2. Monikulmioiden geometriaa

Tässä luvussa käsitellään monikulmioita, joista yksinkertaisin kulmio on kolmio. Tasogeometriassa kuviot sekä kappaleet piirretään yksiulotteisesti. Harjoittele kuvien piirtämistä käyttämälläsi laskimella tai vaikkapa Geogebralla!

Kappaleeseen liittyvät harjoitustehtävät löydät täältä!

Kolmioiden geometriaa

2.1 Kolmion rakenne

Kolmio on yksinkertaisin monikulmio, ja nimensä mukaisesti se koostuu kolmesta kulmasta ja kolmesta sivusta. Kolmion kulmat nimetään kreikkalaisin kirjaimin, \(\alpha\), \(\beta\) ja \(\gamma\). Kolmion rakenne

Kolmion kaikkien kulmien yhteenlaskettu suuruun on aina \(180°\), eli \(\alpha+ \beta+\gamma=180°\) .

Kaiken muotoisille kolmioille voidaan piirtää korkeusjana \(h\), joka kulkee kolmion huipusta kohtisuorasti kohti kolmion kantaa: Image Tämä korkeusjana \(h\) ilmoittaa kolmion korkeuden. Korkeusjanaa käytetään, kun tarkoituksena on määrittää kolmion pinta-ala.

Kolmion pinta-ala

\[\begin{align*} A=\frac{a\cdot h}{2}=\frac{1}{2}a\cdot h, \end{align*}\] missä \(a\) on kolmion kanta ja \(h\) kantaa kohtisuoraan piirretyn korkeusjanan pituus (eli kolmion korkeus).

Kolmiot voidaan jakaa ominaisuuksien avulla suorakulmaisiin kolmioihin, tasakylkisiin kolmioihin ja tasasivuisiin kolmioihin.

Suorakulmainen kolmio

Suorakulmaisessa kolmiossa on yksi \(90°\) kulma. Suorakulmainen kolmio koostuu kahdesta kateetista ja hypotenuusasta. Hypotenuusa on kolmion pisin sivu. Suoran kulman lisäksi kolmiossa on kaksi terävää kulmaa. Huomaa, että korkeusjana on nyt toinen kateeteista. Kuvassa kateetti \(b\).

Tasasivuinen kolmio

Tasasivuisen kolmion tilanteessa kolmion kaikki kulmat ovat suuruudeltaan \(60°\). Lisäksi kolmion kaikki sivut ovat keskenään yhtä pitkiä ja piirretty korkeusjana puolittaa kannan ja huippukulman.

Tasakylkinen kolmio

Tasakylkisessä kolmiossa kolmion kaksi sivua ovat yhtä pitkiä. Näitä yhtäpitkiä sivua kutsutaan kyljiksi. Tasakylkisen kantakulmat ovat yhtäsuuret, ja huipusta kantaan piirretty korkeusjana \(h\) puolittaa sekä huippukulman ja kannan.

# kolmion-ala

2.2 Kolmion pinta-ala

Kolmion pinta-ala voidaan laskea tutulla tavalla, eli kerrotaan kolmion kanta ja korkeus keskenään ja jaetaan tulos kahdella. Joskus kolmion korkeus on kuitenkin vaikea määrittää. Yleisemmässä tapauksessa kolmion pinta-ala voidaan määrittää vain, kun tiedetään kahden kolmion sivun pituudet ja niiden sivujen välisen kulman suuruus.

Kolmion pinta-ala

Jos kolmion kannan pituus on \(a\) ja korkeus \(h\), kolmion pinta-ala on \[A=\frac{1}{2} ah.\] Jos kolmion kahden sivun pituudet ovat \(a\) ja \(b\) ja näiden välisen kulman suuruus \(\alpha\), voidaan kolmion pinta-ala ilmaista lausekkeella \[A=\frac{1}{2} ab \sin \alpha.\]

 
 

Esimerkki 2.2.1: Kolmion pinta-alan laskeminen

# pythagoras

2.3 Suorakulmainen kolmio, Pythagoraan lause

Suorakulmainen kolmio on sellainen kolmio, jonka yksi kulma on suorakulma eli \(90^{\circ}\). Suoran kulman kylkinä olevia sivuja kutsutaan kateeteiksi ja suoran kulman vastaista sivua hypotenuusaksi.

Suorakulmaiseen kolmioon liittyy oleellisesti Pythagoraan lause, jonka mukaan suorakulmaisen kolmion kateettien neliöiden summa on yhtä suuri kuin kolmion hypotenuusan neliö. Jos siis tiedetään kolmion kahden sivun pituudet, voidaan kolmannen sivun pituus ratkaista. Voit lukea lisää Pythagoaan lauseen historiasta.

Pythagoraan lause

Suorakulmaisen kolmion kateettien \(a\) ja \(b\) neliöiden summa on yhtä suuri kuin sen hypotenuusan \(c\) neliö, eli \[a^2+b^2=c^2.\]

 
 

Esimerkki 2.3.1: Pythagoraan lauseen hyödyntäminen

# kaant-pythagoras

2.4 Käänteinen Pythagoraan lause

Pythagoraan lauseen kohdalla todettiin, että se pätee vain suorakulmaisille kolmioille. Eli jos kolmio on suorakulmainen, sen kateettien neliöiden summa on yhtä suuri kuin hypotenuusan neliö. Sama päättely voidaan kääntää toisinpäin. Jos kolmion kahden lyhyemmän sivun neliön summa on yhtä suuri kuin pisimmän sivun neliö, kyseessä on suorakulmainen kolmio. Jos suoraa kulmaa ei ole merkitty kuvaan tai sitä ei ole kerrottu erikseen, tulee aina tarkistaa, onko kolmio suorakulmainen, vaikka se saattaisi näyttää siltä.

Esimerkki 2.4.1: Käänteisen Pythagoraan lauseen hyödyntäminen

# trig

2.5 Trigonometriset funktiot

Suorakulmaisen kolmion terävien kulmien suuruudet voidaan ratkaista, jos tiedetään kolmion kateettien tai kateetin ja hypotenuusan pituudet. Tämä on mahdollista, sillä kolmion sivujen suhteet ovat tietyillä kulmilla aina vakioita. Näitä suhteita kutsutaan trigonometrisiksi funktioiksi.

Suorakulmaisen kolmion sini, kosini ja tangentti

Suorakulmaisessa kolmiossa kulman \(\alpha\) sini, kosini ja tangentti tarkoittavat seuraavia suhteita: \[\sin(\alpha)=\frac{\text{kulman vastainen kateetti}}{\text{hypotenuusa}}=\frac{a}{c}\] \[\cos(\alpha)=\frac{\text{kulman viereinen kateetti}}{\text{hypotenuusa}}=\frac{b}{c}\] \[\tan(\alpha)=\frac{\text{kulman vastainen kateetti}}{\text{kulman viereinen kateetti}}=\frac{a}{b}\]

 
 

Esimerkki 2.5.1: Trigonometriset funktiot GeoGebralla

Esimerkki 2.5.2: Trigonometriset funktiot laskuissa

Esimerkki 2.5.3: Trigonometriset funktiot: sivun pituus

Nelikulmioiden geometriaa

Kappaleeseen liittyvät harjoitustehtävät löydät täältä!

2.6 Nelikulmioiden rakenne

Nelikulmiot voidaan jakaa lävistäjän avulla kahdeksi kolmioksi. Koska kolmioiden kulmien summa on aina \(180°\), täytyy siis olla niin, että nelikulmioiden kulmien summa on \(2\cdot180°=360°\).

Alla olevassa kuvassa nelikulmio on jaettu kahdeksi kolmioksi piirtämällä jana pisteestä \(A\) pisteeseen \(C\). Nelikulmio voitaisiin myös jakaa kolmioiksi pisteiden \(B\) ja \(D\) avulla. Samoin kuin kolmionkin tapauksessa, nelikulmiot voidaan jaotella ominaisuuksiensa suhteen.

Suorakulmio

Kaikki nelikulmion kulmat ovat \(90°\). Tällöin myös nelikulmion vastakkaiset sivut ovat yhtäpitkiä.

Neliö on nelikulmion erikoistapaus, jossa nelikulmion kaikki sivut ovat yhtä pitkiä.

Suorakulmion pinta-ala on \(A=a\cdot b\)

Suunnikas

Suunnikas on vinossa oleva nelikulmio. Tällöin vastakkaiset sivut ovat yhtä pitkät ja yhdensuuntaiset, ja vastakkaiset kulmat ovat yhtä suuret.

Neljäkäs on suunnikas, jonka kaikki sivut ovat yhtä pitkiä

Suunnikkaan pinta-ala on \(A=a\cdot h\)

Puolisuunnikas

Nimensä mukaisesti nelikulmio, jossa vain kaksi sivuista ovat yhdensuuntaisia, on puolisuunnikas. Tällöin kaikki sivut voivat olla eri pituisia ja kulmat eri suuruisia.

Tasakylkinen puolisuunnikas on puolisuunnikkaan erikoistapaus, jossa erisuuntaiset sivut ovat yhtäpiktiä. Tällöin puolisuunnikkaan kantakulmat ovat yhtä suuria.

Puolisuunnikkaan pinta-ala on \(A=\frac{a+b}{2}\cdot h\)

Esimerkki 2.6.1: Nelikulmion pinta-ala

Esimerkki 2.6.2: Puolisuunnikkaan pinta-ala

Muut monikulmiot

2.7 Monikulmioiden rakenne

Kolmiot ja nelikulmiot ovat vain esimerkkejä monikulmioista. Monikulmioissa voi nimensä mukaisesti olla kuinka monta kulmaa tahansa. Alla olevassa kuvassa on mallinnettu säännöllistä kuusikulmiota ja kymmenkulmiota.

Kulmien lukumäärästä huolimatta kuviot voidaan aina jakaa kolmioihin. Esimerkiksi yllä oleva kuusikulmio voidaan jakaa neljään kolmioon:

Monikulmion kulmien summa

Jos monikulmiossa on \(n\) kärkeä tai kulmaa, tällöin kulmion kulmien summa on \[\begin{align*} (n-2)\cdot180° \end{align*}\]

Esimerkki 2.7.1: Monikulmion kulmien summa

2.8 Monikulmiot koordinaatistossa

Usein geometrisia kuvioita tarkastellaan \(xy\)-koordinaatistossa.

\(xy\)-koordinaatisto

Koordinaatisto koostuu kahdesta akselista, jotka leikkaavat toisensa kohtisuorasti. Akselien leikkauspiste on nimeltään \(origo\) \(O\).

Usein akselit valitaan siten, että vaakasuora akseli on \(x\)-akseli ja pystysuora akseli on \(y\)-akseli.

Kolmiulotteisessa koordinaatistossa on myös \(z\)-akseli, joka on edelleen kohtisuorassa \(x\)- ja \(y\)-akseleihin.

Monikulmioita piirrettäessä koordinaatistoon, monikulmion kärjet ovat joissain koordinaatiston pisteissä.

Yllä olevassa kuvassa on kolmio, jonka kärkipisteet on merkattu koordinaatistoon. Tekstissä kolmion kärkipisteet voitaisiin ilmoittaa esimerkiksi: "Kolmio, jonka kärjet ovat pisteet \(A(-4,4)\), \(B(2,2)\) ja \(C(-2,-2)\)."

Kolmion kateetin pituus pisteiden \(A\) ja \(B\) välillä voitaisiin laskea pisteiden koordinaattien avulla:

Pisteiden välinen etäisyys

Jos \(xy\)-koordinaatistossa on kaksi pistettä, joiden koordinaatit ovat \((x_1, y_1)\) ja \((x_2, y_2)\), niin näiden pisteiden välinen etäisyys on \[\begin{align*} |AB|=\sqrt{(x_1- x_2)^{2}+(y_1- y_2)^{2}} \end{align*}\]

Aiemmin esitetyn kolmion kateetin \(|AB|\) pituus olisi siis \[\begin{align*} |AB|=\sqrt{(2-(-4)^{2}+(2-4)^{2}}=\sqrt{6^2+(-2)^2}=\sqrt{36+4}=\sqrt{40}=2\cdot\sqrt{10}. \end{align*}\]

Janan päätepisteiden avulla voidaan laskea myös janan keskipisteen koordinaatit. Alla olevassa kuvassa piirretty kolmion sivujen keskipisteet.

Janan keskipisteen koordinaatit

Olkoon janan päätepisteiden koordinaatit \((x_1, y_1)\) ja \((y_1, y_2)\). Janan keskipisteen koordinaatit ovat päätepisteiden koordinaattien keskiarvo:

\[\begin{align*} (x_0,y_0)=\left(\dfrac{x_1+x_2}{2},\dfrac{y_1+y_2}{2}\right) \end{align*}\]

Lasketaan nyt aiemmin esitetyn kolmion keskipiste \(I\) janalla \(AB\).

\[\begin{align*} (x_0,y_0)=\left(\dfrac{(-4)+2}{2},\;\dfrac{4+2}{2}\right)=\left(\dfrac{-2}{2},\;\dfrac{6}{2}\right)=(-1,3) \end{align*}\]

Kuvasta tarkistamalla huomataan, että piste \(I\) näyttäisi sijoittuvat koordinaatistossa pisteeseen \((-1,3)\) aivan kuten laskettiinkin.

Esimerkki 2.8.1: Monikulmiot koordinaatistossa

These are the current permissions for this document; please modify if needed. You can always modify these permissions from the manage page.