Площадь трапеции и ромба
В уроках «Площадь параллелограмма» и «Площадь треугольника» мы научились резать фигуры и складывать из них прямоугольник. Сегодня выведем формулу площади трапеции — сначала из двух одинаковых трапеций, затем через среднюю линию, — а потом найдем площадь ромба по его диагоналям.
Вопрос для начала. Участок имеет форму трапеции: сторона вдоль улицы — $34$ м, параллельная ей задняя граница — $22$ м, расстояние между ними — $25$ м. Сколько квадратных метров газона нужно, чтобы засеять весь участок? И можно ли обойтись одним измерением ширины, если мерить ее посередине участка? Ответим в последнем разделе.
Две одинаковые трапеции складываются в параллелограмм
Нарисуем на клетчатом листе трапецию $ABCD$: нижнее основание $AD$ — $9$ клеток, верхнее основание $BC$ — $3$ клетки, между основаниями $3$ ряда клеток. Целыми клетками ее не выложить: у боковых сторон клетки разрезаны наискось.
Сделаем вторую, точно такую же трапецию, перевернем ее и приложим к первой боковой стороной $CD$. Верхнее основание копии продолжит нижнее основание $AD$, а нижнее основание копии продолжит верхнее основание $BC$. Получился параллелограмм $ABA_1B_1$: внизу $9 + 3 = 12$ клеток, высота $3$ клетки.
Площадь параллелограмма — основание на высоту: $12 \cdot 3 = 36$ клеток. Он состоит из двух равных трапеций, поэтому одна трапеция занимает $36 : 2 = 18$ клеток. Проверим иначе: трапеция лежит в прямоугольнике $9 \times 3$, это $27$ клеток; лишние уголки — прямоугольные треугольники с катетами $2$ и $3$ и катетами $4$ и $3$, их площади $3$ и $6$. Остается $27-3-6 = 18$. Совпало.
Площадь трапеции — половина параллелограмма из двух копий
Определение
Высота трапеции — перпендикуляр, проведенный из любой точки одного основания к прямой, содержащей другое основание. Все такие перпендикуляры равны: это расстояние между параллельными прямыми $AD$ и $BC$.
Теорема (площадь трапеции)
Площадь трапеции равна произведению полусуммы ее оснований на высоту.
Доказательство
Дано: $ABCD$ — трапеция, $AD = a$, $BC = b$, высота $h$. Доказать: $S_{ABCD} = \frac12 (a + b) h$.
Шаг 1. Пусть $N$ — середина боковой стороны $CD$. Повернем трапецию на пол-оборота вокруг точки $N$: точки $C$ и $D$ поменяются местами, $A$ и $B$ перейдут в $A_1$ и $B_1$. Получилась копия $B_1A_1CD$, равная трапеции $ABCD$.
Шаг 2. В уроке «Средняя линия трапеции» доказано: $ABA_1B_1$ — параллелограмм, его сторона $AB_1 = a + b$ лежит на прямой $AD$, а противоположная сторона $BA_1$ — на прямой $BC$. Значит, его высота к стороне $AB_1$ — расстояние между этими прямыми, то есть $h$.
Шаг 3. Параллелограмм составлен из трапеции и ее копии, а равные фигуры имеют равные площади. Поэтому $2S_{ABCD} = (a + b) h$ и $S_{ABCD} = \frac12 (a + b) h$. Что и требовалось доказать.
Проверим теорему другим способом — через площадь треугольника. Диагональ $BD$ делит трапецию на треугольники $ABD$ и $BCD$. У первого основание $AD = a$, у второго — $BC = b$, и высота у обоих одна и та же — $h$. Сумма площадей: $\frac12 a h + \frac12 b h = \frac12 (a + b) h$. Ответ тот же.
Пример 1
Основания трапеции равны $16$ см и $10$ см, высота равна $7$ см. Найдите площадь трапеции.
Решение. Две такие трапеции дают параллелограмм с основанием $16 + 10 = 26$ см и высотой $7$ см. Его площадь $26 \cdot 7 = 182\ \text{см}^2$, трапеция — половина: $S = \frac12 \cdot 26 \cdot 7 = 91\ \text{см}^2$.
Ответ: $91\ \text{см}^2$.
Ошибка
В трапеции $AD = 15$, $BC = 7$, боковая сторона $AB = 5$, высота $BH = 4$. Решавр берет боковую сторону: «$S = \frac12 (15 + 7) \cdot 5 = 55$».
Проверка: две копии дают параллелограмм с основанием $22$; его высота — расстояние между основаниями, $4$, а не наклонная $5$. Площадь параллелограмма $22 \cdot 4 = 88$, трапеции — $44$. Где сломалось рассуждение: боковая сторона идет наискось и длиннее высоты, поэтому дает лишнюю площадь. Бывает и обратное — высоту забывают совсем: $\frac12 (15 + 7) = 11$ — это длина (полусумма оснований), а не площадь.
Ошибка
Основания $11$ и $5$, высота $3$. Решавр сложил основания и умножил: «$S = (11 + 5) \cdot 3 = 48$».
Проверка: $48$ — площадь параллелограмма $16 \times 3$, а он сложен из двух трапеций. Одной трапеции достается $48 : 2 = 24$. Где сломалось рассуждение: основания сложили — значит, взяли сразу две копии; не разделили пополам — забыли вернуть одну.
Средняя линия забирает половину себе
В формуле есть полусумма оснований $\frac{a + b}{2}$. Это знакомая длина — средняя линия трапеции, отрезок между серединами боковых сторон: $m = \frac{a + b}{2}$ (урок «Средняя линия трапеции»). Подставим ее в теорему.
Следствие (площадь через среднюю линию)
Площадь трапеции равна произведению средней линии на высоту.
Ножницы показывают то же. Пусть $M$ и $N$ — середины боковых сторон, оба угла при большем основании острые. Проведем через $M$ и $N$ прямые, перпендикулярные основаниям. Каждая отрезает внизу уголок — прямоугольный треугольник. Повернем его на пол-оборота вокруг $M$ (или $N$): он ляжет точно в пустой уголок наверху, ведь $M$ — середина стороны. Трапеция превратилась в прямоугольник шириной $MN = m$ и высотой $h$.
Важно
Половина уже спрятана внутри средней линии. В формуле $S = m \cdot h$ делить на $2$ еще раз не нужно: $\frac12 m h$ — это половина трапеции.
Пример 2
Площадь трапеции равна $108\ \text{см}^2$, высота — $9$ см, одно основание — $15$ см. Найдите другое основание.
Решение. Средняя линия: $m = S : h = 108 : 9 = 12$ см. Сумма оснований вдвое больше: $a + b = 24$ см. Другое основание: $24-15 = 9$ см. Проверка: $\frac{15 + 9}{2} \cdot 9 = 12 \cdot 9 = 108$.
Ответ: $9$ см.
Ромб — четыре одинаковых прямоугольных треугольника
Ромб — параллелограмм, поэтому его площадь — сторона, умноженная на высоту: $S = a \cdot h$. Но у ромба есть и другая пара удобных отрезков — диагонали. Вспомним их свойства (урок «Ромб»): диагонали ромба перпендикулярны и точкой пересечения $O$ делятся пополам.
Возьмем ромб с диагоналями $16$ и $10$. Диагонали делят друг друга пополам, поэтому получаются четыре прямоугольных треугольника с катетами $8$ и $5$; площадь каждого $20$, всех — $80$, а это половина от $16 \cdot 10$. Теперь то же буквами: диагонали $d_1$ и $d_2$ режут ромб на четыре прямоугольных треугольника с катетами $\frac{d_1}{2}$ и $\frac{d_2}{2}$. Они равны по двум катетам. Площадь каждого $\frac12 \cdot \frac{d_1}{2} \cdot \frac{d_2}{2}$, всех вместе — в $4$ раза больше: $\frac12 d_1 d_2$.
Теорема (площадь ромба)
Площадь ромба равна половине произведения его диагоналей.
Ту же половину видно на прямоугольнике. Проведем через вершины ромба прямые, параллельные диагоналям: получится прямоугольник $d_1 \times d_2$. Он состоит из восьми равных треугольников, четыре из них — ромб, четыре — уголки снаружи. Четыре уголка складываются во второй такой же ромб: две копии ромба дают прямоугольник $d_1 \times d_2$, одна — его половину, как у трапеции.
Пример 3
Диагонали ромба равны $18$ см и $12$ см. Найдите его площадь.
Решение. $S = \frac12 \cdot 18 \cdot 12 = 108\ \text{см}^2$. Проверка через треугольники: катеты $9$ и $6$, площадь одного $\frac12 \cdot 9 \cdot 6 = 27$, четырех — $108$.
Ответ: $108\ \text{см}^2$.
Ошибка
Решавр для того же ромба пишет: «$S = 16 \cdot 10 = 160$».
Проверка: четыре треугольника с катетами $8$ и $5$ дают $80$, а не $160$. Где сломалось рассуждение: $d_1 d_2$ — площадь всего прямоугольника вокруг ромба, вместе с четырьмя уголками снаружи. Ромб — только половина этого прямоугольника.
По площади находим неизвестный отрезок
Формула площади связывает три величины, поэтому по двум из них находится третья. Удобно сначала удвоить площадь: $2S = (a + b) h$ у трапеции, $2S = d_1 d_2$ у ромба. Тогда нужный отрезок получается делением. А если у одной фигуры две формулы площади, их можно приравнять.
Пример 4
Площадь ромба равна $96\ \text{см}^2$, одна диагональ — $16$ см, сторона — $10$ см. Найдите вторую диагональ и высоту ромба.
Решение. $d_2 = 2S : d_1 = 192 : 16 = 12$ см. Высоту найдем из второй формулы: $S = a \cdot h$, $h = 96 : 10 = 9{,}6$ см.
Проверка смысла: высота $9{,}6$ см меньше стороны $10$ см, как и должно быть: перпендикуляр короче наклонной.
Ответ: $12$ см; $9{,}6$ см.
Ширина посередине участка — средняя линия
Вернемся к участку. Две параллельные стороны — основания трапеции, $34$ м и $22$ м, расстояние между ними — высота, $25$ м. По теореме $S = \frac12 (34 + 22) \cdot 25 = 28 \cdot 25 = 700\ \text{м}^2$.
Теперь второй вопрос. Ширина, измеренная ровно посередине между улицей и задней границей, — это средняя линия трапеции: $m = \frac{34 + 22}{2} = 28$ м. Значит, достаточно одного такого замера и расстояния между границами: $S = m \cdot h = 28 \cdot 25 = 700\ \text{м}^2$. Ножницы объясняют, почему: углы у улицы острые, уголки у улицы перекладываются в уголки у забора, и участок становится прямоугольником $28 \times 25$.
Вывод
Формулы площади трапеции и ромба нужны в заданиях ОГЭ о площадях фигур, в том числе на клетчатой бумаге, а в следующем уроке они понадобятся для составных фигур. Чтобы вспомнить главное, представьте две одинаковые трапеции: вместе они — параллелограмм с основанием $a + b$, одна — его половина.
Часто задаваемые вопросы
Сумма оснований $a + b$ — это основание параллелограмма из двух одинаковых трапеций. Его площадь $(a + b) h$ приходится на две трапеции, поэтому одной достается половина.
Только если боковая сторона перпендикулярна основаниям — в прямоугольной трапеции. Тогда она и есть высота. В остальных случаях боковая сторона наклонная и длиннее высоты, и площадь получится больше настоящей.
Нет, для любого выпуклого четырехугольника, у которого диагонали перпендикулярны: рассуждение с прямоугольником вокруг фигуры то же. Например, квадрат — ромб, и квадрат с диагональю $6$ см имеет площадь $\frac12 \cdot 6 \cdot 6 = 18\ \text{см}^2$.
Если основания идут по линиям сетки, посчитайте клетки в каждом основании и клетки между ними — это высота. Затем примените формулу. Ответ полезно проверить: окружите трапецию прямоугольником и вычтите уголки.
Это одна формула в двух записях: $\frac12 (a + b) = m$. Если в задаче даны основания, удобнее первая, если средняя линия — вторая. Главное — не брать половину дважды.
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