Параллелограмм: определение и свойства¶
Параллелограмм — это выпуклый четырёхугольник, у которого противоположные стороны попарно параллельны. Одновременно параллелограмм можно определить как четырёхугольник, у которого противоположные стороны попарно равны, либо как четырёхугольник, у которого противоположные углы попарно равны. Все три признака равносильны: если выполняется одно из этих условий, выполняются и остальные. Параллелограмм является частным случаем четырёхугольника и трапеции (в широком смысле слова) и, в свою очередь, содержит в себе прямоугольник, ромб и квадрат как частные случаи.
¶Внешний вид и основные элементы
Параллелограмм выглядит как «смещённый» прямоугольник: если взять прямоугольник и наклонить его, сдвинув верхнюю сторону вправо или влево относительно нижней, получится типичный невырожденный параллелограмм. Противоположные стороны имеют одинаковую длину и одинаковый наклон, поэтому фигура выглядит симметричной относительно точки пересечения диагоналей.
Основные элементы параллелограмма:
- Стороны — четыре отрезка, образующих контур. Обозначим их буквами: $AB$, $BC$, $CD$, $DA$. Свойство: $AB = CD$, $BC = DA$.
- Углы — четыре внутренних угла при вершинах $A$, $B$, $C$, $D$. Свойство: противоположные углы равны: $\angle A = \angle C$, $\angle B = \angle D$. Сумма всех углов равна $360°$.
- Диагонали — отрезки $AC$ и $BD$, соединяющие противоположные вершины. Свойство: диагонали параллелограмма точкой пересечения делятся пополам.
- Высота — перпендикуляр, опущенный из вершины на противоположную сторону (или её продолжение). У параллелограмма две различные высоты, соответствующие двум парам сторон.
¶Свойства
Параллелограмм обладает набором характерных свойств, по которым он и опознаётся на чертеже:
- Противоположные стороны параллельны и равны.
- Противоположные углы равны.
- Диагонали точкой пересечения делятся пополам (взаимно перпендикулярны диагонали только у ромба и квадрата).
- Сумма соседних углов равна $180°$ (смежные углы).
- Диагональ делит параллелограмм на два равных треугольника.
- Точка пересечения диагоналей является центром симметрии фигуры (центральной симметрии), поэтому параллелограмм совпадает с собой при повороте на $180°$ вокруг этой точки.
¶Признаки параллелограмма
Четырёхугольник является параллелограммом, если выполняется хотя бы одно из условий:
- противоположные стороны попарно параллельны;
- противоположные стороны попарно равны;
- противоположные углы попарно равны;
- диагонали точкой пересечения делятся пополам;
- одна пара противоположных сторон одновременно равна и параллельна.
Последний признак особенно часто используется при решении задач: достаточно доказать, что $AB = CD$ и $AB ∥ CD$, чтобы заключить, что $ABCD$ — параллелограмм.
¶Формулы
¶Площадь
Площадь параллелограмма вычисляется по формуле:
$$S = a \cdot h,$$
где $a$ — длина стороны, $h$ — высота, опущенная на эту сторону. Эквивалентная формула через две стороны и угол между ними:
$$S = a \cdot b \cdot \sin \alpha,$$
где $a$ и $b$ — длины соседних сторон, $\alpha$ — угол между ними. Также площадь можно выразить через векторы сторон: $S = |\vec{a} \times \vec{b}|$.
¶Периметр
Периметр равен удвоенной сумме соседних сторон:
$$P = 2(a + b).$$
¶Длины диагоналей
Длины диагоналей связаны со сторонами и углом между ними через закон косинусов для треугольников, на которые диагонали делят параллелограмм:
$$d_1^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos\alpha, \quad d_2^2 = a^2 + b^2 + 2ab\cos\alpha.$$
Отсюда следует соотношение, известное как теорема параллелограмма:
$$d_1^2 + d_2^2 = 2(a^2 + b^2),$$
то есть сумма квадратов диагоналей равна сумме квадратов всех четырёх сторон.
¶Частные случаи
| Фигура | Дополнительное условие |
|---|---|
| Прямоугольник | Все углы прямые ($90°$) |
| Ромб | Все стороны равны |
| Квадрат | Все стороны равны и все углы прямые |
У прямоугольника диагонали равны; у ромба диагонали перпендикулярны; у квадрата выполняются оба свойства одновременно.
¶Построение
Для построения параллелограмма по двум сторонам и углу между ними, либо по трём точкам вершин, используется циркуль и линейка. Зная три вершины $A$, $B$, $C$, четвёртую вершину $D$ можно найти как точку, симметричную $B$ относительно середины отрезка $AC$ — это следует из свойства диагоналей.
¶Применение
Параллелограмм встречается в геометрии как базовая фигура для введения понятия площади многоугольников: площадь любого выпуклого многоугольника может быть выражена через сумму площадей треугольников, а любой треугольник, в свою очередь, дополняется до параллелограмма удвоением. В физике и инженерии параллелограмм лежит в основе механизма параллелограммной тяги — например, в подъёмниках и некоторых шасси. В кристаллографии и молекулярной геометрии параллелограммная (ромбическая) ячейка является одной из простейших решёток.
¶История
Понятие параллелограмма и его свойства были изучены ещё в античности: Евклид в «Началах» (книга I, определения и теоремы о параллелограммах) сформулировал основные признаки и свойства этой фигуры. Термин «параллелограмм» происходит от греческих слов παραλληλόγραμμος — «составленный из параллельных линий».
¶Источники
- Евклид. Начала, книга I.
- Погорелов А. В. Геометрия: учебник для 7—11 классов.
- Атанасян Л. С. и др. Геометрия: учебник для 7—9 классов.
- Кочетков Ю. С. Геометрия: учебное пособие.
