Lecția IV.1 conține următoarele grupuri de exerciții:

Alege rezolvarea exercițiului:

Exercițiul 1 (gratuit)

Rezolvare scurtă

a)
În \( \Delta ABC \), cu \( \sphericalangle B = 90^\circ \), aplicăm Teorema lui Pitagora:\[ AC^2 = AB^2 + BC^2 = 4^2 + 3^2 = 16 + 9 = 25 \]\[ AC = 5 \text{ cm} \]În \( \Delta ACD \), cu \( \sphericalangle C = 90^\circ \), aplicăm Teorema lui Pitagora:\[ AD^2 = AC^2 + CD^2 = 5^2 + 12^2 = 25 + 144 = 169 \]\[ AD = 13 \text{ cm} \]În \( \Delta ABD \), cu \( \sphericalangle B = 90^\circ \), aplicăm Teorema lui Pitagora:\[ BD^2 = AD^2 - AB^2 = 13^2 - 4^2 = 169 - 16 = 153 \]\[ BD = \sqrt{153} = 3\sqrt{17} \text{ cm} \]
b)
În \( \Delta BCD \), verificăm relația dintre laturi:\[ BC^2 + CD^2 = 3^2 + 12^2 = 9 + 144 = 153 \]\[ BD^2 = 153 \]\[ BC^2 + CD^2 = BD^2 \]Conform Reciprocei Teoremei lui Pitagora, rezultă că \( \Delta BCD \) este dreptunghic, cu ipotenuza \( BD \). Astfel:\[ \sphericalangle BCD = 90^\circ \]

Rezolvare detaliată

a) Calculează lungimile segmentelor AC, AD și BD.

Calculul lungimii segmentului AC

Știm din ipoteză că \( \sphericalangle ABC = 90^\circ \). Aceasta înseamnă că punctele \( A, B, C \) formează un triunghi dreptunghic cu unghiul drept în vârful \( B \). Pentru a afla ipotenuza \( AC \), aplicăm Teorema lui Pitagora în \( \Delta ABC \): \[ AC^2 = AB^2 + BC^2 \] Înlocuim valorile cunoscute, \( AB = 4 \text{ cm} \) și \( BC = 3 \text{ cm} \): \[ AC^2 = 4^2 + 3^2 \] \[ AC^2 = 16 + 9 \] \[ AC^2 = 25 \] Extragem radicalul pentru a obține lungimea lui \( AC \): \[ AC = \sqrt{25} = 5 \text{ cm} \]

Calculul lungimii segmentului AD

Din ipoteză ni se comunică faptul că \( \sphericalangle ACD = 90^\circ \). Prin urmare, triunghiul \( ACD \) este dreptunghic în \( C \). Aplicăm din nou Teorema lui Pitagora în \( \Delta ACD \) pentru a calcula ipotenuza \( AD \): \[ AD^2 = AC^2 + CD^2 \] Introducem valoarea calculată anterior pentru \( AC = 5 \text{ cm} \) și valoarea dată pentru \( CD = 12 \text{ cm} \): \[ AD^2 = 5^2 + 12^2 \] \[ AD^2 = 25 + 144 \] \[ AD^2 = 169 \] Calculăm radicalul pentru a afla lungimea lui \( AD \): \[ AD = \sqrt{169} = 13 \text{ cm} \]

Calculul lungimii segmentului BD

Ni se dă, de asemenea, că \( \sphericalangle ABD = 90^\circ \), așadar triunghiul \( ABD \) este dreptunghic în \( B \). În acest triunghi cunoaștem o catetă, \( AB = 4 \text{ cm} \), și ipotenuza calculată mai devreme, \( AD = 13 \text{ cm} \). Trebuie să aflăm cealaltă catetă, \( BD \). Scriem Teorema lui Pitagora pentru \( \Delta ABD \): \[ AD^2 = AB^2 + BD^2 \] Din această relație, izolăm necunoscuta \( BD^2 \): \[ BD^2 = AD^2 - AB^2 \] Înlocuim valorile numerice: \[ BD^2 = 13^2 - 4^2 \] \[ BD^2 = 169 - 16 \] \[ BD^2 = 153 \] Extragem radicalul și simplificăm, știind că \( 153 = 9 \cdot 17 \): \[ BD = \sqrt{153} = \sqrt{9 \cdot 17} = 3\sqrt{17} \text{ cm} \]

b) Demonstrează că ∡BCD = 90°.

Verificarea naturii triunghiului BCD

Pentru a demonstra că un unghi al unui triunghi este de \( 90^\circ \) atunci când cunoaștem lungimile laturilor sale, vom utiliza Reciproca Teoremei lui Pitagora. În \( \Delta BCD \), analizăm laturile: Cunoaștem \( BC = 3 \text{ cm} \), \( CD = 12 \text{ cm} \) și știm că pătratul laturii \( BD \) este \( BD^2 = 153 \). Calculăm suma pătratelor laturilor \( BC \) și \( CD \): \[ BC^2 + CD^2 = 3^2 + 12^2 \] \[ BC^2 + CD^2 = 9 + 144 \] \[ BC^2 + CD^2 = 153 \] Comparăm acest rezultat cu valoarea lui \( BD^2 \). Observăm egalitatea: \[ BC^2 + CD^2 = BD^2 \] Deoarece pătratul unei laturi este egal cu suma pătratelor celorlalte două laturi, conform Reciprocei Teoremei lui Pitagora, deducem că triunghiul \( BCD \) este dreptunghic. Latura \( BD \) se află singură pe o parte a egalității, deci ea este ipotenuza. Unghiul care i se opune este unghiul format de vârfurile \( B, C, D \), adică unghiul \( C \). În concluzie, unghiul de la vârful \( C \) este drept: \[ \sphericalangle BCD = 90^\circ \]

Rezolvare scurtă:

a)

\[ AC = \sqrt{4^2 + 3^2} = \sqrt{16 + 9} = \sqrt{25} = 5 \text{ cm} \] \[ AD = \sqrt{5^2 + 12^2} = \sqrt{25 + 144} = \sqrt{169} = 13 \text{ cm} \] \[ BD = \sqrt{13^2 - 4^2} = \sqrt{169 - 16} = \sqrt{153} = 3\sqrt{17} \text{ cm} \]

b)

\[ BC^2 + CD^2 = 3^2 + 12^2 = 9 + 144 = 153 \] \[ BD^2 = 153 \] \[ BC^2 + CD^2 = BD^2 \Rightarrow \Delta BCD \text{ este dreptunghic } \Rightarrow \sphericalangle BCD = 90^\circ \]

Cele mai importante aspecte ale lecției

Conceptele geometriei în spațiu se bazează pe relațiile dintre puncte (0D), drepte (1D) și plane (2D).
• O dreaptă este unic determinată de oricare două puncte de pe ea (\(d = AB\)). Dacă două plane se taie, o fac de-a lungul unei drepte (\(\alpha \cap \beta = d\)).
• Un plan poate fi determinat prin patru metode sigure: 3 puncte necoliniare, 2 drepte paralele, 2 drepte concurente sau o dreaptă și un punct exterior ei.
• Dacă două puncte ale unei drepte aparțin unui plan, atunci toată dreapta este inclusă în acel plan (\(AB \subset \alpha\)).
Punctul nu are nicio dimensiune (este doar un loc bine definit în spațiu). Se notează cu litere mari din alfabetul latin (\(A, B, C, \dots\)).
Dreapta este prelungită infinit în ambele direcții și are o singură dimensiune (lungimea). Este lipsită de grosime. Se notează cu litere mici din alfabetul latin (\(a, b, d, \dots\)) sau prin două puncte distincte de pe ea (\(AB\)).
Planul se extinde infinit în toate direcțiile, având două dimensiuni. Intuitiv, ne putem imagina o suprafață perfect plată, precum o foaie infinită. Se reprezintă geometric printr-un paralelogram și se notează cu litere mici din alfabetul grecesc (\(\alpha, \beta, \gamma, \dots\)) sau prin 3 puncte necoliniare (\((ABC)\)).
Sunt desenate trei puncte distincte, A, B și C, poziționate aleatoriu în partea stângă-sus a diagramei. O linie dreaptă orizontală, notată cu 'd', este trasată în partea central-superioară a diagramei. Sub această linie și ocupând partea inferioară a diagramei, se află un plan reprezentat printr-un paralelogram desenat în perspectivă, notat cu litera grecească '$\alpha$' (alfa).
Cum se citește notația \(\alpha = (MNP)\)?
Se citește: planul \(\alpha\) este determinat de (și coincide cu) planul format de punctele necoliniare \(M, N\) și \(P\).
Axiomele sunt propoziții matematice fundamentale considerate adevărate fără a necesita demonstrație. Ele stau la baza oricărui raționament geometric.
P1. Prin două puncte diferite trece o dreaptă și numai una. Două puncte diferite determină o dreaptă unică. \[ A \neq B \Rightarrow d = AB \]
P2. (Axioma lui Euclid) Printr-un punct exterior unei drepte se poate duce o singură dreaptă paralelă la dreapta dată (ambele drepte aflându-se în același plan).
P3. Prin trei puncte necoliniare trece un plan și numai unul. \[ A, B, C \text{ necoliniare} \Rightarrow \text{determină planul } (ABC) \]
P4. Dacă o dreaptă are două puncte diferite comune cu un plan, atunci întreaga dreaptă este inclusă în acel plan. \[ A, B \in d \text{ și } A, B \in \alpha \Rightarrow d \subset \alpha \]
P5. Dacă două plane distincte au un punct comun, atunci intersecția lor este o dreaptă. \[ \alpha \cap \beta = d \]
P6. În spațiu există (cel puțin) patru puncte nesituate în același plan (puncte necoplanare). Această axiomă confirmă trecerea la geometria tridimensională.
Pe baza axiomelor, există patru modalități prin care un plan poate fi determinat în mod unic:
Trei puncte necoliniare determină un plan. Notăm \(\alpha = (ABC)\).
Două drepte paralele determină un plan. Dacă \(a \parallel b\), notăm planul unic \(\alpha = (a, b)\).
Două drepte concurente (care se intersectează într-un punct) determină un plan. Dacă \(a \cap b = \{O\}\), notăm \(\alpha = (a, b)\).
O dreaptă și un punct exterior ei determină un plan. Dacă \(A \notin d\), notăm \(\alpha = (d, A)\).
Avem două drepte, \(m\) și \(n\), care se intersectează în punctul \(P\). Pot exista două plane diferite care să conțină ambele drepte?
Nu. Două drepte concurente determină un plan unic. Prin urmare, există un singur plan care conține atât dreapta \(m\), cât și dreapta \(n\).

Probleme practice

Ușoară: Punctele distincte \(M\) și \(N\) aparțin planului \(\beta\). Dreapta \(d\) trece prin punctele \(M\) și \(N\). Care este relația dintre dreapta \(d\) și planul \(\beta\)?
Conform axiomei P4, dacă o dreaptă are două puncte diferite comune cu un plan, atunci dreapta este inclusă în acel plan. Deoarece \(M \in \beta\) și \(N \in \beta\), rezultă că dreapta \(MN\) (adică dreapta \(d\)) este inclusă în planul \(\beta\).
Scriem: \(d \subset \beta\).
Medie: Fie planul \((ABC)\) și un punct \(D\) situat în exteriorul acestui plan. Care este intersecția dintre planul \((ABC)\) și planul \((ABD)\)?
Analizăm denumirile celor două plane: \((ABC)\) conține punctele \(A, B, C\), iar \((ABD)\) conține punctele \(A, B, D\).
Cele două plane au punctele \(A\) și \(B\) în comun.
Conform axiomei P5, intersecția a două plane distincte care au un punct comun (în cazul nostru au două) este o dreaptă. Punctele comune determină dreapta de intersecție.
Răspuns: \((ABC) \cap (ABD) = AB\) (dreapta \(AB\)).
Dificilă: Fie 4 puncte necoplanare, notate \(A, B, C, D\). Câte plane distincte determină aceste 4 puncte, luându-le câte 3? Scrieți denumirile lor.
Știm că 3 puncte necoliniare determină un plan unic. Deoarece cele 4 puncte sunt necoplanare (nu se află toate în același plan), oricare 3 dintre ele vor fi automat necoliniare și vor forma un plan distinct.
Combinând punctele câte 3, obținem următoarele plane:
  • Planul format de \(A, B, C\) \(\Rightarrow (ABC)\)
  • Planul format de \(A, B, D\) \(\Rightarrow (ABD)\)
  • Planul format de \(A, C, D\) \(\Rightarrow (ACD)\)
  • Planul format de \(B, C, D\) \(\Rightarrow (BCD)\)
Răspuns: Cele 4 puncte necoplanare determină exact 4 plane distincte. (Acestea reprezintă fețele unui tetraedru).

Învinge
tema
cu mii de rezolvări, lecții și teste: