Параллелограммы в задании 1 ЕГЭ: формулы площади и высоты

Задачи (35)

О чём эта подтема

Задание 1 профильного ЕГЭ по математике — это простая планиметрическая задача, где нужно найти длину отрезка, площадь фигуры, угол или другую числовую характеристику по данным условия. Параллелограммы (включая их частные виды — прямоугольник, ромб, квадрат) — одна из самых частых фигур в этом задании. Задачи решаются в одно-два действия, если знать нужные формулы наизусть и правильно определить, что именно связывает данные величины.

Главная трудность здесь не в сложности вычислений, а в том, чтобы быстро вспомнить подходящую формулу и не перепутать, какая сторона соответствует какой высоте или диагонали. Именно на этом чаще всего теряют баллы.

Что нужно знать

Определение и базовые свойства. Параллелограмм — четырёхугольник, у которого противоположные стороны попарно параллельны и равны. Свойства, которые пригодятся:

  • Противоположные углы равны, соседние — в сумме дают 180180^\circ: если угол при вершине AA равен α\alpha, то угол при соседней вершине BB равен 180α180^\circ - \alpha.
  • Диагонали точкой пересечения делятся пополам.
  • sin(180α)=sinα\sin(180^\circ - \alpha) = \sin\alpha — это значит, что для вычисления площади не важно, какой из двух смежных углов параллелограмма использовать: синус будет одинаковым.

Формулы площади. Есть три рабочих варианта, и важно уметь выбрать подходящий по данным условия:

  1. Через основание и высоту: S=ahaS = a \cdot h_a где hah_a — высота, опущенная на сторону aa.

  2. Через две смежные стороны и угол между ними: S=absinαS = a \cdot b \cdot \sin\alpha

  3. Через диагонали и угол между ними: S=12d1d2sinφS = \frac{1}{2} d_1 d_2 \sin\varphi

Связь высот и сторон. Поскольку площадь одна и та же, но её можно выразить через любую пару «сторона—высота», верно равенство: S=aha=bhbS = a \cdot h_a = b \cdot h_b Отсюда высоту, опущенную на сторону aa, всегда можно найти как ha=Sa.h_a = \frac{S}{a}. Важный практический вывод: чем меньше сторона, тем больше высота, опущенная на неё, и наоборот. Это следует прямо из формулы h=S/ah = S/a: при фиксированной площади высота обратно пропорциональна стороне.

Диагонали параллелограмма. Если известны стороны aa, bb и угол между ними, диагонали находятся по теореме косинусов: d12=a2+b22abcosα,d22=a2+b2+2abcosαd_1^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos\alpha, \qquad d_2^2 = a^2 + b^2 + 2ab\cos\alpha а их сумма квадратов даёт удобное тождество: d12+d22=2(a2+b2)d_1^2 + d_2^2 = 2(a^2 + b^2)

Частные случаи.

  • Прямоугольник: все углы 9090^\circ, площадь S=abS = ab, диагонали равны и находятся по теореме Пифагора: d=a2+b2d = \sqrt{a^2+b^2}.
  • Ромб: все стороны равны, площадь через диагонали S=12d1d2S = \frac{1}{2} d_1 d_2, диагонали пересекаются под прямым углом.
  • Квадрат: сторона aa, диагональ d=a2d = a\sqrt{2}, площадь S=a2=d22S = a^2 = \dfrac{d^2}{2}.

Эта последняя формула — S=d2/2S = d^2/2 — часто нужна именно в задании 1, когда дана только диагональ квадрата.

Как решать: метод и алгоритм

Шаг 1. Определить тип фигуры (параллелограмм в общем виде, прямоугольник, ромб или квадрат) — от этого зависит набор доступных формул.

Шаг 2. Выписать все данные: какие стороны, углы, диагонали известны, и что требуется найти.

Шаг 3. Выбрать формулу площади, которая связывает известные величины напрямую. Если дан угол и две стороны — используем S=absinαS = ab\sin\alpha. Если дана только диагональ квадрата — используем S=d2/2S = d^2/2. Если даны диагонали и угол между ними — берём формулу через диагонали.

Шаг 4. Если в условии просят высоту, а не площадь, сначала найти площадь через удобную формулу, а затем выразить нужную высоту как h=S/ah = S/a.

Шаг 5. Если нужно найти большую высоту, сначала определить, на какую сторону она опускается: большая высота соответствует меньшей стороне (и наоборот). Это позволяет сразу понять, какую из двух высот считать, не находя обе.

Шаг 6. Проверить ответ на правдоподобность: высота не может быть больше стороны, на которую она не опирается, но не превышает смежную сторону параллелограмма (высота всегда меньше или равна той стороне, к которой она не перпендикулярна, то есть смежной стороне).

Разбор примера

Пример 1. В параллелограмме ABCDABCD известно AB=3AB = 3, AD=21AD = 21, sinA=67\sin A = \dfrac{6}{7}. Найдите большую высоту параллелограмма.

Шаг 1. Определяем, что дано: две смежные стороны ABAB и ADAD и синус угла между ними A\angle A. Значит, площадь удобно найти по формуле через стороны и угол: S=ABADsinAS = AB \cdot AD \cdot \sin A

Шаг 2. Подставляем числа: S=32167S = 3 \cdot 21 \cdot \frac{6}{7} Сначала упрощаем 2167=36=1821 \cdot \dfrac{6}{7} = 3 \cdot 6 = 18 (так как 21/7=321/7 = 3). Затем: S=318=54S = 3 \cdot 18 = 54

Шаг 3. В параллелограмме есть две высоты: одна опущена на сторону ABAB, другая — на сторону ADAD. По формуле h=S/ah = S/a находим обе: hAD=SAD=5421=1872,57h_{AD} = \frac{S}{AD} = \frac{54}{21} = \frac{18}{7} \approx 2{,}57 hAB=SAB=543=18h_{AB} = \frac{S}{AB} = \frac{54}{3} = 18

Шаг 4. Сравниваем: hAB=18h_{AB} = 18 больше, чем hAD=18/7h_{AD} = 18/7. Значит, большая высота опускается на меньшую сторону AB=3AB = 3 — это в точности подтверждает правило «меньшая сторона — большая высота».

Ответ: большая высота параллелограмма равна 1818.

Обратите внимание: можно было сразу понять, что искомая большая высота будет опускаться на меньшую из сторон (AB=3AB=3), и вычислить только hAB=S/ABh_{AB} = S/AB, не находя вторую высоту. Это экономит время на экзамене.

Пример 2. Найдите площадь квадрата, если его диагональ равна 11.

Шаг 1. Для квадрата со стороной aa и диагональю dd верно соотношение (по теореме Пифагора для прямоугольного треугольника, образованного диагональю и двумя сторонами): d2=a2+a2=2a2a2=d22d^2 = a^2 + a^2 = 2a^2 \quad\Rightarrow\quad a^2 = \frac{d^2}{2}

Шаг 2. Площадь квадрата S=a2S = a^2, поэтому сразу получаем удобную формулу: S=d22S = \frac{d^2}{2}

Шаг 3. Подставляем d=1d = 1: S=122=12=0,5S = \frac{1^2}{2} = \frac{1}{2} = 0{,}5

Ответ: площадь квадрата равна 0,50{,}5.

Эта задача показывает, насколько важно помнить формулу S=d2/2S = d^2/2 именно для квадрата — она позволяет решить задачу в одно действие, без промежуточного нахождения стороны.

Типичные ошибки

  • Путаница между высотами. Часто ученики находят только одну высоту и не проверяют, действительно ли она большая. Нужно чётко помнить: большая высота соответствует меньшей стороне.
  • Неверный выбор угла для синуса. В параллелограмме два вида углов (острый и тупой), но их синусы равны, поэтому ошибка обычно не в выборе угла, а в неверном применении косинуса вместо синуса при вычислении площади через стороны.
  • Путаница между стороной и диагональю квадрата. Иногда вместо S=d2/2S = d^2/2 по ошибке используют S=d2S = d^2 или считают диагональ как сторону.
  • Арифметические ошибки при сокращении дробей. В примере 1 легко ошибиться при умножении 216/721 \cdot 6/7, если не сократить дробь заранее.
  • Путаница между площадью и периметром. При беглом чтении условия можно перепутать, что именно спрашивают — длину высоты, диагонали или площадь.
  • Забывают проверить правдоподобность ответа. Высота параллелограмма не может быть больше самой длинной стороны фигуры; если получилось иначе — где-то ошибка.

На что обратить внимание на экзамене

  • Внимательно читайте, какая именно величина требуется: сторона, высота, диагональ или площадь. Ошибка в чтении условия — самая частая причина потери балла в задании 1.
  • Держите под рукой (в памяти) три формулы площади параллелограмма и формулы для частных случаев — прямоугольника, ромба и квадрата, чтобы сразу выбрать подходящую без долгих рассуждений.
  • Если задача требует «большую» или «меньшую» высоту/сторону, сначала определите логически, какой из двух вариантов подходит, а затем считайте только его — это экономит время.
  • Проверяйте вычисления через сокращение дробей до итогового умножения — это снижает риск арифметической ошибки.
  • В конце всегда прикидывайте, насколько разумен полученный ответ: сравнивайте высоту со сторонами, диагональ со сторонами и так далее.
  • Задание 1 оценивается в один балл, поэтому не стоит тратить на него больше пары минут — как только формула определена, решение обычно занимает 1–2 строки вычислений.

Частые вопросы

Как быстро понять, какая высота параллелограмма больше?

Большая высота всегда опускается на меньшую сторону, а меньшая высота — на большую сторону. Это следует из формулы h=S/ah=S/a: при одинаковой площади высота обратно пропорциональна длине стороны, на которую она опущена.

Почему в формуле площади $S=ab\sin\alpha$ не важно, какой угол параллелограмма брать?

Потому что соседние углы параллелограмма в сумме дают 180180^\circ, а sin(180α)=sinα\sin(180^\circ-\alpha)=\sin\alpha. Синусы острого и тупого угла параллелограмма равны, поэтому результат площади не зависит от выбора угла.

Какая формула площади квадрата через диагональ самая быстрая?

Формула S=d22S=\dfrac{d^2}{2}, где dd — диагональ. Она получается из теоремы Пифагора d2=2a2d^2=2a^2 и позволяет найти площадь в одно действие, не вычисляя сторону квадрата отдельно.

Как связаны диагонали параллелограмма со сторонами?

Через теорему косинусов для каждой диагонали и тождество d12+d22=2(a2+b2)d_1^2+d_2^2=2(a^2+b^2), которое удобно использовать, когда обе диагонали фигурируют в условии одновременно.

Чем отличается решение задачи для ромба от общего параллелограмма?

У ромба все стороны равны, а диагонали пересекаются под прямым углом, поэтому для площади удобнее использовать формулу S=12d1d2S=\dfrac{1}{2}d_1d_2 вместо формулы через стороны и угол.