درس ۱ · صفحهٔ ۵۳ تا ۶۵ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی
درس اول: چندضلعیها و ویژگیهایی از آنها
در این درس یاد میگیری … قطرهای چندضلعی را بشماری و با ویژگیهای ضلعها، زاویهها و قطرها، چهارضلعیهای مهم را تشخیص بدهی.
پیش از شروع
دو میلهٔ هماندازه، قطرهای یک قاب چهارضلعیاند. آیا میتوانی مطمئن باشی قاب، مستطیل است؟
نه؛ ذوزنقهٔ متساویالساقین هم قطرهای هماندازه دارد، اما مستطیل نیست. اگر بدانیم قاب متوازیالاضلاع است، آنوقت برابری قطرها مستطیلبودنش را تضمین میکند؛ پس شرطهای هر ویژگی مهماند!
از ضلع تا قطر
روی کاغذ، مسیری بسته از پارهخطها بکش. برای چندضلعیبودن، هر پارهخط باید فقط در دو سرش به دو پارهخط دیگر برسد؛ دو ضلعِ متصل هم نباید روی یک خط باشند. پس مسیر باز یا شکلی با تقاطع ضلعها در میانهٔ آنها، چندضلعیِ موردنظر این درس نیست. محل اتصال دو ضلع، رأس است و آن دو ضلع، مجاورند.
قطر، دو رأس غیرمجاور را وصل میکند. از هر رأسِ یک ضلعی، نمیتوان به خود آن رأس یا دو همسایهاش قطر کشید؛ پس از آن رأس قطر داریم. با شمردن همهٔ رأسها، هر قطر دو بار شمرده میشود؛ بنابراین تعداد قطرها برابر است با:
اگر همهٔ جفترأسها را به هم وصل کنیم، تعداد پارهخطها است؛ اینها همان ضلعها و قطرها هستند.
برای تشخیص محدببودن، خط هر ضلع را امتداد بده: بقیهٔ شکل باید یکطرف آن خط باشد. اگر این شرط حتی برای یک ضلع برقرار نباشد، شکل مقعر است؛ مثل چندضلعیای با یک فرورفتگی.
کتاب درسی، صفحهٔ ۵۵
خانوادهٔ متوازیالاضلاع
در چهارضلعی، ضلعهای غیرمجاور را مقابل مینامیم. اگر هر دو جفت ضلع مقابل موازی باشند، شکل متوازیالاضلاع است. مستطیل چهار زاویهٔ قائمه دارد؛ لوزی چهار ضلع برابر دارد؛ مربع چهار ضلع برابر و دستکم یک زاویهٔ قائمه دارد. هر سه، متوازیالاضلاعاند؛ پس ویژگیهای آن را به ارث میبرند.
در متوازیالاضلاع:
- ضلعهای مقابل برابرند.
- زاویههای مجاور مکملاند؛ یعنی مجموعشان است.
- زاویههای مقابل برابرند.
- قطرها منصف یکدیگرند؛ یعنی هر قطر، قطر دیگر را نصف میکند، نه اینکه حتماً خود دو قطر برابر باشند.
این ویژگیها از موازیبودن ضلعها و همنهشتی مثلثهای ساختهشده با قطرها به دست میآیند. مثلاً رسم یک قطر، دو مثلث همنهشت میسازد و برابری ضلعهای مقابل را نشان میدهد.
برای اثبات متوازیالاضلاعبودن هم چند راه داریم: برابربودن هر دو جفت ضلع مقابل؛ مکملبودن هر دو زاویهٔ مجاور؛ برابربودن هر دو جفت زاویهٔ مقابل؛ یا منصف یکدیگر بودن قطرها. هرکدام بهتنهایی کافی است. راه دیگر این است که یک جفت ضلع مقابل، هم موازی و هم برابر باشند. حواست باشد هر دو شرط باید مربوط به همان جفت ضلع باشند.
کتاب درسی، صفحهٔ ۵۷
قطر مستطیل و میانهٔ وتر
مستطیل همهٔ ویژگیهای متوازیالاضلاع را دارد و یک ویژگی اضافه هم دارد: قطرهایش هماندازهاند. برای دیدن دلیل، مستطیل را در نظر بگیر. مثلثهای و با دو ضلع برابر و زاویهٔ قائمهٔ بین آنها همنهشتاند؛ پس .
عکس این نتیجه شرط دارد: اگر شکل از قبل متوازیالاضلاع باشد و قطرهایش برابر باشند، مستطیل است. برابری قطرهای یک چهارضلعیِ دلخواه کافی نیست.
این ویژگی به مثلث قائمالزاویه هم کمک میکند. اگر میانهٔ وارد بر وتر باشد، داریم:
چرا؟ میانه را بهاندازهٔ خودش از سمت ادامه بده. چهارضلعی حاصل، قطرهایی دارد که یکدیگر را نصف میکنند؛ پس متوازیالاضلاع است. چون زاویهای قائمه دارد، مستطیل است و قطرهایش برابرند. بنابراین میانه، نصف وتر میشود.
عکس آن هم درست است: اگر میانهٔ وارد بر یک ضلع، نصف همان ضلع باشد، زاویهٔ روبهروی آن ضلع قائمه است. این راهی برای تشخیص مثلث قائمالزاویه، بدون محاسبهٔ زاویههاست.
کتاب درسی، صفحهٔ ۶۰
لوزی و رسیدن به مربع
لوزی هم متوازیالاضلاع است؛ پس قطرهایش یکدیگر را نصف میکنند. دو ویژگی اضافه دارد: قطرها بر هم عمودند و هر قطر روی نیمساز زاویههای دو سر خودش قرار دارد.
برای فهمیدن دلیل، لوزی را با محل برخورد قطرها، یعنی ، تصور کن. مثلث متساویالساقین است، چون . همچنین وسط است. در مثلث متساویالساقین، میانهٔ رأس، ارتفاع و نیمساز هم هست؛ بنابراین هم بر عمود است و هم زاویهٔ را نصف میکند. برای رأسهای دیگر نیز همین استدلال برقرار است.
در یک متوازیالاضلاع، عمودبودن قطرها برای اثبات لوزیبودن کافی است؛ حتی قرارگرفتن یک قطر روی نیمساز یک زاویه هم کافی است. این شرطِ متوازیالاضلاعبودن را فراموش نکن.
مربع، ویژگیهای مستطیل و لوزی را با هم دارد. پس مستطیلی با قطرهای عمود، یا لوزیای با قطرهای برابر، مربع است. جک لوزیشکل خودرو را تصور کن: هنگام بازشدن، طول بازوها ثابت است، ولی زاویهها تغییر میکنند؛ فقط در حالت قائمه، شکل مربع میشود.
کتاب درسی، صفحهٔ ۶۱
ذوزنقه؛ فقط یک جفت موازی
در تعریف این کتاب، ذوزنقه دقیقاً یک جفت ضلع موازی دارد؛ پس متوازیالاضلاع، ذوزنقه نیست. دو ضلع موازی، قاعدهها و دو ضلع دیگر، ساقها هستند. شکل یک گلدان با دهانهٔ پهن و کف باریک میتواند یادآور ذوزنقه باشد.
بهعلت موازیبودن قاعدهها، دو زاویهٔ کنار هر ساق مکملاند. اگر یک ساق بر یک قاعده عمود باشد، بر قاعدهٔ دیگر هم عمود است؛ این شکل، ذوزنقهٔ قائمالزاویه است.
اگر دو ساق برابر باشند، ذوزنقه متساویالساقین است. در این حالت، دو زاویهٔ کنار هر قاعده برابرند و دو قطر هماندازهاند. برای اثبات برابری قطرها میتوان دو مثلثی را مقایسه کرد که یک قاعدهٔ مشترک، ساقهای برابر و زاویههای برابرِ کنار آن قاعده دارند؛ همنهشتی آنها برابری قطرها را میدهد.
عکس هر دو ویژگی هم در ذوزنقه درست است: برابری دو زاویهٔ کنار یک قاعده، یا برابری دو قطر، متساویالساقینبودن را تضمین میکند. پس هنگام استفاده از ویژگی قطرها، اول نام خانوادهٔ شکل را بررسی کن: قطرهای برابر در متوازیالاضلاع به مستطیل میرسند، اما در ذوزنقه به ذوزنقهٔ متساویالساقین.
کتاب درسی، صفحهٔ ۶۳
مثال حلشده
در کدام ضلعی، تعداد قطرها با تعداد ضلعها برابر است؟
تعداد ضلعها و تعداد قطرها است؛ پس مینویسیم: .
چون و بنابراین است، دو طرف را بر تقسیم میکنیم: .
دو طرف را در دو ضرب میکنیم: ؛ پس .
پاسخ را بررسی میکنیم: ؛ پس پنجضلعی، پنج ضلع و پنج قطر دارد.
نکات مهم
- تعداد قطرهای یک ضلعی برابر است، چون هر قطر از دو سر شمرده میشود.
- در متوازیالاضلاع، ضلعها و زاویههای مقابل برابرند، زاویههای مجاور مکملاند و قطرها یکدیگر را نصف میکنند.
- قطرهای مستطیل برابرند، قطرهای لوزی عمود و نیمساز زاویهها هستند و قطرهای ذوزنقهٔ متساویالساقین برابرند؛ پس خانوادهٔ شکل را باید در نظر گرفت.