Promień okręgu wpisanego i opisanego na trójkącie to jeden z tych tematów, na których uczniowie tracą punkty nie dlatego, że są trudne, tylko dlatego, że nie wiedzą, którego wzoru użyć w danej sytuacji. Z naszej analizy arkuszy maturalnych 2010-2025 zadania z R i r pojawiają się prawie co roku, raz jako zadanie zamknięte za 1 punkt, raz jako element większego zadania otwartego z planimetrii za 3-5 punktów. Najczęściej w połączeniu z twierdzeniem Pitagorasa albo twierdzeniem sinusów lub kosinusów.
W tym poście pokażę ci wszystkie wzory na R i r, które realnie przydają się na maturze podstawowej, omówię kiedy stosować który, rozwiążemy razem pięć zadań w różnych konfiguracjach trójkątów i przejdziemy przez najczęstsze pułapki. Na końcu znajdziesz checklistę, która pozwala w 30 sekund wybrać właściwy wzór i zacząć liczyć.
Co to jest okrąg wpisany i opisany na trójkącie
Zanim wskoczymy we wzory, upewnij się, że dobrze rozumiesz, o czym mówimy. To są dwa różne okręgi, o różnym położeniu i różnych własnościach.
Okrąg opisany na trójkącie to taki, który przechodzi przez wszystkie trzy wierzchołki trójkąta. Jego środek leży w punkcie przecięcia symetralnych boków trójkąta (symetralna boku to prosta prostopadła do boku, przechodząca przez jego środek). Promień tego okręgu oznaczamy literą . Każdy trójkąt da się wpisać w jakiś okrąg, więc dla dowolnego trójkąta zawsze istnieje dokładnie jedno .
Okrąg wpisany w trójkąt to taki, który jest styczny do wszystkich trzech boków trójkąta. Jego środek leży w punkcie przecięcia dwusiecznych kątów trójkąta (dwusieczna to półprosta dzieląca kąt na dwie równe części). Promień tego okręgu oznaczamy literą . W każdy trójkąt można też wpisać dokładnie jeden okrąg.
Najprostszy sposób, żeby zapamiętać, który jest który: okrąg opisany jest "na zewnątrz" trójkąta (otacza go), a okrąg wpisany "wewnątrz" (jest w środku). R jak "rama z zewnątrz", r jak "rdzeń w środku". Banalne, ale działa.
Środki tych dwóch okręgów to są zupełnie różne punkty w trójkącie. Tylko w trójkącie równobocznym pokrywają się (bo wtedy pokrywa się też ortocentrum i środek ciężkości). To jedna z przyczyn, dla której trójkąt równoboczny ma najprostsze wzory na R i r, i dlaczego pojawia się w zadaniach maturalnych częściej niż dowolny inny.
Wzór uniwersalny na promień okręgu opisanego
To jest wzór, który ratuje cię w 90 procentach zadań na promień okręgu opisanego. Działa dla dowolnego trójkąta, bez względu na kształt:
gdzie , , to długości boków trójkąta, a to jego pole. Ten wzór jest w karcie wzorów CKE, więc nie musisz go pamiętać na pamięć - ale lepiej żebyś go pamiętał, bo szybciej znajdziesz go w głowie niż w tablicy.
Schemat użycia jest banalny: jeśli znasz trzy boki trójkąta, policz pole (np. wzorem Herona), pomnóż boki, podziel przez i masz . Jedna formuła do zapamiętania, zero kombinowania.
Drugi wzór, który warto znać, pochodzi z twierdzenia sinusów:
gdzie to kąt naprzeciw boku . Jeśli więc znasz jeden bok i kąt naprzeciw niego, masz w jednym kroku. Pełne twierdzenie sinusów mówi, że , więc którąkolwiek parę bok-kąt weźmiesz, dostaniesz to samo . To często szybsze rozwiązanie niż liczenie pola.
Wzór uniwersalny na promień okręgu wpisanego
Dla promienia okręgu wpisanego masz jeden naprawdę elegancki wzór, który działa zawsze:
gdzie to pole trójkąta, a to połowa obwodu, czyli . Połowa obwodu nazywana jest też "obwodem połówkowym" albo "p" - i tym samym liczymy też wzór Herona, więc oba ze sobą świetnie współgrają.
Jeśli więc znasz trzy boki trójkąta, najlepsza droga to: policz , policz ze wzoru Herona , potem . Dwie minuty roboty, niezawodne.
W praktyce maturalnej pole trójkąta często liczy się prościej, niż przez Herona. Jeśli masz trójkąt prostokątny, pole to po prostu z przyprostokątnych. Jeśli masz wysokość, to . Jeśli masz dwa boki i kąt między nimi, to . Wybieraj najprostszą drogę do , bo wzór zostaje ten sam niezależnie od metody.
Trójkąt równoboczny - wzory ze ściągi
Trójkąt równoboczny jest tak symetryczny, że jego R i r liczy się jednym wzorem. Dla trójkąta równobocznego o boku długości :
Zauważ, że - promień okręgu opisanego jest dokładnie dwa razy większy od promienia okręgu wpisanego. To wynik faktu, że oba środki pokrywają się w punkcie przecięcia środkowych, który dzieli każdą środkową w stosunku 2:1.
Skąd te wzory? Sprawdźmy. Pole trójkąta równobocznego to . Wzór uniwersalny . Dla : , więc . Wzory się zgadzają.
W praktyce maturalnej polecam wkuć tę dwójkę na pamięć. Trójkąt równoboczny pojawia się w arkuszach co rok, bo CKE uwielbia tę figurę. Mając w głowie i , zaoszczędzisz pełne dwie minuty na każdym takim zadaniu. Więcej o trójkątach z konkretnymi kątami przeczytasz w trójkąty 30-60-90 i 45-45-90 - zależności boków.
Trójkąt prostokątny - super proste wzory
Trójkąt prostokątny też ma swoje wzory specjalne i też warto je znać. Niech i to przyprostokątne, a to przeciwprostokątna. Wtedy:
Wzór na jest pięknie geometryczny: w trójkącie prostokątnym środek okręgu opisanego leży dokładnie w środku przeciwprostokątnej, a promień to połowa przeciwprostokątnej. To z kolei wynik twierdzenia Talesa o kącie wpisanym opartym na średnicy. Czyli jeśli widzisz trójkąt prostokątny i pytanie o , nie musisz nic liczyć - bierzesz przeciwprostokątną przez dwa i już.
Wzór na jest mniej oczywisty, ale można go łatwo wyprowadzić z : pole , obwód połówkowy , więc . Po podstawieniu (twierdzenie Pitagorasa) i pewnych przekształceniach algebraicznych otrzymujesz . Oba wzory i są równoważne. Pierwszy jest wygodniejszy, jeśli znasz wszystkie trzy boki, drugi - jeśli pole liczyć łatwo.
Schemat: jaki wzór kiedy stosować
Tu masz prosty algorytm decyzyjny. Pamiętaj go i dobiegniesz do wyniku w każdej konfiguracji.
Krok 1: Sprawdź, jaki to trójkąt. Równoboczny? Użyj wzoru lub . Koniec, jedno podstawienie.
Krok 2: Czy to trójkąt prostokątny? Jeśli pytanie o to bierzesz przeciwprostokątną przez 2. Jeśli o to .
Krok 3: Trójkąt dowolny, ale masz trzy boki? Dla użyj (policz pole Heronem). Dla policz pole Heronem i .
Krok 4: Trójkąt dowolny, masz bok i kąt naprzeciw niego? Dla idź przez twierdzenie sinusów: . Dla musisz najpierw znaleźć pozostałe boki lub pole.
Krok 5: Trójkąt dowolny, masz dwa boki i kąt między nimi? Pole , trzeci bok z twierdzenia kosinusów: . Dalej standardowo.
Mając te pięć kroków w głowie, ogarniesz każdy układ. Teraz przykłady.
Przykład 1: Trójkąt równoboczny
Oblicz promień okręgu wpisanego i opisanego dla trójkąta równobocznego o boku długości 6.
Trójkąt równoboczny - wzory specjalne. Wstawiam :
Sprawdzenie: , więc . Zgadza się. Odpowiedź: , .
Trzydzieści sekund pracy. Tyle czasu zajmuje zadanie warte 2 punkty, jeśli znasz wzory. Bez nich liczyłbyś przez Herona i nakręcał się przez trzy minuty.
Przykład 2: Trójkąt prostokątny
W trójkącie prostokątnym przyprostokątne mają długość 6 i 8. Oblicz promień okręgu opisanego i okręgu wpisanego .
Najpierw przeciwprostokątna z twierdzenia Pitagorasa: .
Promień okręgu opisanego (środek na połowie przeciwprostokątnej):
Promień okręgu wpisanego (wzór dla trójkąta prostokątnego):
Sprawdzenie alternatywnym wzorem : , , więc . Zgodne, świetnie.
Odpowiedź: , .
To bardzo częsty typ zadania na maturze podstawowej - patrz np. matura maj 2023, gdzie pojawiła się dokładnie taka konfiguracja z trójkątem 6-8-10.
Przykład 3: Trójkąt dowolny przez wzór Herona
Trójkąt ma boki długości 5, 6 i 7. Oblicz promień okręgu opisanego i wpisanego.
To trójkąt dowolny, więc idziemy przez wzory uniwersalne. Najpierw obwód połówkowy:
Pole ze wzoru Herona:
Upraszczam .
Teraz :
I :
Odpowiedź: , . Pamiętaj o usunięciu niewymierności z mianownika.
Wzór Herona jest tu kluczowy. Jeśli go nie znasz, zerknij do wzory na pole trójkąta - 8 metod.
Przykład 4: Z twierdzenia sinusów
W trójkącie bok leży naprzeciw kąta . Oblicz promień okręgu opisanego na tym trójkącie.
Idziemy przez twierdzenie sinusów. Bok i kąt naprzeciw niego - to dokładnie ten przypadek:
Odpowiedź: .
Jedno podstawienie, kilkanaście sekund. To dlatego twierdzenie sinusów warto znać - czasem ratuje cię od długiego liczenia. Wartości , , musisz mieć w głowie - znajdziesz je w tabeli wartości funkcji trygonometrycznych.
Przykład 5: Trójkąt równoramienny
Dany jest trójkąt równoramienny o ramionach długości 5 i podstawie 6. Oblicz promień okręgu wpisanego.
Trójkąt równoramienny - liczę wysokość opuszczoną na podstawę. Z twierdzenia Pitagorasa, gdzie połowa podstawy to 3, a ramię to 5:
Pole:
Obwód połówkowy:
Promień:
Odpowiedź: , czyli .
Jak widzisz, wzór działa idealnie - wystarczy znaleźć dwa proste składniki: pole i połowę obwodu. Cała sztuka to wybranie najprostszej drogi do pola.
Typowe pułapki i błędy
Mylenie z . Klasyk: uczeń policzy poprawnie pole i obwód połówkowy, potem wstawi zamiast . Albo na odwrót. Zanim zaczniesz liczyć, podkreśl w treści zadania, którego promienia szukasz. Zapisz "szukam R" lub "szukam r" na marginesie. Drobny rytuał, który ratuje od bezsensownej straty 1-3 punktów.
Stosowanie wzoru dla trójkąta równobocznego do trójkąta równoramiennego. To nie to samo. Wzór działa tylko, gdy WSZYSTKIE trzy boki są równe. Jeśli masz trójkąt o bokach 5, 5, 6 (równoramienny, ale nie równoboczny), to musisz iść standardową drogą przez i . Sprawdzaj definicje na początku.
Zapomnienie, że działa tylko dla trójkąta prostokątnego. Jeśli trójkąt nie ma kąta prostego, nie ma znaczenia, który bok nazwiesz "c" - wzór nie zadziała. Sprawdź, czy w trójkącie jest kąt 90 stopni. Często da się to zauważyć po długościach boków: jeśli , to trójkąt jest prostokątny (twierdzenie odwrotne do twierdzenia Pitagorasa).
Błąd w obwodzie połówkowym. Pamiętaj, że , nie . Wstawienie pełnego obwodu zamiast połowy to klasyczny błąd ze stresu - daje wynik dwa razy mniejszy niż prawdziwy. Zawsze sprawdzaj jednostki i porządek wielkości.
Pominięcie niewymierności w mianowniku. Gdy w odpowiedzi wychodzi w mianowniku, CKE oczekuje, że usuniesz niewymierność. zapisz jako . To nie jest błąd merytoryczny, ale formalny - CKE może odjąć pół punktu za "brak finalizacji" albo "nieczytelny zapis odpowiedzi".
Mylenie środka okręgu wpisanego z opisanym. Środek okręgu wpisanego to przecięcie dwusiecznych KĄTÓW. Środek okręgu opisanego to przecięcie symetralnych BOKÓW. Jeśli w zadaniu otwartym musisz uzasadnić położenie środka, użyj poprawnej własności. W trójkącie równobocznym oba środki się pokrywają, w innych trójkątach to dwa różne punkty. Więcej o własnościach kątów i punktów szczególnych przeczytasz w kąty w figurach - wpisane, środkowe, w trójkątach.
Dodatkowy przykład 6: Trójkąt rozwartokątny
W trójkącie bok , , kąt między nimi . Oblicz promień okręgu opisanego.
Najpierw trzeci bok z twierdzenia kosinusów:
, więc:
Stąd .
Teraz idziemy przez twierdzenie sinusów dla boku i kąta :
Odpowiedź: .
Zwróć uwagę na elegancję rozwiązania: w trójkątach rozwartokątnych nie da się prosto pójść przez , bo to działa tylko dla prostokątnego. Ale twierdzenie kosinusów + twierdzenie sinusów to kombinacja, która ratuje cię w każdej konfiguracji "dwa boki i kąt między nimi".
Dodatkowy przykład 7: Promień okręgu wpisanego w trójkąt opisany na okręgu
W trójkącie prostokątnym przeciwprostokątna ma długość 13, a jedna z przyprostokątnych 5. Oblicz promień okręgu wpisanego.
Drugą przyprostokątną liczymy z twierdzenia Pitagorasa: .
Stąd:
Sprawdzenie wzorem alternatywnym: , , . Zgadza się.
Odpowiedź: .
Trójkąt 5-12-13 to klasyczna trójka pitagorejska, której CKE uwielbia używać. Warto ją mieć w głowie razem z trójką 3-4-5 i 8-15-17.
Powiązania z innymi tematami matury
Promienie R i r rzadko występują samodzielnie - prawie zawsze są elementem większego zadania, w którym musisz połączyć kilka twierdzeń. Najczęstsze kombinacje:
R z twierdzeniem sinusów. To czysta para - skoro , to CKE lubi zadania, w których podają ci bok i kąt, a ty masz znaleźć R bezpośrednio.
r z polem trójkąta i obwodem. CKE potrafi dać ci sytuację, w której znasz r i obwód, a musisz wyznaczyć pole (). To wzór odwrotny do - jeśli zapamiętasz oba kierunki, masz przewagę.
R i twierdzenie o kącie wpisanym opartym na średnicy. Klasyk: jeśli kąt wpisany w okrąg ma 90 stopni, to opiera się na średnicy, czyli przeciwprostokątna trójkąta prostokątnego to średnica okręgu opisanego. Stąd .
Promienie i trójkąty podobne. Jeśli dwa trójkąty są podobne w skali k, to ich promienie okręgów wpisanych mają stosunek k, podobnie opisanych. Pola mają stosunek , więc to się ze sobą spina.
Geometria analityczna: gdy trójkąt jest podany przez współrzędne
Czasem CKE podaje ci trójkąt nie przez długości boków, ale przez współrzędne wierzchołków. Np. , , . Pytanie o R lub r wymaga dwóch dodatkowych kroków, ale schemat zostaje ten sam.
Krok 1: Policz długości boków ze wzoru na odległość między dwoma punktami: . Dla naszego trójkąta: , , .
Krok 2: Policz pole jednym z dwóch sposobów. Albo ze wzoru ze współrzędnych: , albo geometrycznie: leży na osi , więc wysokość z na to po prostu współrzędna punktu , czyli 4. Stąd .
Krok 3: Stosuj standardowe wzory. . I , gdzie .
To podejście łączy planimetrię z równaniem prostej i równaniem okręgu. Świetna kombinacja na maturze - jeśli zauważysz, że bok leży na osi współrzędnych, oszczędzisz pełne dwie minuty na liczeniu wysokości.
Checklista do zadania o promieniu R lub r
Zanim oddasz pracę, przejdź przez ten check:
Podsumowanie
Promień okręgu wpisanego i opisanego na trójkącie to temat, który w istocie sprowadza się do czterech wzorów: , , plus wzory specjalne dla trójkąta równobocznego i prostokątnego. Wszystko, co musisz umieć, to wybrać właściwy wzór do danej konfiguracji i poprawnie podstawić.
W praktyce maturalnej kluczowe są dwa nawyki: po pierwsze, zawsze rozpoznaj typ trójkąta przed wyborem wzoru (równoboczny i prostokątny mają skróty, które oszczędzą ci minut); po drugie, dla dowolnego trójkąta zacznij od policzenia pola - mając , masz oba promienie po jednym podzieleniu. Resztę zostaw schematowi.
Jeśli przerobisz pięć przykładów z tego posta i zrobisz dodatkowo 3-4 zadania z arkuszy maturalnych 2010-2025 - zwłaszcza z matury maj 2019, matury maj 2021 i matury maj 2024, gdzie temat się powtarzał - to zadania o R i r przestaną być dla ciebie wyzwaniem. To kilka punktów, które masz pewne, jeśli tylko trzymasz się prostego schematu: rozpoznaj trójkąt, wybierz wzór, policz pole, policz promień, sprawdź jednostki. Pełna instrukcja w topiku planimetria i w przewodniku planimetria na maturze.
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