Площадь параллелограмма
В уроке «Площадь прямоугольника и квадрата» площадь прямоугольника нашли как число плиток: $a$ рядов по $b$ плиток, $S = ab$. Сегодня ножницами превратим параллелограмм в прямоугольник, разберемся, что такое высота параллелограмма, и докажем формулу его площади для любого чертежа.
Вопрос для начала. Рамка собрана из четырех реек — двух по $8$ дм и двух по $4$ дм, в углах они скреплены шарнирами. Пока рамка прямоугольная, она охватывает $8 \cdot 4 = 32\ \text{дм}^2$. Надавим на угол — рамка перекосится и станет параллелограммом. Длины реек не изменились. Изменилась ли площадь? И какой она станет, когда угол рамки уменьшится до $30^\circ$? Ответим в последнем разделе.
Срезали клин — получили прямоугольник
Начнем с клетчатого листа. Нарисуем параллелограмм $ABCD$: нижняя сторона $AD$ — $7$ клеток, верхняя сторона $BC$ — тоже $7$ клеток, но сдвинута на $2$ клетки вправо; между ними $3$ ряда клеток. Целыми клетками его не выложить: у боковых сторон клетки разрезаны наискось.
Возьмем ножницы. Проведем из вершины $B$ перпендикуляр $BH$ к стороне $AD$ и отрежем по нему треугольник $ABH$ — «клин». Сдвинем клин на $7$ клеток вправо: точка $A$ попадет в $D$, точка $B$ — в $C$. Клин ляжет вплотную к стороне $CD$, и получится прямоугольник $HBCK$ — $3$ ряда по $7$ клеток.
Площадь не изменилась: прямоугольник сложен из тех же частей, что и параллелограмм, а площадь фигуры равна сумме площадей ее частей. Значит, в параллелограмме $7 \cdot 3 = 21$ клетка. Проверим другим способом: параллелограмм лежит в прямоугольнике $9 \times 3$, то есть $27$ клеток, а лишние два уголка по краям — это два прямоугольника $2 \times 3$, разрезанные пополам, вместе $6$ клеток. $27-6 = 21$.
Заметим, что вошло в ответ. Нижняя сторона осталась длины $7$: сколько отрезали слева ($AH = 2$), столько приложили справа. Вторым множителем стало расстояние между нижней и верхней сторонами — $3$ клетки. А наклонная сторона $AB$ в ответ не вошла совсем. Чтобы наблюдение стало теоремой, нужно точно назвать «расстояние между сторонами» и проверить, всегда ли можно отрезать клин.
Высота — линия разреза между противоположными сторонами
Определение
Высота параллелограмма — перпендикуляр, проведенный из любой точки стороны к прямой, содержащей противоположную сторону. Сторону, к которой проведена высота, называют основанием.
Линия, по которой мы резали, — высота $BH$ к основанию $AD$. Ее можно провести из любой точки стороны $BC$, например из вершины $C$: $CK \perp AD$. Все такие высоты равны. Действительно, $BH$ и $CK$ перпендикулярны одной прямой $AD$, значит, параллельны; $BC \parallel HK$ по свойству параллелограмма. Получился четырехугольник $HBCK$ с попарно параллельными сторонами — параллелограмм, а у него противоположные стороны равны: $BH = CK$ (подробнее — в уроке о параллелограмме).
Поэтому говорят о высоте к стороне, а не о высоте из точки: это расстояние между параллельными прямыми $AD$ и $BC$. Высоту к стороне $a$ обозначают $h_a$. У параллелограмма две пары сторон — и две высоты, в общем случае разные: к стороне $AD$ и к стороне $CD$ (у ромба они равны). Высота к $CD$ — перпендикуляр к прямой $CD$ из точки противоположной стороны $AB$.
Важно
Высоту проводят к прямой, содержащей сторону, поэтому точка $H$ не обязана лежать на самой стороне. Если угол $A$ тупой, перпендикуляр из вершины $B$ попадает на продолжение стороны $AD$ за точку $A$. Если угол $A$ острый, но параллелограмм сильно скошен ($AH$ больше $AD$), точка $H$ может оказаться на продолжении за точкой $D$. В обоих случаях высота лежит вне фигуры. Это та же высота той же длины — расстояние между теми же параллельными прямыми.
Площадь равна основанию, умноженному на высоту
Теорема (площадь параллелограмма)
Площадь параллелограмма равна произведению его основания на высоту, проведенную к этому основанию.
Здесь $a$ — основание, $h$ — высота к нему. Доказательство повторяет опыт с ножницами. Но клин удается отрезать не всегда: все зависит от того, где лежит точка $H$. Случаев три.
Доказательство
Дано: $ABCD$ — параллелограмм, $AD = a$, $BH \perp AD$, $BH = h$. Доказать: $S_{ABCD} = a \cdot h$.
Случай 1: точка $H$ лежит на стороне $AD$. Проведем высоту $CK$ к прямой $AD$; точка $K$ лежит на продолжении $AD$ за точку $D$. Прямоугольные треугольники $ABH$ и $DCK$ равны по гипотенузе и катету: $AB = DC$ как противоположные стороны, $BH = CK$ как высоты к одной стороне. Значит, $AH = DK$ и $HK = HD + DK = HD + AH = AD = a$. Параллелограмм составлен из треугольника $ABH$ и четырехугольника $HBCD$, прямоугольник $HBCK$ — из того же четырехугольника и равного треугольника $DCK$. Равные фигуры имеют равные площади, поэтому $S_{ABCD} = S_{HBCK} = a \cdot h$.
Случай 2: точка $H$ совпала с вершиной $D$. Тогда клин — весь треугольник $ABD$, а рассуждение то же: он равен треугольнику $DCK$, и параллелограмм перекладывается в прямоугольник $DBCK$ со сторонами $BC = a$ и $BD = h$.
Случай 3: точка $H$ лежит на продолжении стороны $AD$ (на рисунке — за точкой $A$, угол $A$ тупой). Перпендикуляр $BH$ проходит вне фигуры, клин не отрезать. Поступим наоборот — достроим. Проведем $DM \perp AD$ до прямой $BC$. Получился прямоугольник $HBMD$ со сторонами $HD = AH + a$ и $h$, его площадь $(AH + a) \cdot h$. Он состоит из параллелограмма и двух прямоугольных треугольников $ABH$ и $DCM$. Они равны по гипотенузе и катету ($AB = DC$, $BH = DM$) и вместе складываются в прямоугольник $AH \times h$. Поэтому $S_{ABCD} = (AH + a) \cdot h-AH \cdot h = a \cdot h$. Если точка $H$ ушла за вершину $D$, рассуждение симметричное: проведем $AM \perp AD$ до прямой $BC$ и $CK \perp AD$; прямоугольник $AMCK$ минус два равных треугольника $ABM$ и $DCK$ дает $a \cdot h$.
Что и требовалось доказать.
Если угол $A$ прямой, точка $H$ совпадает с $A$, высота — это сама сторона $AB$, и формула превращается в знакомую $S = ab$: прямоугольник — частный случай параллелограмма.
Ошибка
Когда высота лежит вне фигуры, основанием иногда считают весь отрезок $HD$. Пусть угол $A$ тупой, $AD = 9$, $AH = 4$, $BH = 3$. Решавр пишет: «$HD = 4 + 9 = 13$, $S = 13 \cdot 3 = 39$».
Проверка: $13 \cdot 3 = 39$ — площадь всего прямоугольника $HBMD$. В нем, кроме параллелограмма, два равных треугольника, вместе это прямоугольник $4 \times 3$, то есть $12$. Параллелограмму остается $39-12 = 27 = 9 \cdot 3$. Где сломалось рассуждение: основание — сторона $AD$ при любом положении точки $H$; высота может выйти из фигуры, основание — нет.
Пример 1
В параллелограмме $ABCD$ сторона $AD = 16$ см, сторона $AB = 10$ см, высота $BH = 8$ см. Найдите площадь параллелограмма.
Решение. Высота $BH$ проведена к стороне $AD$, значит, основание — $AD$. $S = AD \cdot BH = 16 \cdot 8 = 128\ \text{см}^2$. Сторона $AB$ в формулу не входит: после перекладывания клина она исчезает, как на клетчатом листе.
Ответ: $128\ \text{см}^2$.
Сдвигаем верхнюю сторону — площадь не меняется
Из теоремы следует неожиданное. Оставим основание $AD = 12$ на месте, а верхнюю сторону $BC$ будем сдвигать вдоль ее прямой. Расстояние между прямыми $AD$ и $BC$ не меняется — пусть оно равно $4$. Значит, площадь все время $12 \cdot 4 = 48$, хотя параллелограммы разные: в одном положении $AB = 4$ и это прямоугольник, в другом $AB = 5$. Клин в каждом из них перекладывается в один и тот же прямоугольник $12 \times 4$.
Ошибка
Самая частая ошибка — умножать соседние стороны, как у прямоугольника. Параллелограмм со сторонами $12$ и $5$ и высотой $4$ Решавр считает так: «$S = 12 \cdot 5 = 60$».
Проверка: переложим клин — получится прямоугольник $12 \times 4$, площадь $48$. Прямоугольник $12 \times 5$ выше на целую полосу $12 \times 1$, и ее в параллелограмме нет. Где сломалось рассуждение: $S = ab$ — формула прямоугольника, у которого боковая сторона и есть высота. У параллелограмма боковая сторона наклонная и длиннее высоты, поэтому произведение сторон больше площади.
Одна площадь — две высоты
Резать клин можно по высоте к любой стороне. Разрез по высоте $h_a$ дает прямоугольник $a \times h_a$, разрез по высоте $h_b$ — прямоугольник $b \times h_b$. Это один и тот же параллелограмм, площадь у него одна.
Следствие (две высоты)
Произведение стороны параллелограмма на высоту к ней одинаково для обеих сторон.
Пример 2
Периметр параллелограмма $ABCD$ равен $70$ см, $AB = 15$ см, высота к стороне $AD$ равна $12$ см. Найдите площадь параллелограмма и высоту к стороне $AB$.
Решение. Противоположные стороны равны, поэтому $AB + AD = 70 : 2 = 35$ и $AD = 35-15 = 20$ см. Площадь: $S = AD \cdot 12 = 20 \cdot 12 = 240\ \text{см}^2$. Высота к $AB$: $15 \cdot h = 240$, $h = 240 : 15 = 16$ см.
Проверка смысла: к короткой стороне $15$ см высота $16$ см больше, чем высота $12$ см к длинной стороне $20$ см. Так и должно быть: чем короче сторона, тем длиннее высота к ней.
Ответ: $240\ \text{см}^2$; $16$ см.
Ошибка
Высоту умножают не на ту сторону. В примере 2 Решавр взял высоту $12$ и сторону $AB = 15$: «$S = 15 \cdot 12 = 180$».
Проверка: по стороне $AD$ и ее высоте получилось $240$, а площадь у фигуры одна. Где сломалось рассуждение: высота $12$ перпендикулярна $AD$, разрез по ней дает прямоугольник $20 \times 12$; со стороной $AB$ она не связана. Перед вычислением назовите пару: «высота проведена к стороне …».
Рамка складывается — высота уменьшается
Вернемся к рамке из реек $8$ и $4$ дм. Стороны рамки не меняются, а площадь, как мы теперь знаем, зависит от основания и высоты. Перекосим рамку так, чтобы угол $A$ стал равен $30^\circ$, и проведем высоту $BH$ к нижней рейке $AD$.
Высоту найдем из прямоугольного треугольника $ABH$: угол $H$ прямой, угол $A$ равен $30^\circ$, гипотенуза — рейка $AB = 4$ дм. Катет, лежащий против угла $30^\circ$, равен половине гипотенузы (урок «Свойства прямоугольных треугольников» за 7 класс).
Пример 3
Рамка — параллелограмм $ABCD$, $AD = 8$ дм, $AB = 4$ дм, $\angle A = 30^\circ$. Найдите площадь, которую охватывает рамка.
Решение. В треугольнике $ABH$ катет $BH$ лежит против угла $30^\circ$: $BH = 4 : 2 = 2$ дм. $S = AD \cdot BH = 8 \cdot 2 = 16\ \text{дм}^2$.
Ответ: $16\ \text{дм}^2$ — вдвое меньше, чем у прямоугольной рамки.
Это и есть ответ на вопрос из начала урока. Площадь рамки меняется, потому что меняется высота: чем сильнее рамка сложена, тем меньше расстояние между рейками $AD$ и $BC$ и тем меньше площадь. Стороны площадь параллелограмма не определяют.
Если угол $A$ равен $45^\circ$, треугольник $ABH$ прямоугольный и равнобедренный, поэтому $BH = AH$. А ромб — параллелограмм с равными сторонами, и его площадь — сторона, умноженная на высоту. Например, у ромба со стороной $10$ см и углом $30^\circ$ высота $10 : 2 = 5$ см, а площадь $10 \cdot 5 = 50\ \text{см}^2$.
Вывод
Формула $S = a \cdot h$ — одна из самых нужных в курсе: на ней держатся задания ОГЭ о площадях фигур, в том числе на клетчатой бумаге, а в следующем уроке «Площадь треугольника» треугольник окажется половиной параллелограмма. Чтобы вспомнить главное, достаточно представить ножницы: срезали клин по высоте и приложили с другой стороны — получился прямоугольник «основание на высоту».
Часто задаваемые вопросы
Потому что боковая сторона параллелограмма наклонная. После перекладывания клина получается прямоугольник, у которого вторая сторона — высота, а не боковая сторона. Произведение сторон больше площади на полосу, которой в параллелограмме нет.
Любую — важно лишь умножать ее на высоту, проведенную именно к ней. Если известна высота к одной стороне, а спрашивают о другой, сначала найдите площадь, а затем разделите ее на вторую сторону.
Нет. Боковая сторона соединяет две параллельные прямые наклонно, а высота — по перпендикуляру, а перпендикуляр короче наклонной. Высота равна боковой стороне только у прямоугольника. Если в задаче высота получилась больше стороны, в решении ошибка.
Если одна сторона идет по линии сетки, посчитайте клетки вдоль нее — это основание, и клетки поперек до противоположной стороны — это высота. Затем перемножьте. Если ни одна сторона не идет по сетке, окружите фигуру прямоугольником и вычтите лишние части.
Чертеж может быть любым, а доказательство должно подходить к каждому. Когда точка $H$ лежит вне стороны, клин не отрезать, и нужен другой ход — достроить фигуру до прямоугольника. Без третьего случая теорема была бы доказана не для всех параллелограммов.
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