Cercul. Poligoane regulate – teorie, formule și exemple rezolvate
Evaluarea Națională – clasa a VIII-a · Geometrie. Elementele cercului, pozițiile relative ale unui punct, ale unei drepte și ale două cercuri, unghiurile în cerc, tangenta, lungimea cercului și aria discului, arcul și sectorul de cerc, apoi poligoanele regulate înscrise (triunghi echilateral, pătrat, hexagon regulat) cu latura, apotema și aria exprimate în funcție de raza cercului.
14.1Elementele cercului
Definiție
Cercul de centru \(O\) și rază \(r\), notat \(\mathcal{C}(O,r)\), este mulțimea punctelor din plan situate la distanța \(r\) față de punctul \(O\). Discul este reuniunea dintre cerc și interiorul său.
- raza – segmentul care unește centrul cu un punct al cercului (\(OA=r\));
- coarda – segmentul care unește două puncte ale cercului (\([DE]\));
- diametrul – coarda care trece prin centru: \(BC=d=2r\) (cea mai lungă coardă);
- arcul – porțiunea de cerc dintre două puncte ale sale, notat \(\overset{\frown}{DE}\); două puncte diametral opuse determină două semicercuri.
Poziția unui punct \(M\) față de \(\mathcal{C}(O,r)\): \(OM\lt r\) – în interior;\(OM=r\) – pe cerc;\(OM\gt r\) – în exterior.
Proprietăți ale coardelor
- Diametrul perpendicular pe o coardă înjumătățește coarda și arcul subîntins de ea.
- Într-un cerc, coardele congruente subîntind arce congruente și sunt egal depărtate de centru (și reciproc).
- Arcele cuprinse între două coarde paralele sunt congruente.
Exemplul 14.1
Rezolvare
Fie \(OM\perp AB\), \(M\in AB\). Atunci \(M\) este mijlocul lui \([AB]\), deci \(AM=4\text{ cm}\). În \(\triangle OMA\) dreptunghic: \(OM=\sqrt{5^2-4^2}=3\text{ cm}\).
14.2Poziții relative. Tangenta la cerc
Poziția unei drepte față de un cerc
Fie \(d\) distanța de la centrul \(O\) la dreaptă.
| Poziția dreptei | Puncte comune cu cercul | Condiția |
|---|---|---|
| exterioară | niciunul | \(d\gt r\) |
| tangentă | unul (punctul de tangență) | \(d=r\) |
| secantă | două | \(d\lt r\) |
Proprietățile tangentei
- Tangenta la cerc este perpendiculară pe raza dusă în punctul de tangență: \(PA\perp OA\).
- Tangentele duse dintr-un punct exterior la un cerc sunt congruente: \(PA=PB\), iar \(PO\) este bisectoarea unghiului \(APB\).
Exemplul 14.2
Rezolvare
\(OA\perp PA\), deci în \(\triangle OAP\) dreptunghic: \(PA=\sqrt{10^2-6^2}=8\text{ cm}\) și \(PB=PA=8\text{ cm}\).
\(\mathcal{A}_{OAPB}=2\cdot\mathcal{A}_{OAP}=2\cdot\dfrac{6\cdot8}{2}=48\text{ cm}^2\).
Pozițiile relative a două cercuri
Fie cercurile \(\mathcal{C}(O_1,R)\) și \(\mathcal{C}(O_2,r)\), \(R\ge r\), și \(d=O_1O_2\).
| Poziția | Puncte comune | Condiția |
|---|---|---|
| exterioare | niciunul | \(d\gt R+r\) |
| tangente exterior | unul | \(d=R+r\) |
| secante | două | \(R-r\lt d\lt R+r\) |
| tangente interior | unul | \(d=R-r\) |
| interioare | niciunul | \(d\lt R-r\) (concentrice dacă \(d=0\)) |
Exemplul 14.3
Rezolvare
\(R+r=7+3=10=d\), deci cercurile sunt tangente exterior.
14.3Unghiuri în cerc
Unghiul la centru și unghiul înscris
Unghiul la centru are vârful în centrul cercului și laturile raze; măsura lui este egală cu măsura arcului cuprins între laturi.
Unghiul înscris în cerc are vârful pe cerc, iar laturile sunt coarde; măsura lui este jumătate din măsura arcului cuprins între laturi.
\(m(\sphericalangle AOB)=m(\overset{\frown}{AB})\)\(m(\sphericalangle ACB)=\dfrac{m(\overset{\frown}{AB})}{2}=\dfrac{m(\sphericalangle AOB)}{2}\)
Măsura întregului cerc este \(360^\circ\); măsura unui semicerc este \(180^\circ\).
Consecințe
- Unghiurile înscrise care subîntind același arc sunt congruente.
- Unghiul înscris într-un semicerc este drept: dacă \([BC]\) este diametru și \(A\) este pe cerc, atunci \(m(\sphericalangle BAC)=90^\circ\). Reciproc, centrul cercului circumscris unui triunghi dreptunghic este mijlocul ipotenuzei.
Alte unghiuri în cerc
- Unghiul cu vârful în interiorul cercului (laturile sunt coarde): măsura este semisuma măsurilor arcelor cuprinse între laturi și prelungirile lor: \(m(\sphericalangle APB)=\dfrac{m(\overset{\frown}{AB})+m(\overset{\frown}{CD})}{2}\).
- Unghiul cu vârful în exteriorul cercului (laturile sunt secante sau tangente): măsura este semidiferența măsurilor arcelor cuprinse între laturi: \(m(\sphericalangle BPD)=\dfrac{m(\overset{\frown}{BD})-m(\overset{\frown}{AC})}{2}\).
- Unghiul dintre o tangentă și o coardă (vârful pe cerc): măsura este jumătate din măsura arcului cuprins între laturi.
Vârful în interior
Vârful în exterior
Exemplul 14.4
Rezolvare
\(m(\sphericalangle AOB)=100^\circ\) (unghi la centru);\(m(\sphericalangle ACB)=\dfrac{100^\circ}{2}=50^\circ\) (unghi înscris).
Exemplul 14.5
Rezolvare
\(m(\sphericalangle APB)=\dfrac{110^\circ+70^\circ}{2}=90^\circ\), deci coardele sunt perpendiculare.
Exemplul 14.6
Rezolvare
\(BC=\sqrt{36+64}=10\text{ cm}\). Unghiul drept este înscris într-un semicerc, deci \([BC]\) este diametru: \(R=\dfrac{BC}{2}=5\text{ cm}\).
14.4Patrulaterul inscriptibil
Definiție
Un patrulater este inscriptibil dacă vârfurile sale se află pe un cerc (cercul circumscris patrulaterului).
Un patrulater convex \(ABCD\) este inscriptibil dacă și numai dacă:
- are două unghiuri opuse suplementare: \(m(\sphericalangle A)+m(\sphericalangle C)=180^\circ\) (atunci și \(m(\sphericalangle B)+m(\sphericalangle D)=180^\circ\));
- sau unghiul format de o diagonală cu o latură este congruent cu unghiul format de cealaltă diagonală cu latura opusă: \(\sphericalangle BAC\equiv\sphericalangle BDC\).
Exemple
Dreptunghiul, pătratul și trapezul isoscel sunt patrulatere inscriptibile. Paralelogramul care nu este dreptunghi și rombul care nu este pătrat nu sunt inscriptibile.
Exemplul 14.7
Rezolvare
\(m(\sphericalangle C)=180^\circ-110^\circ=70^\circ\);\(m(\sphericalangle D)=180^\circ-75^\circ=105^\circ\).
14.5Lungimea cercului și aria discului
Lungimea cercului: \(L=2\pi R=\pi d\)Aria discului: \(\mathcal{A}=\pi R^2\)
(\(\pi\approx3{,}14\) – în rezultate se lasă de obicei \(\pi\) ca atare.)
Pentru un arc cu măsura \(n^\circ\) (unghiul la centru corespunzător are \(n^\circ\)):
Lungimea arcului: \[\ell_{\text{arc}}=\dfrac{\pi R n}{180}\]
Aria sectorului de cerc: \[\mathcal{A}_{\text{sector}}=\dfrac{\pi R^2 n}{360}\]
Aria coroanei circulare (între două cercuri concentrice de raze \(R\gt r\)):\(\mathcal{A}=\pi(R^2-r^2)\)
Atenție
Lungimea cercului se măsoară în unități de lungime (cm), aria discului în unități pătrate (cm²). Nu confunda raza cu diametrul: dacă se dă diametrul, \(R=\dfrac{d}{2}\).
Exemplul 14.8
Rezolvare
\(R=5\text{ cm}\);\(L=2\pi\cdot5=10\pi\text{ cm}\);\(\mathcal{A}=\pi\cdot5^2=25\pi\text{ cm}^2\).
Exemplul 14.9
Rezolvare
\(\ell=\dfrac{\pi\cdot6\cdot60}{180}=2\pi\text{ cm}\);\(\mathcal{A}_{\text{sector}}=\dfrac{\pi\cdot36\cdot60}{360}=6\pi\text{ cm}^2\).
Exemplul 14.10
Rezolvare
\(2\pi R=12\pi\Rightarrow R=6\text{ cm}\), deci \(\mathcal{A}=36\pi\text{ cm}^2\).
14.6Poligoane regulate
Definiție
Un poligon regulat este un poligon convex care are toate laturile congruente și toate unghiurile congruente. Exemple: triunghiul echilateral, pătratul, hexagonul regulat. Orice poligon regulat este înscris într-un cerc (de rază \(R\)) și circumscris unui cerc (de rază \(r\)), cercurile având același centru.
Apotema \(a_n\) este distanța de la centru la o latură; ea este egală cu raza cercului înscris: \(a_n=r\).
Pentru un poligon regulat cu \(n\) laturi, de latură \(l_n\):
unghiul la centru: \(\dfrac{360^\circ}{n}\)unghiul poligonului: \(\dfrac{(n-2)\cdot180^\circ}{n}\)suma unghiurilor: \((n-2)\cdot180^\circ\)
\(\mathcal{P}=n\cdot l_n\)\(\mathcal{A}=\dfrac{\mathcal{P}\cdot a_n}{2}\)\(R^2=a_n^2+\left(\dfrac{l_n}{2}\right)^2\)
| Poligonul înscris în cercul de rază \(R\) | Latura \(l_n\) | Apotema \(a_n\) | Aria |
|---|---|---|---|
| Triunghi echilateral | \(R\sqrt{3}\) | \(\dfrac{R}{2}\) | \(\dfrac{3R^2\sqrt{3}}{4}\) |
| Pătrat | \(R\sqrt{2}\) | \(\dfrac{R\sqrt{2}}{2}\) | \(2R^2\) |
| Hexagon regulat | \(R\) | \(\dfrac{R\sqrt{3}}{2}\) | \(\dfrac{3R^2\sqrt{3}}{2}\) |
| În funcție de latura \(l\) | Raza \(R\) | Apotema \(a\) | Aria |
|---|---|---|---|
| Triunghi echilateral | \(\dfrac{l\sqrt{3}}{3}\) | \(\dfrac{l\sqrt{3}}{6}\) | \(\dfrac{l^2\sqrt{3}}{4}\) |
| Pătrat | \(\dfrac{l\sqrt{2}}{2}\) | \(\dfrac{l}{2}\) | \(l^2\) |
| Hexagon regulat | \(l\) | \(\dfrac{l\sqrt{3}}{2}\) | \(\dfrac{3l^2\sqrt{3}}{2}\) |
Reține
În triunghiul echilateral, centrul cercului coincide cu centrul de greutate, deci \(R=\dfrac{2}{3}h\) și \(a=\dfrac{1}{3}h\), unde \(h=\dfrac{l\sqrt{3}}{2}\). Hexagonul regulat se descompune în 6 triunghiuri echilaterale cu latura \(R\), de aceea \(l_6=R\) și \(\mathcal{A}_{\text{hexagon}}=6\cdot\dfrac{R^2\sqrt{3}}{4}\).
Exemplul 14.11
Rezolvare
\(l_3=6\sqrt{3}\text{ cm}\);\(a_3=\dfrac{6}{2}=3\text{ cm}\);\(\mathcal{A}=\dfrac{3\cdot36\sqrt{3}}{4}=27\sqrt{3}\text{ cm}^2\).
Verificare: \(\mathcal{A}=\dfrac{l^2\sqrt{3}}{4}=\dfrac{108\sqrt{3}}{4}=27\sqrt{3}\text{ cm}^2\).
Exemplul 14.12
Rezolvare
\(R=\dfrac{d}{2}=\dfrac{8\sqrt{2}}{2}=4\sqrt{2}\text{ cm}\);\(r=a_4=\dfrac{8}{2}=4\text{ cm}\).
Exemplul 14.13
Rezolvare
\(\mathcal{P}=6\cdot4=24\text{ cm}\);\(\mathcal{A}=\dfrac{3\cdot16\sqrt{3}}{2}=24\sqrt{3}\text{ cm}^2\);\(a_6=\dfrac{4\sqrt{3}}{2}=2\sqrt{3}\text{ cm}\).
\(R=l=4\text{ cm}\), iar \([AD]\) este diametru: \(AD=2R=8\text{ cm}\).
Exemplul 14.14
Rezolvare
\(\dfrac{(8-2)\cdot180^\circ}{8}=\dfrac{1080^\circ}{8}=135^\circ\).
Rescris și completat după Breviar teoretic cu exemple concrete pentru Evaluarea Națională, prof. Ignătescu Viorel Ovidiu (Revista Mateinfo.ro, 2010).