu sa bude zaznamenávať stopa jej stredu
- Stopa ako množina všetkých stredov je zrejme úsečka , kde je stred strany
- Ťažnica trojuholníka je množina všetkých stredov priečok
- Učiteľ nabáda žiakov, aby sformulovali otázky súvisiace s ťažnicami trojuholníka. Uvádzame niekoľko vhodných otázok:
Pokračujeme v ďalšom experimente a hľadajme odpovede na otázky:
Experimenty sú spracované podľa práce: [LUK] Lukáč, S.: Bádateľský prístup k výučbe trojuholníkov.(Dostupné Tu).
Experimenty sú spracované podľa práce: [LUK] Lukáč, S.: Bádateľský prístup k výučbe trojuholníkov.(Dostupné Tu).
Veta.
Ťažnice trojuholíka sa pretínajú v jedinom bode T, ktoré nazývame ťažisko.
Ťažnice trojuholíka sa pretínajú v jedinom bode T, ktoré nazývame ťažisko.
Konštrukčný dôkaz.
Otvorte si konštrukciu Tu.
Otvorte si konštrukciu Tu.
- Vyberieme (zvolíme si) dve ťažnice
- Zostrojíme rovnobežky s týmito ťažnicami v bodoch . Ich jednoznačnú existenciu zaručuje V. Euklidov postulát.
- Zostrojíme priesečník týchto rovnobežiek. Vznikne rovnobežník, v ktorom uhlopriečky sa rozpoľujú.
- V trojuholníku je stredná, odkiaľ dostávame je stred .
- Podobne pre trojuholník je stredná priečka trojuholníka.
- Z bodov 4 a 5 vyplýva, že priesečník je stred strany. Teda , čo bolo treba dokázať.
Urobte dôkaz pomocou Cevovej vety aj pomocou afinity. Pozrite si dôkaz od Martina Vinklera Tu.
Rozbor úlohy.
- V trojuholníku poznáme dĺžky všetkých strán
- Môžeme zostrojiť trojuholník pomocou vety
- Predĺžením strany zostrojíme bod
- urobte konštrukciu trojuholníka podľa vyššie uvedeného rozboru (náš návrh Tu),
- urobte diskusiu o počte riešení.
Výška a stredná priečka
Definícia.
Kolmica zostrojená z vrcholu trojuholníka na priamku, na ktorej leží protiľahlá strana trojuholníka, sa nazýva výška trojuholníka.
Kolmica zostrojená z vrcholu trojuholníka na priamku, na ktorej leží protiľahlá strana trojuholníka, sa nazýva výška trojuholníka.
Výšky trojuholníka budeme označovať .
- Výšky sa pretínajú v jednom bode .
- Tento bod sa nazýva priesečník výšok alebo ortocentrum, stiahnite si applet Tu
Úloha.
Zostrojte trojuholník, ak je daná výška , uhol a uhol .
Zostrojte trojuholník, ak je daná výška , uhol a uhol .
- Urobte rozbor tejto úlohy a porovnajte s návrhom v priloženom applete →.
- V priloženom applete deaktivujte Začiarkavacie políčko a navrhnite postup konštrukcie.
- Urobte symbolický zápis konštrukčných krokov v geometrickom okne 2, pozrite si náš návrh Tu →.
- Preveďte dôkaz správnosti konštrukcie a urobte diskusiu.
Albert Einstein
→ (Obrázok je prevzatý z Wikipédie)
Keď som mal dvanásť rokov, zažil som zázrak iného druhu vďaka knižočke1) o Euklidovej geometrii roviny, ktorá sa mi dostala na začiatku školského roku do rúk.
- Boli to poučky, ako napríklad, že tri výšky v trojuholníku sa pretínajú v jednom bode.
- Hoci to nie je v nijakom prípade evidentné, predsa sa to dalo dokázať s takou istotou, že pochybnosť sa zdala byť vylúčená.
- Táto jasnosť a istota spravili na mňa neopísateľný dojem.
Veta (Ortocentrum trojuholníka).
Výšky v trojuholníku sa pretínajú v jednom bode.
Výšky v trojuholníku sa pretínajú v jednom bode.
Dôkaz, ktorý nadchol Einsteina.
Applet otvoríte Tu.
Vyššie uvedený dôkaz sa opiera o dve základné tvrdenia:
- V rovnobežníku protiľahlé strany majú rovnakú veľkosť. Pozrite si Euclid's Elements, Book I, Proposition 34.
- Priamka prechádzajúca stredom kruhu a stredom tetivy je kolmá na túto tetivu a rozpoľuje túto tetivu. Pozrite si Euclid's Elements, , Book III, Proposition 3. Toto tvrdenie bolo pravdepodobne známe už Thálesovi.
Veta.
Dôsledok.
- Stredná priečka trojuholníka je rovnobežná so stranou trojuholníka.
- Jej veľkosť sa rovná polovici veľkosti strany, s ktorou je rovnobežná.
Trojuholníkové centrum
Definícia.
Bod trojuholníka, ktorý je invariantný vzhľadom na rovnoľahlosť, sa nazýva trojuholníkové centrum (triangle Center).
Bod trojuholníka, ktorý je invariantný vzhľadom na rovnoľahlosť, sa nazýva trojuholníkové centrum (triangle Center).
Najznámejšie sú napríklad
Menej známe ale často využívané v konštrukciách sú Eulerova priamka a Feurbachova kružnica deviatich bodov.
Definícia (Eulerova priamka).
V ľubovoľnom trojuholníku, s výnimkou rovnostranného, ležia ortocentrum , ťažisko a stred opísanej kružnice S na jednej priamke, ktorú nazývame Eulerova priamka. Pre ich vzdialenosti platí . V rovnostrannom trojuholníku body splývajú.
V ľubovoľnom trojuholníku, s výnimkou rovnostranného, ležia ortocentrum , ťažisko a stred opísanej kružnice S na jednej priamke, ktorú nazývame Eulerova priamka. Pre ich vzdialenosti platí . V rovnostrannom trojuholníku body splývajú.
Konštrukciu si otvoríte Tu.
Pozrite si dôkaz od Martina Vinklera, prípadne navrhnite iný dôkaz s využitím rovnoľahlosti Tu.
Definícia (Feuerbachova kružnica).
Nech je všeobecný trojuholník, nech sú päty jeho výšok, nech sú stredy jeho strán, nech je priesečník výšok a nech sú postupne stredy úsečiek . Potom bodov leží na jednej kružnici, ktorú nazývame Feuerbachova kružnica. Pozrite si konštrukčný dôkaz Tu.
Nech je všeobecný trojuholník, nech sú päty jeho výšok, nech sú stredy jeho strán, nech je priesečník výšok a nech sú postupne stredy úsečiek . Potom bodov leží na jednej kružnici, ktorú nazývame Feuerbachova kružnica. Pozrite si konštrukčný dôkaz Tu.
Definícia.
Kružnica, ktorá prechádza všetkými troma vrcholmi trojuholníka sa nazýva kružnica opísaná trojuholníku.
Kružnica, ktorá prechádza všetkými troma vrcholmi trojuholníka sa nazýva kružnica opísaná trojuholníku.
Konštrukčne pri hľadaní stredu opísanej kružnice postupujme takto:
- Zvolíme si ľubovoľné dve strany trojuholníka a zostrojíme ich osi .
- Priesečník týchto osí je stred kružnice opísanej trojuholníku .
- Zároveň je nutné dokázať, že os tretej strany trojuholníka prechádza vždy týmto priesečníkom.
(dôkaz už poznal Tháles) . - Z tejto konštrukcie vyplýva aj tvrdenie, že každému trojuholníku možno opísať práve jednu kružnicu.
- Kde leží stred kružnice opísanej u pravouhlých trojuholníkov?
Dôkaz uvádza Euklides v Knihe 1, Tvrdenie X., pozri kapitolu "Euklidovské konštrukcie".
Definícia.
-
Kružnica opísaná pravouhlému trojuholníku sa nazýva Tálesova kružnica.
Vlastnosti kružnice opísanej trojuholníku.
- Veľkosť polomeru opísanej kružnice určuje vzťah
- Spojnica stredu opísanej kružnice a vrcholu trojuholníka je kolmá k strane jeho ortického trojuholníka (tzv. Nagelova veta →).
- Kružnica deviatich bodov je rovnoľahlým obrazom opísanej kružnice so stredom rovnoľahlosti v ťažisku trojuholníka a koeficientom .
Definícia.
Ak z ľubovoľného bodu opísanej kružnice zostrojíme kolmice k jednotlivým stranám trojuholníka, tak päty týchto kolmíc budú ležať na jednej priamke. Túto priamku nazývame Simsonova priamka. Ak bod spojíme s ortocentrom (priesečník výšok trojuholníka), tak Simsonova priamka prechádza stredom tejto úsečky.
Ak z ľubovoľného bodu opísanej kružnice zostrojíme kolmice k jednotlivým stranám trojuholníka, tak päty týchto kolmíc budú ležať na jednej priamke. Túto priamku nazývame Simsonova priamka. Ak bod spojíme s ortocentrom (priesečník výšok trojuholníka), tak Simsonova priamka prechádza stredom tejto úsečky.
Dynamický obrázok otvoríte Tu.
Definícia.
Kružnica, ktorá sa dotýka všetkých strán daného trojuholníka sa nazýva vpísaná kružnica.
Vlastnosti
Definícia.
Kružnica, ktorá sa zvonka dotýka strany trojuholníka a dvoch priamok, ktoré sú predĺžením zvyšných strán trojuholníka sa nazýva
kružnica pripísaná trojuholníku.
Vlastnosti
Veta (Veta o osi vnútorného uhla).
V každom trojuholníku platí, že os vnútorného uhla delí protiľahlú stranu v rovnakom pomere, ako je pomer dĺžok príslušných priľahlých strán.
Applet a dôkaz tejto vety je prevzatý od Martina Vinklera, applet otvoríte Tu.
Cvičenie.
- Vyhľadajte v Euklidových Základoch tvrdenia - Kniha I. T/34 a Kniha III, T/3.
- Vyhľadajte v literatúre iné dôkazy vety o ortocentre trojuholníka.
Pytagorova a Euklidove vety
Veta (Pytagorova veta).
V každom pravouhlom trojuholníku , v ktorom prepona má veľkosť a odvesny majú veľkosti platí .
V každom pravouhlom trojuholníku , v ktorom prepona má veľkosť a odvesny majú veľkosti platí .
Slovná formulácia Pytagorovej vety:
Obsah štvorca zostrojeného nad preponou pravouhlého trojuholníka je rovný súčtu obsahov štvorcov zostrojených nad jeho odvesnami.
Animáciu spustíte Tu.
Pytagorova veta je pomenovaná podľa starogréckeho matematika Pytagora, ktorý ju odvodil v 6. storočí pred Kr.
Obsah štvorca zostrojeného nad preponou pravouhlého trojuholníka je rovný súčtu obsahov štvorcov zostrojených nad jeho odvesnami.
Animáciu spustíte Tu.
Pytagorova veta je pomenovaná podľa starogréckeho matematika Pytagora, ktorý ju odvodil v 6. storočí pred Kr.
- Dôkazov Pytagorovej vety existuje veľmi veľa, viac ako 300, pozri na GeoGebre Tu.
- Vyhľadajte pôvodný Euklidov dôkaz v Knihe I, tvrdenie T/XLVII)
- Pozrite si dôkaz Pytagorovej vety v programe GeoGebra, ktorý vychádza z Euklidovho dôkazu. Otvorte si applet Tu.
- Iné dôkazy Pytagorovej vety nájdeme na stránke M. Viklera alebo Wikipedia.
- Dôkaz "bez slov" →. Doplňte "slová" pre tento dôkaz - urobte slovné/písomné zdôvodnenie.
Poznámky.
- Pytagorova veta pravdepodobne bola známa aj v iných starovekých civilizáciách, napríklad v Číne, Egypte.
- Starí Egypťania stavali pozoruhodné stavby, pri ktorých potrebovali vytyčovať aj pravé uhly. Robili to takto:
Veta (Obrátená pytagorova veta).
Ak v trojuholníku platí pre dĺžky strán , tak tento trojuholník je pravouhlý s preponou .
Ak v trojuholníku platí pre dĺžky strán , tak tento trojuholník je pravouhlý s preponou .
Príklad.
Dané sú sústredné kružnice . Určte vzťah medzi obsahom medzikružia ohraničeného kružnicami a obsahom kruhu nad tetivou kružnice , ktorá sa dotýka kružnice . Riešenie
Preskúmajte súvislosť tejto úlohy s dôkazom Pytagorovej vety aplikáciou Mamikonovej vety (Wiki odkaz Tu). Otvorte si applet Tu
Dané sú sústredné kružnice . Určte vzťah medzi obsahom medzikružia ohraničeného kružnicami a obsahom kruhu nad tetivou kružnice , ktorá sa dotýka kružnice . Riešenie
Preskúmajte súvislosť tejto úlohy s dôkazom Pytagorovej vety aplikáciou Mamikonovej vety (Wiki odkaz Tu). Otvorte si applet Tu
Pytagorova veta uvedená v Euklidových Základoch: Kniha 1, tvrdenie XLVII).
Veta (Pytagorova veta - znenie uvedené v Základoch).
V pravouhlých trojuholníkoch štvorec na strane oproti pravému uhlu ležiaci je rovný súčtu štvorcov na stranách, ktoré zvierajú pravý uhol.
V pravouhlých trojuholníkoch štvorec na strane oproti pravému uhlu ležiaci je rovný súčtu štvorcov na stranách, ktoré zvierajú pravý uhol.
Text Euklidovho dôkazu je spracovaný podľa českého prekladu od Františka Servíta z roku 1907, je doplnený o
(odkazy) na definície (Def.), axiómy (Post.), tvrdenia (T.) a Koncepcie / Zásady (Kon.)
Dôkaz.
- je pravouhlý trojuholník s pravým uhlom . Hovorím, že štvorec na sa rovná (súčtom) štvorcov na a .
- Nech je narysovaný
- Bodom je vedená rovnobežka k alebo k (T.31) a spojnice (úsečky) a . (Post.1)
- Vzhľadom na to, že každý z uhlov a je pravý, z toho vyplýva, že priamkou a bodom na ňom dve priame línie a , ktoré nie sú ležiace na tej istej strane, spôsobujú, že susedné uhly sa rovnajú dvom pravým uhlom (Def.22)
- Pretože uhol sa rovná uhlu , pretože každý je pravý (Post.4)
- Keďže sa rovná a sa rovná (Def.22),
-
obe strany a sa rovnajú obom stranám a a
uhol sa rovná uhlu , preto základňa sa rovná základni a
trojuholník sa rovná (je zhodný) trojuholníku . (T.4) - Teraz rovnobežník je dvakrát väčší ako trojuholník
, pretože majú rovnakú základňu a
sú medzi tými istými rovnobežkami a (majú spoločnú výšku). (T.41) - A štvorec je dvakrát väčší ako trojuholník
, pretože opäť majú rovnakú základňu a
sú medzi tými istými rovnobežkami a . (T.41) - Preto sa rovnobežník rovná štvorcu . (Kon.2)
- Podobne, ak vedieme spojnice (úsečky) a , rovnobežník sa rovná štvorcu . Preto sa celý štvorec rovná súčtu dvoch štvorcov a . (Kon.2)
-
A štvorec je narysovaný na a štvorce a na
a . Teda štvorec na sa rovná súčtu štvorcov na a .
V dôkaze boli použité tieto zdroje z Euklidových Základov:
- Definícia 22: Zo štvorstranných útvarov je štvorec, ktorý je rovnako rovnostranný a pravouhlý; obdĺžnik, ktorý je pravouhlý, ale nie rovnostranný; kosoštvorec, ktorý je rovnostranný, ale nie pravouhlý; kosodĺžnik, ktorý má opačné strany a uhly rovno navzájom, ale nie je ani rovnostranný, ani pravouhlý. Okrem týchto sú to štvoruholníky, ktoré sa nazývajú lichobežníky (rôznobežníky).
- Postulát 1: Nech je úlohou nakresliť priamku z ktoréhokoľvek bodu do ktoréhokoľvek bodu. Tento prvý postulát hovorí, že vzhľadom na akékoľvek dva body, ako sú A a B, existuje priamka AB, ktorá ich má ako koncové body. (Porovnaj s postulátom 5).
- Postulát 4: To, že všetky pravé uhly sa navzájom rovnajú.
- Tvrdenie 4: Ak dva trojuholníky majú dve strany rovnajúce sa dvom stranám a majú uhly obsiahnuté v rovnakých rovných priamkach rovnaké, potom majú tiež základňu rovnú základni, trojuholník sa rovná trojuholníku a zostávajúce uhly sa rovnajú zostávajúcim uhlom respektíve, a síce oproti rovnakým stranám. Veta o zhodnosti trojuholníkov - sus
- Tvrdenie 14: Ak na priamke a v bode na nej sú dve priamky, ktoré neležia na tej istej strane, sa súčet susedných uhlov rovná dvom pravým uhlom, potom sú tieto dve priamky navzájom k sebe v priamke (tvoria jednu priamku). Tvrdenie 31 Vytvor priamku cez daný bod rovnobežne s danou priamkou.
- Tvrdenie 41: Ak rovnobežník má rovnakú základňu s trojuholníkom a je medzi tými istými rovnobežkami, rovnobežník je dvakrát väčší ako trojuholník.
- Tvrdenie 46: Na danej priamke narysuj štvorec. (Súčasná matematická formulácia tejto vety: Nad danou úsečkou je možné narysovať štvorec.)
- Koncepcia/Zásada 2: Ak sú rovnosti pridané do rovnováhy, potom celky sú rovnaké.
- Koncepcia/Zásada 5: Celok je väčší než časť.
Cvičenie.
Vytvorte si vlastný applet, ktorým budete interpretovať Euklidov dôkaz Pytagorovej vety. Pozrite si náš návrh:
Vytvorte si vlastný applet, ktorým budete interpretovať Euklidov dôkaz Pytagorovej vety. Pozrite si náš návrh:
Applet Tu.
Veta (Euklidova veta o výške).
Obsah štvorca zostrojeného nad výškou pravouhlého trojuholníka sa rovná obsahu obdĺžnika zostrojeného z oboch úsekov prepony.
Obsah štvorca zostrojeného nad výškou pravouhlého trojuholníka sa rovná obsahu obdĺžnika zostrojeného z oboch úsekov prepony.
Dôkaz.
Nech v pravouhlom trojuholníku s pravým uhlom pri vrchole je výška na preponu .
Zrejme platí:
Dynamickú konštrukciu otvoríte Tu.
Z podobnosti trojuholníkov a vyplýva: . Po úprave dostaneme vzťah .
Tým je dôkaz Euklidovej vety o výške ukončený. Dôkaz, ktorý využíva zhodnosť od Vinklera nájdete Tu.
Nech v pravouhlom trojuholníku s pravým uhlom pri vrchole je výška na preponu .
Zrejme platí:
- výška pravouhlého trojuholníka rozdelí trojuholník na ďalšie dva pravouhlé trojuholníky,
- päta výšky rozdelí preponu na dva úseky priľahlé k odvesnám trojuholníka: a ,
- zo vzťahu dostávame ,
- všetky tri vzniknuté trojuholníky sú navzájom podobné: .
Dynamickú konštrukciu otvoríte Tu.
Z podobnosti trojuholníkov a vyplýva: . Po úprave dostaneme vzťah .
Tým je dôkaz Euklidovej vety o výške ukončený. Dôkaz, ktorý využíva zhodnosť od Vinklera nájdete Tu.
Veta (Euklidova veta o odvesne).
Obsah štvorca zostrojeného nad odvesnou pravouhlého trojuholníka sa rovná obsahu obdĺžnika zostrojeného z prepony a priľahlého úseku.
Obsah štvorca zostrojeného nad odvesnou pravouhlého trojuholníka sa rovná obsahu obdĺžnika zostrojeného z prepony a priľahlého úseku.
Dôkaz.
Z podobnosti trojuholníkov a vyplýva: . Po úprave dostaneme vzťah .
Z podobnosti trojuholníkov a odvodíme druhú Euklidovu vetu .
Z podobnosti trojuholníkov a vyplýva: . Po úprave dostaneme vzťah .
Z podobnosti trojuholníkov a odvodíme druhú Euklidovu vetu .
Cvičenie.
Dokážte Pytagorovu vetu pomocou Euklidových viet.
Dokážte Pytagorovu vetu pomocou Euklidových viet.
Zhodnosť a podobnosť trojuholníkov
Význam pojmov Zhodnosť a Podobnosť vo všeobecnosti možno vykladať rôznymi spôsobmi. V geometrii tieto termíny bežne sa používajú v prípadoch, ktoré sa týkajú merania. Prídavné meno zhodné (kongruentné) sa často používa na označenie predmetov, ktoré sa môžu prekrývať, zatiaľ čo podobné je voľnejšia myšlienka, ktorá spája predmety rovnakého charakteru.
- Fráza "zhodné objekty" sa používa na opis útvarov, ktoré za určitých okolností navzájom sa dajú premiestniť tak, aby "sa prekrývali". Charakteristika dvoch zhodných geometrických útvarov sa v matematike opiera o systém axióm. Zhodné útvary majú rovnaké rozmery a možno ich prekrývať, zatiaľ čo podobné útvary sú tie, ktoré sa zdajú byť identické, ale nemožno ich prekrývať. Obe tieto frázy môžu v širších súvislostiach označovať množstvo iných vecí.
- Termín "podobnosť" je odvodené z latinského slova "similis", čo znamená "ako alebo podobné". V matematickej oblasti si podobnosť vyžaduje dva objekty, ktoré majú rovnaký tvar, ale nie nevyhnutne rovnakú veľkosť.
Porovnávacia tabuľka prevzatá z UnAcademy
Zhodný | Podobný | |
---|---|---|
Význam | Vzťahuje sa na postavy alebo čokoľvek iné, čo má rovnakú veľkosť a tvar a môže sa navzájom prekrývať. | Používa sa na opis postáv alebo iných objektov, ktoré majú podobnú veľkosť a tvar, ale nie sú identické z hľadiska rozmerov. |
Presnosť | Geometricky "presné" a prekrývajúce sa útvary/obrazce sú známe ako zhodné útvary. | Slangová fráza pre identické postavy, ktoré majú veľa spoločného, pokiaľ ide o tvar ale nie veľkosť. |
Orientácia | Dokonca aj keď sú umiestnené v opačných orientáciách, zhodné postavy sa navzájom prekrývajú. | Aj keď sú usporiadané v rovnakom smere, podobné objekty sa navzájom neprekrývajú. |
Definícia.
Vety o zhodnosti trojuholníkov
Veta (o zhodnosti trojuholníkoch).
- (sus) Trojuholníky, ktoré sa zhodujú v dvoch stranách a uhle nimi zovretom sú zhodné.
- (sss) Trojuholníky, ktoré sa zhodujú v troch stranách sú zhodné.
- (usu) Ak sa dva trojuholníky zhodujú v jednej strane a v dvoch uhloch priľahlých, tak sú zhodné.
- (Ssu) Ak sa dva trojuholníky zhodujú v dvoch stranách a v uhle oproti väčšej strane, tak sú zhodné.
Poznámka.
Uvedieme len dôkazy prvých dvoch viet tak, ako sú uvedené v Euklidových Základoch. Dôkazy viet (usu) a (Ssu) prenechávame čitateľovi ako cvičenie. Vyhľadajte v Základoch tieto vety a upravte Euklidove dôkazy tak, aby boli v súlade s modernou terminológiou.
Dôkaz.
Uvedieme len dôkazy prvých dvoch viet tak, ako sú uvedené v Euklidových Základoch. Dôkazy viet (usu) a (Ssu) prenechávame čitateľovi ako cvičenie. Vyhľadajte v Základoch tieto vety a upravte Euklidove dôkazy tak, aby boli v súlade s modernou terminológiou.
- Euklidových Základoch je veta sformulovaná ako
Proposition 4 (Euclid's Elements, Book I ).
- Nech sú dva trojuholníky, ktoré majú dve strany rovné dvom stranám . Konkrétne rovná a rovná a uhol je rovný uhlu .
- Hovorím (Euklides), že základňa sa rovná aj základni , trojuholník sa rovná trojuholníku a zostávajúce uhly sa rovnajú zostávajúcim uhlom, respektíve opačne rovnakým stranám. To znamená, že uhol sa rovná uhlu a uhol sa rovná uhlu . Nepriamy dôkaz
- Nech trojuholník je uložený na trojuholníku a ak je bod umiestnený na bode a priamka na .
- Priamka sa tiež rovná , pretože uhol sa rovná uhlu .
- Ale sa tiež zhoduje s , a preto základňa sa zhoduje so základňou a rovná sa jej.
- Takže celý trojuholník sa zhoduje s celým trojuholníkom a rovná sa.
- Zvyšné uhly sa zhodujú so zostávajúcimi uhlami a rovnajú sa, uhol sa rovná uhlu a uhol sa rovná uhlu .
-
Preto ak dva trojuholníky majú dve strany rovnobežné s dvoma stranami a majú uhly obsiahnuté rovnými čiarami rovnaké, potom majú aj základňu rovnú základni,
trojuholník sa rovná trojuholníku a zvyšné uhly sú rovné zvyšným uhlom respektíve tým, ktoré sú oproti rovnakým stranám.
Ilustračný obrázok vety (sus).
- V Euklidových Základoch je veta sss sformulovaná ako Proposition 8 (Euclid's Elements, Book I ).
- Nech trojuholník je prenesený na trojuholník tak, aby bod bol umiestnený na bode a priamka na .
- Potom bod sa prekrýva (zhoduje) s bodom , pretože sa rovná .
- Ukážeme, že aj úsečka resp. sa prekrýva (zhoduje) s úsečkou resp. . Budeme dokazovať nepriamo.
- Keďže trojuholník je rovnoramenný, tak uhol rovná uhlu .
- Z polohy bodu vyplýva, že uhol je väčší ako uhol .
- Tiež trojuholník je rovnoramenný, preto aj uhol rovná uhlu .
- Z polohy bodu vyplýva, že uhol väčší ako uhol , čo je spor.
- Preto musí byť bod totožný s bodom .
- Podobne postupujeme v prípade, ak bod bude v polrovine .
- Ukázali sme, že strana resp. sa prekrýva so stranou resp. . To znamená, že uhol sa rovná uhlu .
- Teraz stačí použiť vetu a dostávame tvrdenie: trojuholníky a sú zhodné.
Konštrukčný dôkaz vety (sss) Tu.
Vety o zhodnosti trojuholníkov sa využívajú hlavne v úlohách, v ktorých sa skúmajú a dokazujú špecifické vlastnosti geometrických útvarov. Uvedieme niekoľko takých úloh.
Príklad 1. (Veta sus)
Je daný obdĺžnik . Nech body , sú bodmi uhlopriečky , pre ktoré platí .
Dokážte, že trojuholníky sú zhodné.
Je daný obdĺžnik . Nech body , sú bodmi uhlopriečky , pre ktoré platí .
Dokážte, že trojuholníky sú zhodné.
Otvorte dynamickú konštrukciu Tu.
- bod je stred uhlopriečky (uhlopriečky v obdĺžniku sa rozpoľujú)
- uhly sú vrcholové, preto sú zhodné
- úsečky sú podľa predpokladu zhodné
Príklad 2. (Veta sss)
Narysujte ľubovoľný rovnoramenný trojuholník so základňou . Zostrojte stred strany . Čo platí pre trojuholníky ? Ukážte, že platí .
Narysujte ľubovoľný rovnoramenný trojuholník so základňou . Zostrojte stred strany . Čo platí pre trojuholníky ? Ukážte, že platí .
Otvorte konštrukčný dôkaz Tu
Poznámky.
- Tháles: V rovnoramennom trojuholníku uhly pri základni sú zhodné.
- Euklides: Základy/Proposition 5 (Euclid's Elements, Book I. )
Príklad 3. (Veta Ssu)
Na osi ostrého uhla zostrojte vnútri uhla bod . Zostrojte kružnicu tak, aby platilo .
Označte priesečníky priamky s kružnicou ako a priesečníky priamky s kružnicou ako .
Dokážte, že úsečky majú rovnakú veľkosť.
Na osi ostrého uhla zostrojte vnútri uhla bod . Zostrojte kružnicu tak, aby platilo .
Označte priesečníky priamky s kružnicou ako a priesečníky priamky s kružnicou ako .
Dokážte, že úsečky majú rovnakú veľkosť.
Analýza úlohy.
- Najskôr sa pokúste dokázať rovnosť pomocou zhodnosti trojuholníkov: . Pre tieto trojuholníky platí:
-
Potom dokážte rovnosť pomocou zhodnosti trojuholníkov: .
Pre tieto trojuholníky platí:- strana je spoločná obom trojuholníkom
- (polomery kružnice )
- (súčet zhodných vrcholových uhlov a polovíc uhla )
- K ukončeniu dôkazu si stačí uvedomiť, že úsečky a získame sčítaním dvoch dvojíc zhodných úsečiek, platí .
Záver. Trojuholníky sú zhodné podľa vety , preto aj tretie strany sú zhodné: .
Príklad 4.
...
...
...
obr
Otvorte
...
Otvorte
Podobnosť
Definícia.
Dva trojuholníky sú podobné, ak majú rovnaký pomer dĺžok odpovedajúcich si strán a odpovedajúce si uhly sú zhodné.
Dva trojuholníky sú podobné, ak majú rovnaký pomer dĺžok odpovedajúcich si strán a odpovedajúce si uhly sú zhodné.
Trojuholník je podobný trojuholníku , práve vtedy keď existuje kladné číslo
také, že pre ich strany platí:
a pre ich uhly platí:
Definícia.
Pomer nazývame koeficient podobnosti trojuholníkov. Pre rôzne hodnoty koeficientu dostávame:
Pomer nazývame koeficient podobnosti trojuholníkov. Pre rôzne hodnoty koeficientu dostávame:
Rozbor.
Uvažujme teraz o ľubovoľnom trojuholníku so stranami .
Otvorte Tu
Diskusia. Úloha má práve jedno riešenie, ak výšky spĺňajú trojuholníkovú nerovnosť.
Dôkaz. Z rozboru a priamo z konštrukcie vyplýva, že pre výšky v zostrojenom trojuholníku platia vstupné hodnoty.
- Hľadajme súvislosti medzi výškami trojuholníka a jeho stranami. Použijeme vzťah pro obsah trojuholníka: .
- Z neho vyplýva, že a teda .
- Označme
- Uvažujme o ľubovoľnom trojuholníku so stranami .
- Takýto trojuholník je podobný trojuholníku , lebo pomer odpovedajúcich strán je konštantný.
Uvažujme teraz o ľubovoľnom trojuholníku so stranami .
- V trojuholníku označme jeho výšky .
- Zrejme platí: . Toto tvrdenie vyplýva z analýzy urobenej v druhom bode rozboru tejto úlohy.
- Po úprave dostaneme .
- Konštrukciu začneme zostrojením trojuholníka so stranami
Otvorte Tu
Dôkaz. Z rozboru a priamo z konštrukcie vyplýva, že pre výšky v zostrojenom trojuholníku platia vstupné hodnoty.
Kružnica, kruh
Definícia.
Množina všetkých bodov v rovine, ktoré majú od pevného bodu vzdialenosť rovnú kladnému reálnemu číslu sa nazýva kružnica so stredom a polomerom . Symbolicky Množina všetkých bodov v rovine, ktoré majú od pevného bodu vzdialenosť menšiu alebo rovnú číslu sa nazýva kruh so stredom a polomerom . Symbolicky
Množina všetkých bodov v rovine, ktoré majú od pevného bodu vzdialenosť rovnú kladnému reálnemu číslu sa nazýva kružnica so stredom a polomerom . Symbolicky Množina všetkých bodov v rovine, ktoré majú od pevného bodu vzdialenosť menšiu alebo rovnú číslu sa nazýva kruh so stredom a polomerom . Symbolicky
Bod
nazývame stred kružnice resp. stred kruhu a číslo polomer kružnice resp. kruhu.
Ľubovoľné dva body kružnice delia túto kružnicu na dve časti, ktoré nazývame oblúky kružnice alebo kružnicové oblúky.
Dva polomery rozdelia kruh na dve časti, ktoré nazývame kruhové výseky.
Tetiva rozdelí kruh na dve časti, ktoré nazývame kruhové odseky.
Otvorte si applet Tu.
Otvorte riešenie Tu.
Ľubovoľné dva body kružnice delia túto kružnicu na dve časti, ktoré nazývame oblúky kružnice alebo kružnicové oblúky.
Dva polomery rozdelia kruh na dve časti, ktoré nazývame kruhové výseky.
Tetiva rozdelí kruh na dve časti, ktoré nazývame kruhové odseky.
Otvorte si applet Tu.
Definícia.
V geometrii skúmame vlastnosti geometrických útvarov v dvoch základných kategóriách, ktoré zahŕňajú:
- polohové vlastnosti,
- metrické vlastnosti.
- vzájomnú polohu priamky a kružnice,
- vzájomnú polohu dvoch kružníc.
- vzťah medzi veľkosťou stredového uhla a prislúchajúcich obvodových uhloch v kružnici,
- mocnosť bodu ku kružnici.
Je daná kružnica a priamka . Nech je vzdialenosť priamky od stredu kružnice .
Môžu nastať len tri prípady: alebo . Aktivujte zaškrtávacie políčko v applete.
Otvorte si applet Tu.
Môžu nastať len tri prípady: alebo . Aktivujte zaškrtávacie políčko v applete.
Otvorte si applet Tu.
- Ak má priamka od stredu kružnice vzdialenosť , tak priamka kružnicu nepretína.
- Ak priamka má od stredu kružnice vzdialenosť rovnú polomeru , tak má priamka s kružnicou jediný spoločný bod .
- Priamka, ktorá má s kružnicou jediný spoločný bod, sa nazýva dotyčnica kružnice.
- Spoločný bod priamky a kružnice je bod dotyku.
- Dotyčnica je vždy kolmá na polomer kružnice .
- Ak má priamka od stredu kružnice vzdialenosť , tak má priamka a kružnica dva rôzne spoločné body.
- Priamka, ktorá má s kružnicou dva rôzne spoločné body, sa nazýva sečnica kružnice.
- Spoločné body priamky a kružnice sú ich priesečníky.
Príklad.
Je daná kružnica a jej dotyčnica . Zostrojte všetky kružnice, ktoré sa dotýkajú kružnice tak aj priamky a majú pritom polomer .
Je daná kružnica a jej dotyčnica . Zostrojte všetky kružnice, ktoré sa dotýkajú kružnice tak aj priamky a majú pritom polomer .
Otvorte riešenie Tu.
Definícia.
Dané dve kružnice s rôznymi stredmi. Priamka (resp. úsečka) ) sa nazýva stredná týchto dvoch kružníc.
Dané dve kružnice s rôznymi stredmi. Priamka (resp. úsečka) ) sa nazýva stredná týchto dvoch kružníc.
Veta o obvodových uholch
Veta (O obvodových uhloch).
Ľubovoľné dva obvodové uhly prislúchajúce k tomu istému oblúku kružnice majú rovnakú veľkosť.
Obvodový uhol je polovicou stredového uhla prislúchajúceho k tomu istému oblúku.
Ľubovoľné dva obvodové uhly prislúchajúce k tomu istému oblúku kružnice majú rovnakú veľkosť.
Obvodový uhol je polovicou stredového uhla prislúchajúceho k tomu istému oblúku.
Otvorte motivačný applet Tu.
- Priložený applet je motivačný a môžete ho využiť pri skúmaní závislosti veľkosti obvodových uhlov od polohy bodu .
- Veľkosť obvodového uhla nezávisí od polohy bodu , rozhodujúce sú body resp. uhol .
- Konštrukcia oblúka, z ktorého vidieť úsečku pod daným uhlom. Otvorte si konštrukciu Tu.<\li>
- Ak body sú krajné body priemeru, tak rozdelia kružnicu na dve polkružnice: stredový uhol je priamy a obvodový uhol pravý.
Dôkaz (vety o obvodových uhloch).
V dôkaze vety o obvodových uhloch sa využívajú dve základné vlastnosti trojuholníka.
Spojením týchto dvoch tvrdení dostaneme:
V dôkaze vety o obvodových uhloch sa využívajú dve základné vlastnosti trojuholníka.
- "Vonkajší uhol trojuholníka sa rovná súčtu vnútorných uhlov pri zvyšných vrcholoch."
- "V rovnoramennom trojuholníku sa uhly pri základni navzájom rovnajú" (Kniha 1, Tvrdenie V).
Spojením týchto dvoch tvrdení dostaneme:
Dôsledok.
Prípad 1 (Veta o obvodových uhloch).
Nech je vnútorný bod uhla . Potom obvodový uhol je polovicou stredového uhla .
Nech je vnútorný bod uhla . Potom obvodový uhol je polovicou stredového uhla .
Konštrukčný dôkaz Tu
Prípad 2 (Veta o obvodových uhloch).
Nech leží na ramene uhla Potom obvodový uhol je tiež polovicou stredového uhla .
Nech leží na ramene uhla Potom obvodový uhol je tiež polovicou stredového uhla .
Posuňte bod C proti smeru hodinových ručičiek do krajnej polohy vľavo tak, aby body ležali na jednej priamke (boli kolineárne). Potom dôkaz pre prípad 2 bude analogický ako v prípade 1. Situácia sa transformuje len na jeden trojuholník.
Prípad 3 (Veta o obvodových uhloch).
Nech S je vonkajší bod uhla ∡ACB. Potom obvodový uhol je polovicou stredového uhla .
Nech S je vonkajší bod uhla ∡ACB. Potom obvodový uhol je polovicou stredového uhla .
Zrejme platí . Pozrime sa na rozdiel uhlov pri vrchole .
Zistíme, že . Keďže trojuholníky , sú rovnoramenné, tak platí
Pozrite si konštrukčný dôkaz od Martina Vinklera, ktorý je dostupný Tu. Pre bod môžu nastať len tieto tri prípady, preto je dôkaz vety o obvodových uhloch ukončený.
Príklad.
Je daná kružnica a na nej dva body . Pre každý priemer kružnice zostrojíme (ak existuje) priesečník priamok . Určte množinu všetkých takých priesečníkov. Budeme predpokladať, že nie je priemer kružnice. (Larson 8.1.2.)
Je daná kružnica a na nej dva body . Pre každý priemer kružnice zostrojíme (ak existuje) priesečník priamok . Určte množinu všetkých takých priesečníkov. Budeme predpokladať, že nie je priemer kružnice. (Larson 8.1.2.)
V planimetrii sa pomerne často vyskytujú úlohy, v ktorých sa hľadá množina bodov s danou vlastnosťou .
Symolicky to môžeme zapísať takto . Takéto množiny sa tiež označujú ako "Geometrické miesta bodov (GMB)". Riešenie takýchto úloh sa
skladá z troch častí:
Otvorte si konštrukčný dôkaz Tu.
Postup, ktorý sme popísali v týchto 7 krokoch, zahŕňa časť A aj časť B. Experimentálne sme stanovili, že množina je kružnicový oblúk . Na overenie platnosti výroku " má vlastnosť " teraz stačí ukázať, že výroková formula je tautológia. To je však zrejmé. Keďže aj opačný postup je tautológia, tak aj časť C je pravdivý výrok.
- Najskôr musíme určiť základné charakteristické prvky danej množiny (najčastejšie experimentálne) resp. komplexne popísať danú množinu . Potom overiť platnosť výrokov:
- má vlastnosť ,
- ak má vlastnosť , tak patrí do množiny .
- Thalesova veta hovorí, že trojuholníky sú pravouhlé s pravým uhlom pri vrcholoch .
- Obvodové uhly a majú rovnakú veľkosť .
- Označme si a .
- Súčet uhlov v trojuholníku je 180°, preto bude .
- Odtiaľ dostávame, že súčet uhlov je konštantný pre ľubovoľný priemer a dva pevné body .
- Preto aj vrcholové uhly majú konštantnú veľkosť. To znamená, že body ležia na kružnicovom oblúku .
- K nájdeniu oblúka stačí zvoliť jeden priemer a jeden odpovedajúci priesečník .
Otvorte si konštrukčný dôkaz Tu.
Poznámky.
- Pri určovaní GMB je mnohokrát najťažší krok A.
- Program GeoGebra tento krok zjednoduší tým, že pomocou nástroja "Množina bodov" (nachádza sa v sekcii nástrojov "Kolmica") vykreslí hľadanú množinu .
- Potom je však nutné realizovať kroky B a C.
- Pozrite si aplikovanie tohto nástroja v kurze Didaktika matematiky v knihe Množiny bodov. Dostupné Tu.
Mocnosť bodu ku kružnici
Je daná kružnica so stredom a polomerom . Bod leží zvonka kružnice. Nech je sečnica
kružnice vedená bodom a sú priesečníky sečnice s kružnicou .
Skúmajme súčin . Po otvorení motivačného appletu a experimentovaním s polohou bodu , môžeme vysloviť hypotézu:
Otvorte si motivačný applet Tu.
Otázky.
Je súčin nezávislý od polohy sečnice ? Inými slovami je konštantný pre ľubovoľnú polohu bodov ?
Môžeme definovať súčin aj pre prípad, ak bod leží vo vnútri kružnice ? Odpovede nájdeme vo forme dôkazov viet o mocnosti.
Je súčin nezávislý od polohy sečnice ? Inými slovami je konštantný pre ľubovoľnú polohu bodov ?
Môžeme definovať súčin aj pre prípad, ak bod leží vo vnútri kružnice ? Odpovede nájdeme vo forme dôkazov viet o mocnosti.
Definícia (Mocnosť bodu ku kružnici).
Ľubovoľnému bodu roviny možno priradiť reálne číslo , pre ktorého absolútnu hodnotu platí , pričom
Ľubovoľnému bodu roviny možno priradiť reálne číslo , pre ktorého absolútnu hodnotu platí , pričom
Dôkaz.
Otvorte si konštrukčný dôkaz Tu.
Poznámka.
V prípade, keď bod leží vo vnútri kružnice tvrdenie vety 1 a tvrdenie dôsledku ostáva v platnosti. Trojuholníky sú podobné. Naviac v súlade s definíciou mocnosti bodu ku kružnici, bude v prípade bodu ležiaceho vo vnútri kružnice, číslo záporné. Pozrite si ilustračný obrázok.
V prípade, keď bod leží vo vnútri kružnice tvrdenie vety 1 a tvrdenie dôsledku ostáva v platnosti. Trojuholníky sú podobné. Naviac v súlade s definíciou mocnosti bodu ku kružnici, bude v prípade bodu ležiaceho vo vnútri kružnice, číslo záporné. Pozrite si ilustračný obrázok.
Nasledujúca veta platí len v prípade, že bod je mimo kružnice . Mocnosť bodu v tomto prípade môžeme vyjadriť pomocou veľkosti úsečky , kde je dotykový bod dotyčnice ku kružnici, ktorá prechádza bodom .
Veta 2.
Pre mocnosť bodu , ktorý leží zvonka kružnice , platí rovnosť . Bod je dotykový bod dotyčnice, ktorá prechádza bodom .
Pre mocnosť bodu , ktorý leží zvonka kružnice , platí rovnosť . Bod je dotykový bod dotyčnice, ktorá prechádza bodom .
Dôkaz vety 2 ilustrujeme ako limitný prechod vo veta 1.
Pomocou obrázka urobte korektný matematický dôkaz. Využite podobnosť trojuholníkov , ktoré majú zhodné uhly. Pre pomery odpovedajúcich strán platí .
Pri odvodení vzťahu môžeme využiť skutočnosť, že trojuholník je pravouhlý a použiť Pytagorovu vetu.
- Vzťah platí pro ľubovoľnú sečnicu.
- Pohybujme sečnicou tak, aby sa postupne blížila k dotyčnici v bode .
- Bod i bod sa blížia k bodu .
- Veľkosť úsečky sa blíži k veľkosti úsečky .
- Z toho usudzujeme, že súčin sa blíži k súčinu .
Pri odvodení vzťahu môžeme využiť skutočnosť, že trojuholník je pravouhlý a použiť Pytagorovu vetu.
Definícia (Chordála a chordický bod).
Majme dve nesústredné kružnice . Množina všetkých bodov, ktoré majú rovnakú mocnosť k obom kružniciam je priamka kolmá k spojnici stredov týchto kružníc. Nazývame ju chordála.
Majme dve nesústredné kružnice . Množina všetkých bodov, ktoré majú rovnakú mocnosť k obom kružniciam je priamka kolmá k spojnici stredov týchto kružníc. Nazývame ju chordála.
Korektnosť definície a konštrukcia chordály.
Otvorte applet Tu.
- Dané kružnice sa pretínajú v dvoch bodoch/priesečníkoch. Priamka určená priesečníkmi daných kružníc je spoločná sečnica oboch kružníc. Preto ľubovoľný bod priamky určenej týmito priesečníkmi má rovnakú mocnosť k obom kružniciam. Priamka určená priesečníkmi daných kružníc je chordála daných kružníc.
- Kružnice sa dotýkajú v bode, ktorý má mocnosť k obom kružniciam. Chordála je spoločná dotyčnica v bode. Dôkaz, že spoločná dotyčnica je množina bodov s rovnakou mocnosťou k obom kružniciam, vyplýva z vety 2.
- V prípade, že kružnice nemajú spoločný bod zvoľme pomocnú kružnicu , ktorá pretína obe kružnice . Zostrojme chordály . Ich priesečník označme . Tento bod má rovnakú mocnosť ku všetkým trom kružniciam. Nazývame ho chordický bod. Týmto bodom potom vedieme kolmicu k úsečke, čo je chordála kružníc . Aktivujte si priložený applet.
Otvorte applet Tu.
Cvičenie II
- Zostrojte trojuholník , pre ktorý sú dané ťažnice . Zadanie Tu.
- Zostrojte trojuholník , pre ktorý je dané: . Zadanie Tu. Riešenie vyhľadajte v práci [DAV].
- Zostrojte trojuholník , pre ktorý je daná výška , ťažnica a stred opísanej kružnice .
- Daná je úsečka a priamka . Zostrojte trojuholník s vrcholom a výškou , ktorého ťažisko a stred kružnice opísanej ležia na priamke . Pozri 56. ročník MO, šk. rok 2006/2007, úloha B – I – 6. Riešenie Tu.
- Zostrojte trojuholník , pre ktorý je daná výška a ťažnice .
- Zostrojte trojuholník , pre ktorý sú dané výšky .
- Dokážte, že pre ťažnice platí vzťah: .Pozri prácu [KRI], str. 19.
- Dokážte, že ťažnice v ľubovoľnom trojuholníku sa pretínajú v jednom bode pomocou osovej afinity.
Zobrazenia
Definícia.
Pod geometrickým zobrazením v rovine rozumieme predpis , ktorý ľubovoľnému bodu priradí najviac jeden bod .
Pod geometrickým zobrazením v rovine rozumieme predpis , ktorý ľubovoľnému bodu priradí najviac jeden bod .
V tejto kapitole sa budeme skúmať
- zhodné a podobné zobrazenia,
- osovú afinitu,
- stredovú kolineáciu,
- kruhovú inverziu.
Definícia.
Zobrazenie nazývame zhodné zobrazenie v ( ), ak pre každé dva rôzne body platí
,
kde . Zhodné zobrazenia predstavujú geometrické zobrazenia euklidovskej roviny, ktoré zachovávajú incidenciu útvarov a vzdialenosť bodov (metriku).
Zobrazenie nazývame zhodné zobrazenie v ( ), ak pre každé dva rôzne body platí
,
kde . Zhodné zobrazenia predstavujú geometrické zobrazenia euklidovskej roviny, ktoré zachovávajú incidenciu útvarov a vzdialenosť bodov (metriku).
Rovinné geometrické útvary sa nazývajú zhodné , ak existuje zhodné zobrazenie, ktoré jeden z nich zobrazí na druhý. Zhodnosť dvoch útvarov symbolicky označíme takto: alebo takto .
Definícia.
V euklidovskej rovine poznáme šesť typov zhodných zobrazení a to
- identitu,
- osovú súmernosť,
- stredovú súmernosť,
- otočenie (rotáciu),
- posunutie (transláciu),
- posunutú súmernosť.
Tvrdenie.
Zložením dvoch zhodných zobrazení je zhodné zobrazenie.
Zložením dvoch zhodných zobrazení je zhodné zobrazenie.
Dôkaz tohto tvrdenia prenechávame na čitateľa.
Definícia.
Nech je daná priamka. Zobrazenie, pre ktoré platí:
Nech je daná priamka. Zobrazenie, pre ktoré platí:
- obrazom bodu ležiaceho na priamke je bod , ktorý je totožný s bodom ,
- obrazom bodu neležiaceho na priamke je bod , pre ktorý platí, že priamka je kolmá na priamku
a stred úsečky leží na priamke ,
nazývame osová súmernosť, - Priamku nazývame os osovej súmernosti. Osovú súmernosť s osou budeme označovať symbolom .
Otvorte si applet Tu.
Cvičenie.
Je daná priamka a body ležiace v tej istej polrovine s hraničnou priamkou . Určte bod tak, aby súčet bol čo najmenší.
Riešenie Tu.
Je daná priamka a body ležiace v tej istej polrovine s hraničnou priamkou . Určte bod tak, aby súčet bol čo najmenší.
Riešenie Tu.
Stredová súmernosť a rotácia
Otvorte si dynamickú prezentáciu Tu.
Definícia.
Nech je daný bod , uhol (veľkosť uhla je nanajvýš 360°) a orientácia kladná (proti smeru hodinových ručičiek) resp. záporná (v smeru hodinových ručičiek). Zobrazenie, pre ktoré platí:
Nech je daný bod , uhol (veľkosť uhla je nanajvýš 360°) a orientácia kladná (proti smeru hodinových ručičiek) resp. záporná (v smeru hodinových ručičiek). Zobrazenie, pre ktoré platí:
Otvorte si applet Tu.
Tvrdenia (Rozklad zhodností na osové súmernosti).
- Identitu možno rozložiť na dve osové súmernosti, ktorých osi sú totožné. (Dôkaz prenechávame na čitateľa).
- Každú stredovú súmernosť možno rozložiť na dve osové súmernosti, ktorých osi sú na seba kolmé a prechádzajú stredom stredovej súmernosti.
- Každú rotáciu možno rozložiť na dve osové súmernosti, ktorých osi prechádzajú stredom rotácie, zvierajú uhol, ktorého veľkosť sa rovná jednej polovici veľkosti uhla rotácie, pričom orientácia uhla rotácie je súhlasná s orientáciou uhla od osi prvej osovej súmernosti ku osi druhej osovej súmernosti podľa poradia v zložení.
Otvorte konštrukčný dôkaz Tu.
Cvičenie (Stredová súmernosť).
Sú dané dve sústredné kružnice a bod vo vnútri . Zostrojte obdĺžnik tak, že a bod je jeho stredom. Riešenie Tu.
Sú dané dve sústredné kružnice a bod vo vnútri . Zostrojte obdĺžnik tak, že a bod je jeho stredom. Riešenie Tu.
Posunutie
Definícia.
Daný je vektor . Zobrazenie, pre ktoré platí, že obrazom bodu je bod , pričom platí rovnosť vektorov , sa nazýva posunutie alebo translácia.
Vektor nazývame vektor posunutia. Posunutie o vektor budeme označovať .
Daný je vektor . Zobrazenie, pre ktoré platí, že obrazom bodu je bod , pričom platí rovnosť vektorov , sa nazýva posunutie alebo translácia.
Vektor nazývame vektor posunutia. Posunutie o vektor budeme označovať .
Otvorte si applet Tu.
Tvrdenie.
Každé posunutie možno rozložiť na dve osové súmernosti, ktorých osi sú rovnobežné (rôzne), zároveň sú kolmé na vektor posunutia, ich vzdialenosť je rovná jednej polovici veľkosti vektora posunutia, pričom orientácia vektora posunutia je súhlasná s orientáciou od osi prvej osovej súmernosti ku osi druhej osovej súmernosti podľa poradia v zložení.
Každé posunutie možno rozložiť na dve osové súmernosti, ktorých osi sú rovnobežné (rôzne), zároveň sú kolmé na vektor posunutia, ich vzdialenosť je rovná jednej polovici veľkosti vektora posunutia, pričom orientácia vektora posunutia je súhlasná s orientáciou od osi prvej osovej súmernosti ku osi druhej osovej súmernosti podľa poradia v zložení.
Určenie vektora posunutia, ak posunutie je dané dvomi osovými súmernosťami je prezentované appletom "Posunutie".
Otvorte si applet "Posunutie" Tu.
Definícia.
Zostrojte rovnobežník ak sú dané veľkosti jeho strán a veľkosť uhla, ktorý zvierajú jeho uhlopriečky.
Zostrojte rovnobežník ak sú dané veľkosti jeho strán a veľkosť uhla, ktorý zvierajú jeho uhlopriečky.
Otvorte si riešenie Tu.
Definícia.
Zobrazenie, ktoré je zložením osovej súmernosti a posunutia (v ľubovoľnom poradí), pričom os osovej súmernosti a vektor posunutia sú rovnobežné, nazývame posunutá súmernosť ; (posunutú súmernosť danú osou a vektorom budeme označovať ).
Zobrazenie, ktoré je zložením osovej súmernosti a posunutia (v ľubovoľnom poradí), pričom os osovej súmernosti a vektor posunutia sú rovnobežné, nazývame posunutá súmernosť ; (posunutú súmernosť danú osou a vektorom budeme označovať ).
Poznámka.
V niektorej literatúre sa pre posunutú súmernosť používa názov posunuté zrkadlenie.
V niektorej literatúre sa pre posunutú súmernosť používa názov posunuté zrkadlenie.
Tvrdenie
Zložením troch osových súmerností s navzájom rôznymi osami je buď osová súmernosť’ alebo posunutá súmernosť.
Zložením troch osových súmerností s navzájom rôznymi osami je buď osová súmernosť’ alebo posunutá súmernosť.
Dôkaz
Nech sú dané osové súmernosti a nech sú navzájom rôzne priamky. Pre vzájomnú polohu týchto troch priamok môžu nastať 3 prípady:
Nech sú dané osové súmernosti a nech sú navzájom rôzne priamky. Pre vzájomnú polohu týchto troch priamok môžu nastať 3 prípady:
- Všetky priamky sú navzájom rovnobežné → výsledné zložené zobrazenie je osová súmernosť.
- Dve sú rovnobežné a tretia ich pretína → výsledné zložené zobrazenie je posunutá súmernosť.
- Priamky ležia na stranách trojuholníka (navzájom sú rôznobežné) → výsledné zložené zobrazenie je posunutá súmernosť. Otvorte si applet Tu.
Grupa zhodných zobrazenií
Tvrdenie.
- Zloženie ľubovoľného konečného počtu osových súmerností možno vždy redukovať na zloženie maximálne troch osových súmerností.
Pozrite si konštrukčný dôkazu Tu.
- Zložením ľubovoľného konečného počtu zhodných zobrazení je identita, alebo osová súmernosť, alebo stredová súmernosť, alebo rotácia, alebo translácia, alebo posunutá súmernosť.
- Všetky zhodnosti v rovine tvoria vzhľadom na skladanie zobrazení grupu (tzv. grupu zhodností). Generátorom grupy zhodností je osová súmernosť.
Zhodnosti reprodukujúce štvorec tvoria podgrupu. Pozrite si dynamický model.
Otvorte Tu.
Rovnoľahlosť
Definícia.
Podobné zobrazenie (podobnosť) je zobrazenie, v ktorom obrazom každej úsečky je úsečka , ktorej veľkosť je -násobkom veľkosti úsečky ( ).
Podobné zobrazenie (podobnosť) je zobrazenie, v ktorom obrazom každej úsečky je úsečka , ktorej veľkosť je -násobkom veľkosti úsečky ( ).
V každom podobnom zobrazení platí:
Definícia (Rovnoľahlosť).
Je daný bod a reálne číslo . Rovnoľahlosť (homotétia) je zobrazenie , ktoré priraďuje:
Je daný bod a reálne číslo . Rovnoľahlosť (homotétia) je zobrazenie , ktoré priraďuje:
Otvorte si applet Tu.
Poznámka.
Rovnoľahlosť je podobnosť s koeficientom . Pre je identitou, pre rotáciou okolo o 180° (aj stredovou súmernosťou so stredom v bode ).
Pre je jediným samodružným bodom stred . Samodružnou priamkou je každá priamka, ktorá prechádza stredom rovnoľahlosti. Pozrite si súbor appletov od Martina Vinklera Tu.
Rovnoľahlosť je podobnosť s koeficientom . Pre je identitou, pre rotáciou okolo o 180° (aj stredovou súmernosťou so stredom v bode ).
Pre je jediným samodružným bodom stred . Samodružnou priamkou je každá priamka, ktorá prechádza stredom rovnoľahlosti. Pozrite si súbor appletov od Martina Vinklera Tu.
Rovnoľahlosť je špeciálne podobné zobrazenie. To znamená, že má všetky vlastnosti podobného zobrazenia.
Naviac má vlastnosť, že v rovnoľahlosti odpovedajúce priamky (vzor a obraz) sú rovnobežné.
Naviac má vlastnosť, že v rovnoľahlosti odpovedajúce priamky (vzor a obraz) sú rovnobežné.
Vľavo. V rovnoľahlosti platí: . Vpravo. Podobné zobrazenie zložené z rovnoľahlosti a otáčania.
Otvorte si applet Tu.
Veta 1.
V rovnoľahlosti :
V rovnoľahlosti :
- každé dve rovnoľahlé priamky sú rovnobežné,
- každé dve rovnobežné a nezhodné úsečky sú rovnoľahlé dvomi spôsobmi,
- každé dve nezhodné kružnice sú rovnoľahlé, pričom stredy rovnoľahlosti ležia na strednej kružníc,
- spoločné dotyčnice dvoch kružníc prechádzajú odpovedajúcimi stredmi rovnoľahlostí (vnútorným a vonkajším stredom rovnoľahlosti).
Otvorte si applet Tu.
Veta 2.
Nech sú dve kružnice rovnoľahlé, ich vonkajší stred rovnoľahlosti je bod , vnútorný stred rovnoľahlosti . Potom platí
, .
Nech sú dve kružnice rovnoľahlé, ich vonkajší stred rovnoľahlosti je bod , vnútorný stred rovnoľahlosti . Potom platí
, .
Veta 3.
Zložením rovnoľahlosti a zhodného zobrazenia dostaneme podobné zobrazenie.
Každé podobné zobrazenie možno získať zložením vhodného zhodného zobrazenia a rovnoľahlosti >.
Zložením rovnoľahlosti a zhodného zobrazenia dostaneme podobné zobrazenie.
Každé podobné zobrazenie možno získať zložením vhodného zhodného zobrazenia a rovnoľahlosti >.
Cvičenie 1.
Do daného trojuholníka vpíšte štvorec tak , aby strana ležala na strane , bod ležal na strane a bod na strane .
Riešenie v práci [RUM], str. 98.
Do daného trojuholníka vpíšte štvorec tak , aby strana ležala na strane , bod ležal na strane a bod na strane .
Riešenie v práci [RUM], str. 98.
Cvičenie 2.
Sú dané dva rôzne body , ktorých vzdialenosť je . Ďalej je dané kladné číslo . Zostrojte kosoštvorec s výškou tak ,aby bod bol stredom jeho strany .
Sú dané dva rôzne body , ktorých vzdialenosť je . Ďalej je dané kladné číslo . Zostrojte kosoštvorec s výškou tak ,aby bod bol stredom jeho strany .
Otvorte si rozbor úlohy Tu. Riešenie v práci [KRIZ], príklad 103.
Afinita
Geometrické zobrazenia v euklidovskej rovine môžeme skúmať aj podľa počtu a druhu samodružných prvkov.
Definícia (Samodružné prvky).
- Samodružný bod je bod, ktorý sa pri zobrazení zobrazí sám na seba. Platí: .
- Samodružná priamka je priamka, ktorá sa pri zobrazení zobrazí sama na seba . Zároveň existuje bod , ktorý sa zobrazí do bodu .
- Priamka samodružných bodov je priamka, kde každý jej bod je samodružný. Pre každý bod na priamke platí X = X'. Hovoríme o bodovo samodružnej priamke.
Zvoľme si v euklidovskej rovine dve rôznobežné priamky . Pozrite si obrázok Afinita. Budeme skúmať geometrické zobrazenie s vlastnosťami
Obr. Afinita
- Obrazom ľubovoľného bodu je ten istý bod , priamka je bodovo samodružná..
- Obrazom ľubovoľného bodu je bod , ktorý leží na priamke .
- Obrazom priamky je priamka , pričom bod je samodružný. V prípade rovnobežnosti je tiež (bod 1 je nevlastný).
- Obrazom priamky rovnobežnej s priamkou je tá istá priamka, priamka je samodružná.
- Takéto zobrazenie je zrejme bijektívne zobrazenie euklidovskej roviny. Budeme ho nazývať osová afinita v rovine.
Obr. Afinita
Vlastnosti.
- osová afinita je jednoznačne určená priakou a dvojicou odpovedajúcich si bodov ,
- priamku nazývame os afinity a priamku nazývame smer afinity,
- osová afinita zachováva incidenciu, rovnobežnosť a deliaci pomer troch kolineárnych bodov. Dôkaz je založený na vlastnosti podobných trojuholníkov. Pozrite si prácu [PLICH].
Osovú afinitu môžeme využiť aj pri dôkazoch niektorých vlastností všeobecných trojuholníkov. Stačí ak dokážeme určiť osovú afinitu, v ktorej sa daný všeobecný trojuholník zobrazí na rovnostraný trojuholník. Keďže osová afinita zachováva incidenciu a deliaci pomer (špeciálne stred úsečky sa zobrazí do stredu úsečky), tak napríklad vlastnosť ťažníc stačí dokázať len pre rovnostranný trojuholník.
Uvedieme konštrukciu ako takúto osová afinitu určuíť.
Uvedieme konštrukciu ako takúto osová afinitu určuíť.
Cvičenie.
Určte OA tak, aby sa všeobecný trojuholník zobrazil do rovnostranného trojuholníka . Riešenie nájdete Tu.
Určte OA tak, aby sa všeobecný trojuholník zobrazil do rovnostranného trojuholníka . Riešenie nájdete Tu.
Riešené príklady.
Osová afinita je daná osou a dvojicou odpovedajúcich bodov . Zostrojte bod , ktorý je obrazom daného bodu . Nech je priamka určená bodmi . Uvažujme dva prípady:
Osová afinita je daná osou a dvojicou odpovedajúcich bodov . Zostrojte bod , ktorý je obrazom daného bodu . Nech je priamka určená bodmi . Uvažujme dva prípady:
- Priamka je rôznobežná s osou , riešenie Tu.
- Ak priamka je rovnobežná s osou tak použijeme konštrukciu:
- zvoľme si vhodnú priamku prechádzajúcu bodom , ktorá nie je rovnobežná s osou
- na priamke si zvoľme bod tak, aby priamka nebola rovnobežná s osou
- obrazom priamky je priamka , obraz bodu musí ležať na priamke
- bodmi je určená priamka , obrazom priamky je priamka
- obraz bodu musí ležať na priamke , riešenie Tu.
Veta.
Obraz kružnice v osovej afinite je elipsa (dôkaz je jednoduchý ak využijeme metódy analytickej geometrie).
Obraz kružnice v osovej afinite je elipsa (dôkaz je jednoduchý ak využijeme metódy analytickej geometrie).
Na zostrojenie takejto elipsu môžeme využiť dva spôsoby.
- Priama konštrukcia hlavnej a vedľajšej poloosi.
Nájdením združených priemerov elipsy. Využijeme skutočnosť, že v kružnici združené priemery sú také priemery, ktoré sú vzájomne kolmé. (Priemery elipsy resp. kružnice sa nazývajú združené, ak sú dotyčnice v krajných bodoch jedného priemeru rovnobežné s druhým priemerom a naopak.) - Nepriamo pomocou Rytzovej konštrukcie.
V kružnici zvolíme dva ľubovoľné na seba kolmé priemery KL, MN a nájdeme ich obrazy K'L', M'N'. Osová afinita zachováva rovnobežnosť a deliaci pomer. Preto tvoria úsečky K'L', M'N' združené priemery elipsy. Ak poznáme dva združené priemery elipsy, využijeme na nájdenie hlavnej a vedľajšej osi Rytzovu konštrukciu. Pozrite si prácu [PLI].
Otvorte si applet Tu.
Poznámka.
Vzťah osovej afinity v euklidovskej rovine si môžeme predstaviť aj ako kolmý priemet priestorovej afinity. Uvedieme definíciu osovej afinity medzi dvoma rôznobežnými rovinami v euklidovskom priestore z práce [DRA]. Pozrite si dynamický obrázok "Priestorová afinita".
Vzťah osovej afinity v euklidovskej rovine si môžeme predstaviť aj ako kolmý priemet priestorovej afinity. Uvedieme definíciu osovej afinity medzi dvoma rôznobežnými rovinami v euklidovskom priestore z práce [DRA]. Pozrite si dynamický obrázok "Priestorová afinita".
Definícia.
Uvažujme dve rôznobežné roviny a ich priesečnicu označme . Zvoľme ďalej smer , ktorý je rôznobežný s oboma rovinami . Potom priradíme navzájom body a priamky roviny bodom a priamkam roviny tak, že platí:
Uvažujme dve rôznobežné roviny a ich priesečnicu označme . Zvoľme ďalej smer , ktorý je rôznobežný s oboma rovinami . Potom priradíme navzájom body a priamky roviny bodom a priamkam roviny tak, že platí:
Obr. Priestorová afinita, otvorte si dynamický obrázok Tu.
- Osovú afinitu medzi dvoma rôznobežnými rovinami s výhodou využívame pri rezoch rovnobežnostena.
- Porovnajme vlastnosti osovej afinity s rezom hranola, obrázok "Rez hranola (obrázok je prevzatý s práce [PLI]).
- Rovina zodpovedá rovine rezu, rovina zodpovedá rovine dolnej podstavy. Smer afinity s zodpovedá smeru hrán, napríklad . Zodpovedajúce si body sú napríklad body . Os je priesečnica rovín a zodpovedá priesečnici roviny podstavy a roviny rezu.
Obr. Rez hranola
Stredová kolineácia
Definícia (Stredová kolineácia medzi dvoma rovinami).
Nech sú dané dve rôzne roviny a bod , ktorý neleží ani v jednej z nich.
Nech sú dané dve rôzne roviny a bod , ktorý neleží ani v jednej z nich.
- Stredová kolineácia je bijektívne zobrazenie dvoch rovín, pri ktorom každému bodu prvej roviny odpovedá jeho priemet zo stredu do roviny druhej. Používa sa aj termín perspektívna kolineácia.
- Stred premietania sa nazýva stred kolineácie. Priamku , priesečnicu rovín , nazývame osou stredovej kolineácie.
Obr. Stredová kolineácia medzi dvoma rovinami
Otvorte si dynamický obrázok Tu.
Vlastnosti.
- Vlastnému bodu môže odpovedať nevlastný bod a naopak. Ak bod leží v rovine rovnobežnej s rovinou , tak priamka sa s rovinou pretína v nevlastnom bode. Analogicky pre bod .
- Priamky, ktoré si odpovedajú v perspektívnej kolineácii, sa pretínajú na osi kolineácie alebo sú s ňou rovnobežné (majú spoločný nevlastný bod).
- Body osi kolineácie sú samodružné body. Perspektívna kolineácia zachováva incidenciu.
- Perspektívna kolineácia nezachováva deliaci pomer ale zachováva dvojpomer. Stred úsečky sa vo všeobecnosti nezobrazuje do stredu úsečky.
Otvorte si dynamický obrázok Tu.
Pre situáciu, keď obrazom vlastného bodu ja nevlastný bod a naopak, používame terminológiu:
- Vlastný bod , ktorý sa v kolineácii zobrazí do nevlastného nazývame úbežník (niekedy úbežník 1. druhu).
- Vlastný bod , ktorý je v kolineácii obrazom nevlastného bodu nazývame úbežník (niekedy úbežník 2. druhu).
- Priamky, ktoré sú obrazom alebo vzorom nevlastnej priamky sa nazývajú úbežnice . Úbežnice(priamky) obsahujú všetky úbežníky daného druhu a sú rovnobežné s osou afinity.
Špeciálny typ perspektívnej kolineácie ak stred je nevlastný bod, tak perspektívna kolineácia je osová afinita.
Perspektívnu kolineáciu si môžeme zjednodušene predstaviť ako vzťah medzi rezom ihlana (resp. kužeľa) rovinou a podstavou.
Otvorte si krokované riešenie Tu.
Poznámka.
Stredovú kolineáciu medzi dvoma rovinami v euklidovskom priestore môžeme previesť na stredovú kolineáciu v rovine.
Stredovú kolineáciu medzi dvoma rovinami v euklidovskom priestore môžeme previesť na stredovú kolineáciu v rovine.
- Zvolíme si rovinu , do ktorej budeme premietať a smer premietania určený vektorom "Priemet", pričom smer premietania volíme tak, aby nebol rovnobežný so žiadnou z rovín .
- Os kolineácie , stred kolineácie a zodpovedajúce si body premietneme pomocou smeru "Priemet" do roviny .
- Keďže rovnobežné premietanie (smer "Priemet") zachováva rovnobežnosť, tak pre body platí opäť vzťah stredovej kolineácie.
- Stred kolineácie je rovnobežným priemetom stredu , podobne body sú priemety bodov .
- Dvojicu odpovedajúcich si bodov nazývame kolineárne združené body.
- Vo všeobecnosti kolineácia je jednoznačne určená stredom , osou a dvojicou odpovedajúcich si bodov . V takom prípade budeme pre kolineáciu používať označenie .
Cvičenie.
Veta.
Obrazom kružnice v stredovej kolineácii je regulárna kužeľosečka (elipsa, parabola alebo hyperbola).
Obrazom kružnice v stredovej kolineácii je regulárna kužeľosečka (elipsa, parabola alebo hyperbola).
Regulárne kužeľosečky môžeme klasifikovať podľa počtu nevlastných bodov. Elipsa má všetky body vlastné. Parabola má jeden nevlastný bod a hyperbola má dva nevlastné body.
Z predchádzajúceho textu vieme, že obrazom úbežníku I. druhu je nevlastný bod. Z toho vyplýva, že ak kružnica s úbežnicou
Z predchádzajúceho textu vieme, že obrazom úbežníku I. druhu je nevlastný bod. Z toho vyplýva, že ak kružnica s úbežnicou
- nemá žiadny spoločný bod, potom je obrazom kružnice elipsa,
- má práve jeden spoločný bod, potom je obrazom kružnice parabola,
- má dva rôzne priesečníky, potom je obrazom kružnice hyperbola.
Kruhová inverzia
Möbiova rovina je euklidovská rovina doplnená o jeden nevlastný bod
, ktorý budeme nazývať Möbiov bod.
V takto doplnenej rovine môžeme definovať zobrazenie, ktoré sa nazýva kruhová inverzia.
V takto doplnenej rovine môžeme definovať zobrazenie, ktoré sa nazýva kruhová inverzia.
Definícia.
V Möbiovej rovine je daná kružnica . Kruhová inverzia vzhľadom ku kružnici je zobrazenie, ktorého obrazom
V Möbiovej rovine je daná kružnica . Kruhová inverzia vzhľadom ku kružnici je zobrazenie, ktorého obrazom
Poznamenajme, že
Z bodu zostrojíme dotyčnicu kružnice , bod dotyku označme . Z bodu zostrojíme kolmicu na priamku , päta tejto kolmice je hľadaný obraz . Konštrukciu je možné použiť aj pre bod ležiaceho vo vnútri kružnice .
Kruhová inverzia je nelineárne zobrazenie, priamka až na špeciálne prípady sa nezobrazuje na priamku (priamky, ktoré neprechádzajú stredom inverzie, sa zobrazujú na kružnice).
- ak bod je obrazom bodu , potom je aj bod obrazom bodu , dvojicu odpovedajúcich bodov nazývame aj navzájom inverzné body - kruhová inverzia je involútorné zobrazenie;
- body na kružnici sú samodružné;
- bod ležiaci vo vnútri kružnice sa zobrazí na vonkajší bod a naopak. Konštrukcia obrazu ľubovoľného bodu a a je založená na Euklidovej vete o odvesne.
Otvorte si dynamickú konštrukciu Tu.
Z bodu zostrojíme dotyčnicu kružnice , bod dotyku označme . Z bodu zostrojíme kolmicu na priamku , päta tejto kolmice je hľadaný obraz . Konštrukciu je možné použiť aj pre bod ležiaceho vo vnútri kružnice .
Kruhová inverzia je nelineárne zobrazenie, priamka až na špeciálne prípady sa nezobrazuje na priamku (priamky, ktoré neprechádzajú stredom inverzie, sa zobrazujú na kružnice).
Veta (Konformné zobrazenie).
Kruhová inverzia je konformné zobrazenie, t.j zachováva veľkosť uhla . Pozrite si obrázok "Konformné zobrazenie".
Kruhová inverzia je konformné zobrazenie, t.j zachováva veľkosť uhla . Pozrite si obrázok "Konformné zobrazenie".
Dôkaz
Z definície kruhovej inverzie vyplýva
Obr. Konformné zobrazenie
Teda trojuholníky majú spoločný uhol pri vrchole, sú podľa vety podobné.
Tvrdenie (Obraz priamky a kružnice).
Body priamky prechádzajúcej stredom inverzie sa zobrazujú opäť na túto priamku.
Body priamky prechádzajúcej stredom inverzie sa zobrazujú opäť na túto priamku.
applet
Obr. Obraz priamky
Obr. Obraz priamky
Dôkaz.
Ide vlastne o špeciálny prípad vety o konformnom zobrazení, keď bod leží na kolmici k polpriamke . Zrejme platí
,
lebo trojuholníky sú podobné. Uhol pri vrchole je pravý, preto bod je zrejme bodom Thálesovej kružnice.
Dôsledky .
- Obrazom priamky , ktorá neprechádza stredom inverzie je kružnica prechádzajúca stredom .
- Obrazom kružnice prechádzajúcej stredom inverzie je priamka, ktorá neprechádza stredom inverzie.
- Samodružnými bodmi sú body určujúcej kružnice .
- Samodružnými priamkami sú priamky prechádzajúce stredom inverzie.
- Samodružné kružnice sú tie, ktoré ortogonálne pretínajú určujúcu kružnicu. Dôkaz si môžete pozrieť v práci [JAN].
Dôkazy týchto dôsledkov sa opierajú o involútornosť kruhovej inverzie.
Tvrdenie (Obraz kružnice neprechádzajúcej stredom ).
Obrazom kružnice, ktorá neprechádza stredom inverzie je kružnica.
Obrazom kružnice, ktorá neprechádza stredom inverzie je kružnica.
Poznámka.
Z obrázku "Obraz kružnice" je zrejmá jedna typická ale často opomínaná vlastnosť kruhovej inverzie:
Obrazom stredu kružnice nie je stred kružnice .
Z obrázku "Obraz kružnice" je zrejmá jedna typická ale často opomínaná vlastnosť kruhovej inverzie:
Obrazom stredu kružnice nie je stred kružnice .
Apolloniova úloha.
Zostrojte kružnicu dotýkajúcu sa troch geometrických útvarov: bodu - , priamky - , kružnice - .
Zostrojte kružnicu dotýkajúcu sa troch geometrických útvarov: bodu - , priamky - , kružnice - .
- Existuje celkove desať možných kombinácií. Napr. znamená zostrojiť kružnicu, ktorá prechádza bodom a dotýka sa dvoch priamok. Dotyk s bodom znamená incidenciu s ním.
- Najjednoduchšie prípady nastanú, keď sú dané tri body alebo tri priamky; tieto prípady vyriešil Euklides vo svojich Základoch. Apolloniove úlohy patria dodnes k najpríťažlivejším úlohám syntetickej geometrie.
Historické poznámky.
- O dotyku kružníc údajne písal už Archimedes. Jeho spis sa však nezachoval. Taktiež sa nezachoval dvojzväzkový pôvodný spis Apollonia z Pergy (262?-190? pred n. l.) „O dotykoch".
- Zmienil sa o ňom Pappos okolo roku 320, podľa ktorého Apollonios vyriešil všetky úlohy s výnimkou prípadu troch kružníc.
- Úlohu s tromi kružnicami riešil ako prvý F. Viete (1540-1603) v spise „Apollonius Gallus" (Paríž, r. 1600). V riešení použil stredy rovnoľahlosti troch kružníc.
- Vo všeobecnom prípade je osem výsledkov. Ak sa dané tri kružnice navzájom dotýkajú, riešenia sú dve (tzv. Soddyho kružnice).
Metódy riešenia Apolloniovej úlohy
Literatúra
- [BEC] Bečvár J., Bečvářová M., Vymazalová H.(ed.), Matematika ve starověku Egypt a Mezopotámie. Prometheus, Praha 2003. Dostupné Tu.
- [CAS] Castellanos,J., NonEuclid: Interactive Javascript Software for Creating Straightedge and Collapsible Compass Constructions in the Disk Model of Hyperbolic Geometry. Dostupné Tu.
- [CIZ] Čižmár, J., Euklides Základy. Perfekt 2022. ISBN 9788082260314.
- [DAV]Davidová, E., Řešení planimetrických konstrukčních úloh. Ostrava 2005. Dostupné Tu.
- [DRA] Drábek K., Harant F., Setzer O.: Deskriptivní geometrie I, SNTL, Praha 1978.
- [EUC] Euklidove Základy., Elektronická - verzia (angl.). Dostupné Tu.
- [GRE] Greenberg, M., Euclidean and non-Euclidean geometries. Third. Development and history. W. H. Freeman and Company, New York, 1993. Dostupné Tu. Stiahnuté PDF Tu.
- [HIL] Hilbert, D., Grundlagen der Geometrie (Základy geometrie). 1899. Dostupné Tu.
- [HIT] Hitchman, M. P., Geometry with an Introduction to Cosmic Topology. Oregon, USA 2018. Dostupné Tu.
- [HYP] Hyperbolic Geometry, Part III. Dostupné Tu. Stiahnuté PDF Tu.
- [CHAL] Chalmovianská, J., Geometria 2 (pre študentov učiteľstva matematiky). Dostupné Tu.
- [CHRI] M. Christersson, M., GeoGebra Constructions in the Disc. Dostupné Tu.
- [JAN]Janyška, J.: Geometrické zobrazení. Skriptá Brno 2022. Dostupné Tu.
- [JOY] Joyce, D.E., Euclid's Elements, 1994. Dostupné Tu.
- [KRI] Križalkovič, K., Cuninka, A., Šedivý, O.: 500 riešených úloh z geometrie. 2. vyd. Bratislava: Alfa, 1972. Polytechnická knižnica.
- [LAR] Larson, Loren C., Problem-Solving Through Problems. Springer-Verlag New York Inc. 1983. ISBN: 978-0-387-96171-2. Dostupné Tu.
- [LUK] Lukáč, S., Bádateľský prístup k výučbe trojuholníkov. Matematika – fyzika – informatika 23 2014.
- [MAN] Manthey, J., GeoGebra Tools for Poincare Disk. Dostupné Tu.
- [MON] Monoszová, G., Planimetria. Dostupné Tu.
- [PLI] Plichtová, Petra., Webová aplikace pro výuku osové afinity a středové kolineace. Univerzita Karlova v Praze, Matematicko-fyzikální fakulta, DP, 2023. Dostupné Tu.
- [RUM] Rumanová,L., Vallo,D: Geometria – vybrané kapitoly. FPV UKF v Nitre, 2009. ISBN: 978-80-8094-567-1.
- [SKL] Sklenáriková, Z.: K metódam riešenia Apolloniovej úlohy. Matematika v proměnách věků. III. Praha, 2004.
- [SED] Šedivý, O., Vallo, D., Základy elementárnej geometrie. FPV UKF v Nitre, 2009. ISBN : 978-80-8094-623-4.Dostupné Tu.
- [SER] Servít, F., Eukleidovy Základy (Elementa). JČM, Praha, 1907. Dostupné Tu.
- Ukážka funkčného modelu "The hyperbolic plane" Tu, ktorý je prevzatý zo stránky TH .
- [VAL, 2005] Vallo, D.,Geometria perspektívnych trojuholníkov. FPV UKF v Nitre,2005, str.9. ISBN : 80-8050-825-9. Dostupné Tu.
- [VAL, 2016] Vallo, D., Metodika konštrukčných úloh z geometrie v prostredí DGS. UKF Nitra 2016. Dostupné Tu.
- [VAL, 2021] Vallo, D., Koncepcia výučby geometrie podporovanej implementáciou dynamických geometrických programov. Univerzita Konštantína Filozofa v Nitre. FPV Nitra, 2021. Stiahnuté PDF Tu.
- [VIN] Vinkler, M., Materiály v prostredí GeoGebra. Dodtupné Tu.
- ŽILKOVÁ, K. Dilemy v tvorbe e-kurzu Manipulačná geometria. In: Matematika v primárnej škole - rôzne cesty, rovnaké ciele. Prešov: Prešovská univerzita v Prešove, 2013. ISBN 978-80-555-0765-1, s. 276-280.