Kąt wpisany i kąt środkowy to temat, na którym maturzysta zarabia łatwe punkty - pod warunkiem, że zna jedno twierdzenie i trzy wnioski z niego. W ciągu ostatnich pięciu lat zadanie z kątami w okręgu pojawiło się praktycznie w każdym majowym arkuszu CKE, a w nowej formule 2023 stało się jednym z pewniaków w sekcji zadań zamkniętych za 1-2 punkty. Jeśli masz dobrze opanowane to twierdzenie, wyciągasz z niego punkty w 30 sekund. Jeśli nie - tracisz je, a często tracisz też kolejne punkty w zadaniu otwartym, w którym kąt wpisany jest tylko etapem do rozwiązania.
W tym poradniku tłumaczę wszystko od zera. Najpierw definicje (kąt środkowy, kąt wpisany, łuk), potem główne twierdzenie z pełnym dowodem rozbitym na trzy przypadki, dalej cztery praktyczne wnioski (kąt oparty na średnicy, kąty oparte na tym samym łuku, czworokąt wpisany w okrąg, kąt między cięciwą a styczną), wreszcie pięć rozwiązanych zadań w stylu maturalnym i lista typowych pułapek. Robię to tak, żebyś po przeczytaniu mógł podejść do dowolnego zadania z kątami w okręgu i wiedzieć, od czego zacząć.
Kąt środkowy - definicja i miara
Kąt środkowy w okręgu to kąt, którego wierzchołek leży w środku okręgu, a ramiona są promieniami. Krótko: bierzesz środek , dwa promienie i , i kąt jest kątem środkowym.
Każdemu kątowi środkowemu odpowiada pewien łuk - ten, który leży "wewnątrz" tego kąta. I tutaj mamy kluczową własność: miara kąta środkowego jest równa mierze łuku, na którym jest oparty. Mierząc łuk w stopniach przyjmujemy, że cały okrąg ma . Jeśli więc cięciwa wycina łuk o mierze , to kąt środkowy ma dokładnie .
Z tego płynie pierwszy praktyczny wniosek: jeżeli łuk stanowi długości całego okręgu, to kąt środkowy oparty na tym łuku ma miarę . Wracają tu czasem zadania typu "łuk ma długość długości okręgu" - wystarczy pomnożyć przez .
W zadaniach maturalnych spotkasz też kąt środkowy wypukły (mniej niż ) i wklęsły (więcej niż ). Suma obu jest oczywiście równa pełnemu kątowi, czyli . Jeśli z rysunku nie wynika jednoznacznie, o który chodzi, popatrz na to, po której stronie cięciwy jest zaznaczony punkt definiujący łuk.
Kąt wpisany - definicja
Kąt wpisany w okrąg to kąt, którego wierzchołek leży na okręgu, a ramiona są cięciwami tego okręgu. Innymi słowy: punkt leży na okręgu, z niego wychodzą dwie cięciwy do punktów i leżących też na okręgu, i kąt jest kątem wpisanym.
Łuk, na którym kąt wpisany jest oparty, to ten łuk , który nie zawiera wierzchołka . To istotne, bo z dwóch łuków wyciętych przez cięciwę (krótszy i dłuższy) tylko jeden jest "obsługiwany" przez kąt z wierzchołkiem w .
Kąt wpisany jest zawsze ostry lub rozwarty, ale nie pełny i nie półpełny w klasycznym sensie - bo jeśli punkt leży dokładnie na cięciwie (czyli , , są współliniowe), to mówimy o sytuacji granicznej. W zadaniach maturalnych zakładamy, że punkty są w "ogólnym położeniu", o ile rysunek nie pokazuje inaczej.
Twierdzenie o kącie wpisanym i środkowym
To jest twierdzenie, dla którego pisałem ten poradnik. Wymyśl je raz, a wracaj do niego zawsze.
Twierdzenie: Jeżeli kąt wpisany i kąt środkowy są oparte na tym samym łuku, to miara kąta wpisanego jest dwa razy mniejsza od miary kąta środkowego. Krótko:gdzie to kąt wpisany, a - kąt środkowy oparty na tym samym łuku. Z tego od razu wynika równoważna forma, której często używa CKE:
"Kąt środkowy to dwa razy kąt wpisany oparty na tym samym łuku".
Pamiętaj o słowie kluczowym: oparte na tym samym łuku. Jeśli kąt wpisany i kąt środkowy są oparte na różnych łukach (na przykład jeden patrzy na łuk krótszy, drugi na dłuższy), to twierdzenie nie działa w takiej prostej postaci - musisz rozłożyć zadanie na łuki i pracować z każdym osobno.
Dowód twierdzenia o kącie wpisanym
Dowód jest ładny i warto go znać, bo czasem CKE prosi o uzasadnienie z odwołaniem do tego twierdzenia, a w zadaniach na dowód z planimetrii jest to standardowy budulec. Rozbijamy go na trzy przypadki, w zależności od położenia środka okręgu względem kąta wpisanego.
Przypadek 1 - środek leży na jednym z ramion kąta wpisanego.
Niech będzie wierzchołkiem kąta wpisanego, a środek okręgu niech leży na promieniu . Wtedy odcinek jest średnicą okręgu. Trójkąt jest równoramienny, bo . Kąty przy podstawie są więc równe, oznaczmy je : .
Kąt jest kątem zewnętrznym trójkąta przy wierzchołku . Z twierdzenia o kącie zewnętrznym (równa się sumie dwóch przeciwległych kątów wewnętrznych): . Czyli , co należało udowodnić.
Przypadek 2 - środek leży wewnątrz kąta wpisanego.
Niech środek leży wewnątrz kąta . Poprowadźmy z punktu średnicę (czyli przedłużmy do drugiego punktu okręgu). Ta średnica dzieli kąt na dwa kąty: i . Z przypadku 1 wiemy, że oraz . Dodając stronami: . Gotowe.
Przypadek 3 - środek leży na zewnątrz kąta wpisanego.
Tym razem średnica leży na zewnątrz kąta . Z przypadku 1: oraz . Odejmując: . Również , co kończy dowód.
Te trzy przypadki wyczerpują wszystkie możliwe położenia środka względem kąta wpisanego, więc twierdzenie zachodzi zawsze. Większość zadań na maturze nie wymaga przytaczania dowodu - wystarczy go raz przerobić, żeby wiedzieć, dlaczego twierdzenie jest prawdziwe i czemu można mu ufać.
Cztery wnioski, których nauczysz się na pamięć
Z głównego twierdzenia wyciąga się cztery praktyczne wnioski, które wracają w zadaniach. Naucz się ich nie tylko jako wzorów, ale przede wszystkim jako "schematu rozpoznawania" sytuacji na rysunku.
Wniosek 1 - kąt wpisany oparty na średnicy
Jeżeli cięciwa jest średnicą okręgu, to kąt środkowy ma miarę (bo jest kątem półpełnym - punkty , , są współliniowe). Z twierdzenia wynika natychmiast, że każdy kąt wpisany oparty na tej średnicy ma miarę:Kąt wpisany oparty na średnicy jest prosty. To jest jeden z najczęściej wykorzystywanych wniosków na maturze. Widzisz na rysunku trójkąt wpisany w okrąg, którego jeden bok jest średnicą - od razu wiesz, że trójkąt jest prostokątny, z przeciwprostokątną równą tej średnicy. Często łączy się to z twierdzeniem Pitagorasa i jest gotowy schemat zadania.
Działa to też w drugą stronę: każdy trójkąt prostokątny jest wpisany w okrąg, którego średnicą jest przeciwprostokątna. To z kolei wykorzystujesz w zadaniach o promieniu okręgu opisanego na trójkącie prostokątnym.
Wniosek 2 - kąty wpisane oparte na tym samym łuku są równe
Jeśli dwa różne kąty wpisane są oparte na tym samym łuku (z dwóch różnych wierzchołków na okręgu patrzą na ten sam fragment łuku), to mają tę samą miarę. Bo każdy z nich jest równy połowie kąta środkowego opartego na tym łuku, więc oba są równe.
W praktyce: jeżeli punkty i leżą na okręgu po tej samej stronie cięciwy , to . To pozwala "przeskakiwać" z jednego trójkąta wpisanego do drugiego.
Wniosek 3 - czworokąt wpisany w okrąg
Jeżeli czworokąt jest wpisany w okrąg, to sumy miar jego przeciwległych kątów są równe :Dowód jest jednolinijkowy. Kąt jest wpisany, oparty na łuku (tym, który nie zawiera ). Kąt jest wpisany, oparty na łuku . Razem te dwa łuki tworzą cały okrąg, więc suma odpowiadających im kątów środkowych to . Suma kątów wpisanych to połowa tej liczby, czyli .
To twierdzenie ma też wersję odwrotną - jeśli w czworokącie sumy przeciwległych kątów to , to można na nim opisać okrąg. To częsty trik w zadaniach z planimetrii.
Wniosek 4 - kąt między cięciwą a styczną
Jeżeli z punktu na okręgu poprowadzimy styczną do okręgu i cięciwę , to kąt między cięciwą a styczną jest równy kątowi wpisanemu opartemu na cięciwie (po przeciwnej stronie cięciwy):gdzie jest dowolnym punktem na drugim łuku.
To jest bezpośrednia konsekwencja tego, że w punkcie styczności promień jest prostopadły do stycznej (więcej o tym w poradniku Jak wyznaczyć równanie stycznej do okręgu). Można pokazać, że ten kąt też jest równy połowie odpowiedniego kąta środkowego, więc jest tak samo "wpisanopodobny".
Pojawia się w nowej formule CKE, więc warto go znać dokładnie. W treningowych arkuszach CKE PP wprost znalazło się zadanie typu "Kąt między cięciwą a styczną do okręgu w punkcie ma miarę . Oblicz kąt wpisany oparty na " - odpowiedź to po prostu .
Zadanie 1 - klasyczne podstawienie do wzoru
W okręgu o środku kąt środkowy ma miarę . Oblicz miarę kąta wpisanego , gdzie jest punktem leżącym na dłuższym łuku .
Rozwiązanie. Punkt leży na dłuższym łuku, więc kąt wpisany jest oparty na krótszym łuku . Krótszy łuk odpowiada kątowi środkowemu (mniejszy niż , więc to jest właśnie ten wypukły kąt środkowy z polecenia).
Z twierdzenia:Odpowiedź: kąt wpisany ma miarę .
Pułapka. Gdyby leżał na krótszym łuku, kąt wpisany byłby oparty na dłuższym łuku . Dłuższy łuk odpowiada wklęsłemu kątowi środkowemu , więc kąt wpisany miałby . Zawsze patrz, na którym łuku siedzi wierzchołek kąta wpisanego.
Zadanie 2 - kąt oparty na średnicy (Matura maj 2017, zad. 15)
Na okręgu o środku leży punkt . Odcinek jest średnicą tego okręgu. Kąt ma miarę . Oblicz miarę kąta .
Rozwiązanie. Trójkąt jest równoramienny, bo . Kąty przy podstawie są równe, więc .
Kąt jest kątem wpisanym opartym na średnicy , więc z wniosku 1 ma miarę . Trójkąt jest prostokątny przy wierzchołku . Suma kątów w trójkącie to :Tak naprawdę można było szybciej: skoro jest kątem wpisanym opartym na łuku , a jest kątem wpisanym opartym na łuku , to oba dopełniają się do (bo razem dają kąt wpisany oparty na średnicy minus dwa razy kąt prosty). Ale wersja z trójkątem prostokątnym jest bardziej "matematyka 9-klasisty" i mniej podatna na błąd.
Odpowiedź: .
Zadanie 3 - dwa kąty wpisane (Matura maj 2020, zad. 17)
Punkty , , , leżą na okręgu o środku w punkcie . Kąt środkowy ma miarę . Oblicz miarę kąta wpisanego oraz miarę kąta , zakładając, że i leżą po przeciwnej stronie cięciwy niż łuk wycięty przez kąt środkowy.
Rozwiązanie. Łuk odpowiadający kątowi środkowemu jest krótszym łukiem. Punkty i leżą na dłuższym łuku, więc oba kąty wpisane i są oparte na tym samym, krótszym łuku .
Z twierdzenia o kącie wpisanym:A z wniosku 2 (kąty wpisane oparte na tym samym łuku są równe):
Odpowiedź: oba kąty mają miarę .
To zadanie pokazuje, dlaczego warto znać wniosek 2 osobno. Bez niego musiałbyś dwa razy podstawiać do twierdzenia. Z nim widzisz "ten sam łuk" i odpowiedź wyskakuje od razu.
Zadanie 4 - czworokąt wpisany w okrąg
Czworokąt jest wpisany w okrąg. Wiadomo, że , . Oblicz miary kątów i .
Rozwiązanie. Z twierdzenia o czworokącie wpisanym (wniosek 3):Sprawdzenie - suma wszystkich kątów w czworokącie powinna wynosić :
Zgadza się. Odpowiedź: , .
Zwróć uwagę, że bez informacji "czworokąt jest wpisany w okrąg" miałbyś tylko jedno równanie (suma kątów ) i dwie niewiadome. Dopiero własność czworokąta wpisanego daje drugie równanie, które zamyka układ.
Zadanie 5 - łuk jako ułamek okręgu (Matura czerwiec 2024, zad. 27)
Punkty , , leżą na okręgu o środku i promieniu . Długość łuku , na którym jest oparty kąt wpisany , jest równa długości całego okręgu. Oblicz miarę kąta .
Rozwiązanie. Najpierw kąt środkowy oparty na łuku . Łuk to całego okręgu, a cały okrąg odpowiada kątowi pełnemu , więc:Kąt wpisany jest dwa razy mniejszy:
Odpowiedź: .
Schemat "łuk to ułamek okręgu" widzisz często - znasz długość łuku w jednostkach okręgu, mnożysz przez , dostajesz kąt środkowy, dzielisz na pół, dostajesz kąt wpisany. Trzy kroki, trzy linijki rozwiązania.
Typowe pułapki i błędy
Pomylenie łuków. Najczęstszy błąd - patrzysz na kąt wpisany i odruchowo wiążesz go z pierwszym lepszym kątem środkowym, który widzisz. A trzeba sprawdzić, czy oba są oparte na tym samym łuku. Wierzchołek kąta wpisanego musi leżeć na drugim łuku niż ten, na którym kąt jest oparty. Zaznacz sobie ołówkiem łuk, na którym jest oparty kąt wpisany - to jest łuk po przeciwnej stronie wierzchołka.
Kąt środkowy wklęsły. Niektóre zadania używają wklęsłego kąta środkowego (większego niż ). Wtedy kąt wpisany może wyjść większy niż - i to jest poprawne. Klucz: musi się zmieścić w , a kąt wpisany może być rozwarty.
Trójkąt równoramienny z promieniami. Każdy odcinek między dwoma punktami okręgu i środkiem tworzy trójkąt równoramienny (dwa boki to promienie). Wykorzystuj to. Zadania CKE bardzo często mają w treści "Kąt ma miarę " - z tego od razu masz i kąt środkowy .
Mylenie kąta między cięciwą a styczną z kątem wpisanym. Wniosek 4 mówi, że kąt między cięciwą a styczną jest równy odpowiedniemu kątowi wpisanemu (z drugiego łuku) - a nie kątowi środkowemu. Jeśli widzisz w treści "kąt między cięciwą a styczną", to traktuj go tak jak kąt wpisany, nie jak środkowy. Wykorzystaj to w zadaniach mieszanych ze styczną do okręgu.
Pominięcie wpisalności. Jeśli zadanie mówi "czworokąt wpisany w okrąg", ZAWSZE używaj wniosku 3 - to jest dodatkowe równanie, które autor zadania świadomie ci podarował. Bez niego problem nie ma rozwiązania jednoznacznego.
Zła kolejność liter. Kąt to ten sam co - kolejność skrajnych liter nie ma znaczenia, ale środkowa litera (wierzchołek) - tak. Jeśli pomylisz wierzchołek, rachunek będzie odnosił się do innego kąta.
Brak rysunku. W zadaniach z planimetrii pierwsze 30 sekund spędź na narysowaniu sytuacji. Zaznacz promienie, kąt środkowy, łuk, na którym jest oparty kąt wpisany. Bez rysunku łatwo o błąd w identyfikacji łuków.
Jak rozpoznać typ zadania w pół minuty
Zadania z kątami w okręgu da się szybko sklasyfikować i każdy typ ma własny schemat rozwiązania:
Jeśli widzisz kąt środkowy i kąt wpisany na rysunku, to klasyczne podstawienie . Sprawdź tylko, czy są na tym samym łuku.
Jeśli widzisz trójkąt wpisany w okrąg ze średnicą jako bokiem, to trójkąt jest prostokątny, a kąt naprzeciw średnicy ma . Dalej idziesz Pitagorasem lub trygonometrią.
Jeśli widzisz czworokąt wpisany w okrąg, to przeciwległe kąty sumują się do . Plus suma wszystkich kątów to - razem masz układ równań.
Jeśli widzisz dwa kąty wpisane patrzące na tę samą cięciwę z tej samej strony, to są równe.
Jeśli widzisz kąt między styczną a cięciwą, to jest równy kątowi wpisanemu opartemu na tej cięciwie (z przeciwnego łuku).
Jeśli widzisz trójkąt z dwoma wierzchołkami na okręgu i środkiem okręgu, to jest równoramienny. To bardzo często wystarcza do całego rozwiązania.
Powiązane tematy na maturze
Twierdzenie o kącie wpisanym świetnie współgra z innymi zagadnieniami planimetrii. Warto je opanować razem, bo na maturze coraz częściej pojawiają się zadania łączące kilka twierdzeń w jednym poleceniu. Sprawdź:
Jeśli chcesz przećwiczyć kąty wpisane na zadaniach maturalnych, polecam zacząć od Zadanie 16 z arkusza Matura maj 2011 (proste podstawienie), potem Zadanie 17 z Matura maj 2020 i Zadanie 24 z Matura maj 2023. To są dobre rampy trudności i pokrywają wszystkie cztery wnioski z tego poradnika.
Checklist - co musisz umieć przed maturą
Przed wejściem do sali sprawdź, czy potrafisz wszystko z poniższej listy bez zaglądania do notatek. Jeśli choć przy jednej rzeczy się zawahasz - wróć i przerób ją jeszcze raz.
Definicje: kąt środkowy (wierzchołek w środku, ramiona to promienie), kąt wpisany (wierzchołek na okręgu, ramiona to cięciwy), łuk, na którym kąt jest oparty.
Główne twierdzenie: , gdy oba są oparte na tym samym łuku.
Wniosek 1: kąt wpisany oparty na średnicy ma .
Wniosek 2: kąty wpisane oparte na tym samym łuku są równe.
Wniosek 3: w czworokącie wpisanym sumy przeciwległych kątów to .
Wniosek 4: kąt między cięciwą a styczną jest równy kątowi wpisanemu opartemu na tej cięciwie z przeciwnego łuku.
Wzór "łuk ułamkiem okręgu": jeśli łuk to długości okręgu, kąt środkowy to .
Trójkąt z dwoma wierzchołkami na okręgu i środkiem jest zawsze równoramienny.
Mając to opanowane, kąty w okręgu nie zabiorą ci na maturze więcej niż minutę za zadanie - a w sumie to są 2-4 łatwe punkty na arkusz. Powodzenia.
Przestań szukać, zacznij ćwiczyć
Masz tu wszystko czego potrzebujesz do matury. Prawdziwe zadania CKE z rozwiązaniami krok po kroku, filmy i śledzenie postępu. Jednorazowo, bez subskrypcji.
2438
zadań CKE
2000+
rozwiązań
1537
filmów