קשר בין אלכסוני מרובע לצלעותיו - למורה

חומר לימוד:

חזרה וביסוס של הידע בגיאומטריה ואפשרות של שילוב עם טריגונומטריה ומשפט הקוסינוסים.

כיתה:

כיתה י' (בסיום גיאומטריה) או כיתה י"א

מבנה המשימה:

בעיית מטרה אחת ושלוש מדרגות.

ידע קודם:

הפעילות מתאימה לשימוש באחד משני שלבים בהוראה:

  • בסיום לימודי הגיאומטריה ללא שילוב הוכחות בעזרת טריגונומטריה כאשר מעוניינים לדון בתכונות מרובעים, משפט פיתגורס, שטח של מרובע שאלכסוניו מאונכים, ותכונות מרובע חסום במעגל.
  • לתרגול יישומי טריגונומטריה במישור: משפט פיתגורס ו/או משפט הקוסינוסים.

מטרות לימודיות:

הפעילות מאפשרת:

  • חזרה, ביסוס והעמקה של מכלול הידע בגיאומטריה.
  • פתרון חלק מהבעיות בדרכים נוספות הנעזרות בכלים טריגונומטריים.
  • פתרון שאלות בדרכים שונות וקישור בין שני התחומים.

משימת המטרה:

בבעיה ארבעה סעיפים הקשורים למלבן, טרפז שווה שוקיים ודלתון.

מדרגה 1:

שאלה אחת פרמטרית בטרפז שווה שוקיים, בה יש להביע את אלכסון הטרפז.

מדרגה 2:

שתי שאלות: אחת בטרפז שווה שוקיים פשוטה יותר ואחת בדלתון.

מדרגה 3:

שלוש שאלות: שתיים בטרפז שווה שוקיים המשלבות מספרים עם פרמטרים ואחת בדלתון.

שיטת הוראה:

בכיתה:

התלמידים יעבדו (רצוי בזוגות) בהתאם למדרגה בה הם בוחרים או בהתאם להכוונת המורה. בדיון הכיתתי תלמידים יציגו דרכים שונות לפתרון השאלות.

הערה:

המשימה "משפט תלמי" היא משימת המשך למשימה זו.
משימה זו מתמקדת בהוכחת המשפט: אם ניתן לחסום מרובע במעגל, אז מכפלת האורכים של אלכסוניו שווה לסכום המכפלות של אורכי הצלעות הנגדיות שלו ובשאלות נוספות בהן ניתן ליישם משפט זה.

משימות מומלצות:

בעיית מטרה

  1. הוכיחו כי במלבן מתקיימת התכונה: מכפלת האורכים של אלכסוני המלבן שווה לסכום המכפלות של אורכי הצלעות הנגדיות שלו.
  2. הוכיחו בדרכים שונות כי בטרפז שווה שוקיים מתקיימת התכונה: מכפלת האורכים של אלכסוני הטרפז שווה לסכום המכפלות של אורכי הצלעות הנגדיות שלו.
  3. הוכיחו כי בדלתון בו הזוויות הצדדיות ישרות מתקיימת התכונה: מכפלת האורכים של אלכסוני הדלתון שווה לסכום המכפלות של אורכי הצלעות הנגדיות שלו.
  4. אם למדתם על מעגל: איזו תכונה משותפת נוספת ישנה למלבן, לטרפז שווה שוקיים ולדלתון בו הזוויות הצדדיות ישרות?
  • במידת הצורך, פתרו את הבעיות במדרגה 1.

פתרונות חלקיים

הצעות להוכחה שבטרפז שווה שוקיים הטענה מתקיימת:
צ"ל: \(AC\cdot{BD}=AD\cdot{BC}+DC\cdot{AB}\)

דרך א (ללא טריגונומטריה)

בניית עזר: \(AE\) אנך ל- \(DC\) ו- \(BF\) אנך ל- \(DC\).

ניתן להוכיח כי:

\(DE=FC =0.5 \cdot{(DC-AB})\) 

 

משפט פיתגורס ב- \(\triangle{ADE}\):

\(AE^2=AD^2-DE^2=AD^2-0.25(DC-AB)^2=\)

\(AD^2-0.25DC^2+0.5AB\cdot DC-0.25AB^2\) 

 

משפט פיתגורס ב- \(\triangle{AEC}\):

\(EC=AB+FC=0.5\cdot(AB+DC)\)

\(AE^2=AC^2-EC^2=AC^2-0.25(AB+DC)^2=\)

\(AC^2-0.25AB^2-0.5AB⋅DC-0.25DC^2\)

לכן:

\(AC^2-0.25AB^2-0.5AB\cdot{DC}-0.25DC^2=AD^2-0.25DC^2+0.5AB\cdot{DC}-0.25AB^2\)

\(AC^2=AD^2+AB\cdot{DC}\)

 

בטרפז שווה שוקיים – השוקיים שוות. לכן: \(AD^2=AD\cdot{BC}\),

והאלכסונים בטרפז שווה שוקיים – שווים זה לזה. לכן:  \(AC^2 = AC\cdot{BD}\) 

נקבל: \(AC\cdot{BD} = AD\cdot{BC} +AB\cdot{DC}\)

 

דרך ב (בעזרת טריגונומטריה)

הצעה להוכחה שבטרפז שווה שוקיים הטענה מתקיימת:

צ"ל: \(AC\cdot{BD}=AD\cdot{BC}+DC\cdot{AB}\)

הוכחה:

בניית עזר: \(AE\) אנך ל- \(DC\)

על פי משפט הקוסינוסים במשולש \(ADC\):

\({AC}^2={AD}^2+{DC}^2-2\cdot{AD}\cdot{DC}\cdot{cos\sphericalangle{ADC}}\)

\(DE =0.5\cdot{(DC-AB)}\)

במשולש ישר זווית \(ADE\):

\(cos{\sphericalangle{ADC}}=\Large\frac{0.5(DC-AB)}{AD}\)

לכן:

\(AC^2=AD^2+DC^2-2\cdot{AD}\cdot{DC}\cdot{\Large\frac{0.5(DC-AB)}{AD}}\)

\(AC^2=AD^2+DC^2-DC^2+DC\cdot{AB}\)

\(AC^2=AD^2+DC\cdot{AB}\)

בטרפז שווה שוקיים – השוקיים שוות:  \(AD = BC\)

והאלכסונים שווים זה לזה: \(AC= BD\). 

לכן:

\(AC\cdot{BD}=AD\cdot{BC}+DC\cdot{AB}\)

מדרגה 1

\(ABCD\) טרפז שווה שוקיים.
quadrilateral-diagonals--pic01

נתון כי: \(AD=k\) , \(DC=b\) , \(AB=a\)

הביעו את \(DB\) בעזרת  \(k\) , \(b\) , \(a\).
מצאו לפחות שתי דרכים שונות.

  • אחרי שפתרתם את הבעיות במדרגה 1, פתרו את בעיית המטרה.
  • או, במידת הצורך, פתרו את הבעיות במדרגה 2.

מדרגה 2

\(ABCD\) טרפז שווה שוקיים, \(DE\) גובה הטרפז. נתון כי: \(AD=k\) , \(DC=b\) , \(AB=a\)
quadrilateral-diagonals--pic02

סעיף א

  1. הביעו את גובה הטרפז בעזרת  \(k\) , \(b\) , \(a\).
  2. נסמן את זווית \(\measuredangle DAB\) ב- \(\alpha\), הביעו את \(cos \space \alpha\) בעזרת \(k\) , \(b\) , \(a\).

סעיף ב

הוכיחו כי שטח דלתון שווה למחצית מכפלת אלכסוניו.

  • אחרי שפתרתם את הבעיות במדרגה 2, פתרו את בעיית המטרה.
  • או, במידת הצורך, פתרו את הבעיות במדרגה 3.

מדרגה 3

\(ABCD\) טרפז שווה שוקיים, \(DE\) גובה הטרפז.

נתון כי: \(AD=k \space cm\) , \(DC=8 \space cm\) , \(AB=12 \space cm\)

quadrilateral-diagonals--pic03

סעיף א

  1. הביעו את גובה הטרפז בעזרת  \(k\).
  2. נסמן את זווית \(\measuredangle DAB\) ב- \(\alpha\), הביעו את \(cos \space \alpha\) בעזרת \(k\).

סעיף ב

\(ABCD\) טרפז שווה שוקיים.

נתון כי: \(AD=k \space cm\) , \(DC=8 \space cm\) , \(AB=12 \space cm\)

quadrilateral-diagonals--pic04

הביעו את \(DB\) בעזרת \(k\).
מצאו לפחות שתי דרכים שונות.

סעיף ג

\(ABCD\) דלתון בו זוויות הצד ישרות, בטאו את שטח הדלתון בשני אופנים שונים.