Квадрат: свойства и признаки
В уроках о прямоугольнике и о ромбе вы закрепляли в каркасе из палочек что-то одно: прямой угол или равные стороны. Квадрат получается, если закрепить и то, и другое. Разберем, какие свойства квадрат получает от прямоугольника и от ромба, как доказать, что фигура — квадрат, и почему равных перпендикулярных диагоналей для этого мало. Простые задачи есть также в уроке «Квадрат».
Вопрос для начала. Квадратную плитку кладут ровными рядами, а иногда — повернутой, так что ее стороны идут наискосок к стенам. Повернутую плитку часто называют «ромбиком». Что же лежит на полу: квадрат, ромб или что-то третье? Ответим в последнем разделе.
Квадрат получается, когда закреплены и стороны, и угол
Вспомним модель модуля: стороны — палочки, вершины — шарниры. Соберем каркас $ABCD$ из четырех палочек по $5$ дм. Это ромб, и он складывается: угол $A$ может быть $60^\circ$, $90^\circ$, $120^\circ$. Поставим угол $A$ равным $90^\circ$ и закрепим шарнир. Получился ромб с прямым углом.
Можно идти с другой стороны. Каркас-прямоугольник $5 \times 3$ дм уже закреплен прямым углом, но соседние палочки у него разные. Заменим короткие палочки на палочки по $5$ дм — получится прямоугольник с равными сторонами. Это та же фигура: квадрат.
Определение
Квадрат — прямоугольник, у которого все стороны равны.
Квадрат — прямоугольник, значит, параллелограмм. Все стороны у него равны, значит, он ромб, причем с прямым углом. Обратно, ромб с прямым углом — параллелограмм с прямым углом, то есть прямоугольник, и стороны у него равны: это квадрат. Поэтому квадрат можно определить и так: ромб с прямым углом. Что закрепили, то и получили: две закрепки — два вида сразу.
Ошибка
Ученик пишет: «У ромба углы острые и тупые, а у квадрата все углы прямые. Значит, квадрат — не ромб».
Проверка. Возьмем квадрат со стороной $5$ дм и проверим определение ромба по пунктам. Параллелограмм ли это? Да: квадрат — прямоугольник. Все ли стороны равны? Да, по $5$ дм. Оба пункта выполнены — квадрат является ромбом.
Где сломалось. «Острые и тупые углы» взяты с привычной картинки ромба, а не из определения: об углах в нем ничего нет. Каркас из равных палочек при угле $90^\circ$ остается ромбом. Так же неверно «квадрат — не прямоугольник»: определение прямоугольника не запрещает равные стороны.
Квадрат получает свойства и прямоугольника, и ромба
Квадрат — параллелограмм, прямоугольник и ромб одновременно. Поэтому все их свойства у него есть без новых доказательств: они доказаны в уроках о параллелограмме, о прямоугольнике и о ромбе. Соберем свойства диагоналей и отметим, откуда каждое.
| Свойство диагоналей | Откуда у квадрата | У ромба с углом $60^\circ$ | У прямоугольника $5 \times 3$ |
|---|---|---|---|
| Делятся точкой пересечения пополам | квадрат — параллелограмм | да | да |
| Равны | квадрат — прямоугольник | нет | да |
| Перпендикулярны | квадрат — ромб | да | нет |
| Делят углы пополам | квадрат — ромб | да | нет |
Свойства квадрата
Все углы квадрата прямые, все стороны равны. Диагонали квадрата равны, перпендикулярны, точкой пересечения делятся пополам и делят углы квадрата пополам: каждая диагональ образует со сторонами углы по $45^\circ$.
Угол $45^\circ$ получается так: диагональ делит прямой угол пополам, $90^\circ : 2 = 45^\circ$. Половины диагоналей равны, поэтому диагонали режут квадрат на четыре равных прямоугольных треугольника, и каждый из них равнобедренный: например, $AO = BO$.
Пример 1
В квадрате $ABCD$ диагонали пересекаются в точке $O$, $BD = 18$ см. Найдите $AO$ и углы треугольника $AOB$.
Решение. Квадрат — прямоугольник, его диагонали равны: $AC = BD = 18$ см. Квадрат — параллелограмм, его диагонали делятся пополам: $AO = 18 : 2 = 9$ см. Квадрат — ромб, его диагонали перпендикулярны: $\angle AOB = 90^\circ$. Диагональ $AC$ делит прямой угол $A$ пополам: $\angle OAB = 45^\circ$; так же $\angle OBA = 45^\circ$.
Проверка. Сумма углов треугольника: $90^\circ + 45^\circ + 45^\circ = 180^\circ$.
Ответ: $AO = 9$ см; $\angle AOB = 90^\circ$, $\angle OAB = \angle OBA = 45^\circ$.
У квадрата четыре оси симметрии
В уроке о ромбе перегиб по диагонали совмещал половины ромба: прямые $AC$ и $BD$ — его оси симметрии. Квадрат — ромб, поэтому эти две оси у него есть.
Еще две оси дает прямой угол. Пусть $M$ и $N$ — середины сторон $AB$ и $CD$. Отрезки $AM$ и $DN$ равны и параллельны как половины противоположных сторон, поэтому $AMND$ — параллелограмм, а с прямым углом $A$ — прямоугольник. Значит, $MN \perp AB$. При перегибе по прямой $MN$ (урок «Осевая симметрия») точка $A$ попадает в $B$, потому что $MA = MB$. Сторона $AD$ перпендикулярна $AB$ и ложится на $BC$, а их длины равны, поэтому $D$ попадает в $C$. Так же работает прямая через середины $AD$ и $BC$. Это рассуждение годится для любого прямоугольника.
Свойство (симметрия квадрата)
У квадрата четыре оси симметрии: две прямые, на которых лежат его диагонали, и две прямые, проходящие через середины противоположных сторон.
Что закрепили, то и получили. Равные палочки дали ромбу две оси-диагонали, прямой угол дал прямоугольнику две оси через середины сторон. У прямоугольника, который не квадрат, перегиб по диагонали половины не совмещает, у ромба, который не квадрат, — перегиб через середины сторон. У квадрата закреплено и то, и другое, поэтому осей четыре.
Как доказать, что перед вами квадрат
Закрепим у ромба равные диагонали: он станет прямоугольником, то есть квадратом. Признак отвечает на вопрос: что еще закрепить, чтобы фигура наверняка стала квадратом? Квадрат лежит на пересечении двух веток — прямоугольников и ромбов. Достаточно взять фигуру одной ветки и добавить к ней условие другой. Каркас здесь только подсказывает, а доказывают признаки из уроков о прямоугольнике и о ромбе.
Теорема (признаки квадрата)
1. Если диагонали прямоугольника перпендикулярны, то он — квадрат.
2. Если диагонали ромба равны, то он — квадрат.
3. Если у ромба есть прямой угол, то он — квадрат.
Доказательство
Признак 1. Прямоугольник — параллелограмм. Параллелограмм с перпендикулярными диагоналями — ромб (признак ромба), значит, все стороны равны. Прямоугольник с равными сторонами — квадрат.
Признак 2. Ромб — параллелограмм. Параллелограмм с равными диагоналями — прямоугольник (признак прямоугольника). Прямоугольник, у которого все стороны равны, — квадрат.
Признак 3. Ромб — параллелограмм, параллелограмм с прямым углом — прямоугольник. Дальше — как в признаке 2.
Отсюда проверка для любого четырехугольника по диагоналям. Если они делятся точкой пересечения пополам, это параллелограмм (урок о параллелограмме). Если они еще и равны — прямоугольник. Если еще и перпендикулярны — квадрат по признаку 1. Нужны все три условия.
Посмотрим на это в каркасе. Возьмем две палочки-диагонали по $8$ дм и скрепим их под прямым углом. Скрепим в серединах — концы палочек станут вершинами квадрата. Скрепим не в серединах, как перекладину креста, — концы дадут совсем другой четырехугольник.
Ошибка
Ученик пишет: «Диагонали четырехугольника $ABCD$ равны и перпендикулярны. Значит, $ABCD$ — квадрат».
Проверка на числах. Построим «крест» на клетчатой бумаге (клетка — $1$ дм). Точки $A$ и $C$ — на одной линии сетки в $8$ клетках друг от друга, точка $O$ — на $2$ клетки правее $A$. Точки $B$ и $D$ — на $5$ клеток выше и на $3$ клетки ниже $O$. Тогда $AC = BD = 8$ и $AC \perp BD$. Но $AO = 2$, а $OC = 6$: диагонали не делятся пополам, значит, $ABCD$ не параллелограмм и тем более не квадрат. Измерение подтверждает: $AB \approx 5{,}4$, а $BC \approx 7{,}8$ клетки.
Где сломалось. Признак 1 говорит о прямоугольнике, признак 2 — о ромбе. Оба уже параллелограммы, их диагонали делятся пополам. В записи «равны и перпендикулярны» это условие потеряно: палочки не скреплены в серединах.
Повернутый квадрат остается квадратом
Соберем все виды на одной карте (урок о четырехугольнике). Стрелка ведет от общего вида к частному: каждый ромб — параллелограмм, каждый квадрат — и прямоугольник, и ромб. Свойства идут по стрелкам вниз: что верно для любой фигуры вида, верно и для всех его частных видов. Квадрат стоит в самом низу, поэтому у него все свойства параллелограмма, прямоугольника и ромба.
Вообразавр предлагает проверить карту: в шести вопросах предскажите, есть ли свойство диагоналей у любой такой фигуры, и сравните с чертежом.
Пример 2
На клетчатой бумаге отмечены узлы $A$, $B$, $C$, $D$ — углы повернутой плитки. От $A$ до $B$ — $3$ клетки вправо и $1$ вверх, от $B$ до $C$ — $1$ влево и $3$ вверх, от $C$ до $D$ — $3$ влево и $1$ вниз, от $D$ до $A$ — $1$ вправо и $3$ вниз. Докажите, что $ABCD$ — квадрат.
Решение. Обведем плитку квадратом сетки $4 \times 4$. Вне плитки остались четыре прямоугольных треугольника с катетами $3$ и $1$. Они равны по двум катетам, поэтому их гипотенузы равны: $AB = BC = CD = DA$. Четырехугольник с равными сторонами — ромб (урок о ромбе).
Найдем угол $B$. Вершина $B$ лежит на стороне рамки, и у нее сходятся два угловых треугольника. Угол нижнего лежит против катета $3$, угол верхнего — против катета $1$. Это два разных острых угла равных прямоугольных треугольников, в сумме они дают $90^\circ$. Вместе с углом $ABC$ они составляют развернутый угол: $\angle ABC = 180^\circ-90^\circ = 90^\circ$. Ромб с прямым углом — квадрат (признак 3).
Ответ: $ABCD$ — квадрат, что и требовалось доказать.
Вот ответ на вопрос из начала. Повернутая плитка — квадрат: поворот не меняет ни длин палочек, ни углов. По карте у нее четыре верных названия: квадрат, ромб, прямоугольник и параллелограмм. «Ромбик» — тоже верное название, только неполное: самое точное — квадрат, потому что в нем закреплено больше всего.
Вывод
Квадрат встречается в плитке, клетчатой бумаге, рамах и стеллажах. Его свойства позволяют находить углы и отрезки без транспортира, признаки — доказывать, что фигура квадрат, а «крест» напоминает: равных перпендикулярных диагоналей мало, нужно еще деление пополам. Чтобы вспомнить главное, представьте каркас, в котором закреплены и равные палочки, и прямой угол.
Часто задаваемые вопросы
Можно и через ромб: «ромб с прямым углом» — то же самое, это показано в первом разделе. Важно помнить, что квадрат одновременно и прямоугольник, и ромб, поэтому в задачах можно пользоваться свойствами обоих.
Хватит. Четыре равные стороны дают ромб (урок о ромбе), а ромб с прямым углом — квадрат по признаку 3. А вот три прямых угла без равных сторон дают только прямоугольник.
У квадрата диагонали еще и делятся точкой пересечения пополам. У «креста» палочки скреплены не в серединах, поэтому он даже не параллелограмм, и стороны у него разные.
Да: он прямоугольник, а каждый прямоугольник — параллелограмм. Поэтому противоположные стороны квадрата параллельны, а пол-оборота кальки вокруг точки пересечения диагоналей совмещает его с собой.
Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.
- Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
- Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
- Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий