4.1 Vinklar och cirklar

Sommarmatte 1

(Skillnad mellan versioner)
Hoppa till: navigering, sök
Versionen från 24 april 2007 kl. 11.07 (redigera)
Lina (Diskussion | bidrag)
(Cirklar)
← Gå till föregående ändring
Versionen från 24 april 2007 kl. 11.29 (redigera) (ogör)
Lina (Diskussion | bidrag)
(Cirklar)
Gå till nästa ändring →
Rad 174: Rad 174:
- 
-Några viktiga vinklar som är bra att kunna översätta till utantill mellan grader och radianer.<p align="left"><img src="ppStdFiles2261/774115.gif" hspace='0' vspace='0' /><br clear='all' /> 
-[http://www.math.kth.se/online/images/sinus_och_cosinus_i_enhetscirkeln.swf Interaktivt experiment: sinus och cosinus i enehtscirkeln] (Flash) 
- 
- 
-Omvandlingsfaktorn mellan radianer och grader kan man få ur sambanden 
-1 varv = $360^\circ$ = $2\pi$ rad  
- 
- 
- 
-1 rad = $\displaystyle\frac{360^\circ}{2\pi} = \displaystyle\frac{180^\circ}{\pi} \approx 57,295^\circ$ 
- 
-===Cirkelsektorer och båglängder=== 
- 
- 
-<img src="object49972/bilder/3_2/3_2_04.gif" align="right">Om vi har öppningsvinkeln $\alpha$ för en cirkelsektor kan vi beräkna cirkelsektorns area ''A'' och cirkelbågens båglängd b, genom att betrakta dem som en andel av en hel cirkel.  
- 
-Eftersom en hel cirkel har omkretsen $2\pi r$ och arean $\pi r^2$, får vi  
- 
-bågens längd utefter cirkelsektorn $= b = \displaystyle\frac{\alpha}{2\pi} 2\pi r = \alpha r$ 
- 
-arean $= A = \displaystyle\frac{\alpha}{2\pi} \pi r^2 = \displaystyle\frac{\alpha r^2}{2}$ 
- 
-Observera att vinkeln $\alpha$ måste anges i radianer för att formlerna skall bli så snygga.  
- 
- 
- 
- 
- 
- 
-===Definition av en cirkel=== 
- 
-<img src="object49972/bilder/3_2/3_2_08.gif" align="right"> 
- 
-En cirkel kan definieras som mängden av alla punkter ''(x, y)'' som ligger på ett visst avstånd ''r'' från en given punkt ''(a, b)''. Avståndet ''r'' blir då cirkels radie, och punkten ''(a, b)'' blir cirkelns medelpunkt. Detta ger med hjälp av avståndsformeln villkoret 
- 
- 
- 
-$r = \sqrt{(x – a)^2 + (y – b)^2}$.  
- 
- 
- 
-Detta villkor brukar genom kvadrering skrivas  
- 
- 
- 
-$(x – a)^2 + (y – b)^2 = r^2$ 
- 
- 
- 
-och kallas för '''cirkelns ekvation'''.  
-Cirkeln är alltså mängden av alla punkter $(x, y)$ som uppfyller ekvationen  
-$(x – a)^2 + (y – b)^2 = r^2$ och ligger på avståndet ''r'' från punkten $(a, b)$. 
-Om man sätter ''r'' = 1 och $(a,b) = (0,0)$ får man en cirkel med radien 1 och medelpunkten i origo. Denna cirkel kallas enhetscirkeln. 
-Enhetscirkeln är ett viktigt hjälpmedel i många sammanhang, t.ex. när man arbetar med trigonometriska funktioner.  
- 
- 
- 
- 
- 
-<div class="tips"> 
-'''Några fakta om cirklar''' 
- 
-*Arean av en cirkel med radie $r$ är $\pi r^2$.  
-*Omkretsen av en cirkel med radie $r$'' är ''$2\pi r$.  
-*Radien är avståndet från cirkelns medelpunkt till en punkt på periferin.  
-*Några andra viktiga geometriska begrepp för cirkeln visas i figuren 
-</div> 
- 
- 
- 
- 
- 
-'''Några viktiga begrepp''' 
- 
- 
-<img src="object49972/bilder/3_2/3_2_10.gif"> 
- 
-Det är inte alltid helt enkelt att känna igen ekvationen för en cirkel. Med hjälp av kvadratkomplettering (tidigare presenterat i avsnitt 2.3) kan man skriva ekvationen på så kallad '''standardform''', där går det direkt att avläsa cirkelns radie och medelpunkt. 
- 
-  
<div class="exempel"> <div class="exempel">
-'''Exempel 1'''+'''Exempel 7'''
-Skissera cirkeln +<ol type="a">
-$ x^2 + y^2 = 4$+<li>Ligger punkten $(1,2)$ på cirkeln $(x-4)^2 +y^2=13$? <br><br>
 +Stoppar vi in punktens koordinater $x=1$ och $y=2$ i cirkelns ekvation har vi att
 +$$\mbox{VL }= (1-4)^2+2^2 =(-3)^2+2^2=9+4=13= \mbox{ HL}\; \mbox{.}$$
 +Eftersom punkten uppfyller cirkelns ekvation ligger punken på cirkeln. <br><br>
 +<li>Bestäm ekvationen för cirkeln som har medelpunkt i $(3,4)$ och innehåller punkten $(1,0)$.<br><br>
 +Eftersom punkten $(1,0)$ ska ligga på cirkeln måste cirkelnc radie vara lika med avståndet från $(1,0)$ till medelpunkten $(3,4)$. Avståndsformlen ger att detta avstånd är $$c=\sqrt{(3-1)^2 + (4-0)^2 }= \sqrt{4 +16} = \sqrt{20} \; \mbox{.}$$
 +Cirkelns ekvation är därför
 +$$(x-3)^2 + (y-4)^2 = 20 \; \mbox{.}$$
 +</ol>
-'''Lösning:'''+Bild: 3.2.15 och 3.2.16
-Vi jämför den aktuella cirkeln med '''cirkelns ekvation'''. 
-$(x-x_0)^2+(y-y_0)^2=r^2$ 
-Vi ser att i vårt fall är 
-$x_0=0$ och $y_0=0$ 
-Detta betyder alltså att cirkeln har sin medelpunkt i $(0,0)$ dvs i origo. 
-Radien på cirkeln går att avläsa ur högerledet:  
-$r = \sqrt {r^2} = \sqrt 4 = 2$ 
-Med denna information kan vi skissera cirkeln enligt nedan.<p align="center"><img src="ppStdFiles2261/766791.gif" hspace='0' vspace='0' /><br clear='all' /> 
</div> </div>
<div class="exempel"> <div class="exempel">
-'''Exempel 2'''+'''Exempel 8'''
- +
-Bestäm medelpunkten för den cirkel vars ekvation är $x^2 + y^2 – 2x + 4y + 1 = 0$.+
 +Bestäm medelpunkten och radie för den cirkel vars ekvation är $x^2 + y^2 – 2x + 4y + 1 = 0$.
'''Lösning:''' '''Lösning:'''
-Vi försöker skriva om på normalformen av cirkelns ekvation, +Vi försöker skriva om cirkelns ekvation på formen
-$(x-x_0)^2+(y-y_0)^2=r^2$, där $(x_0,y_0)$ är centrum och $r$ är radien.+$$(x – a)^2 + (y – b)^2 = r^2$$
 +för då kan vi direkt avläsa att medelpunken $(a,b)$ och radien $r$.
 +Börja med att kvadratkomplettera termerna som innehåller $x$ i vänsterledet
 +$$ \underline{x^2-2x} + y^2+4y + 1 =\underline{(x-1)^2-1^2} + y^2+4y + 1$$
 +(de understrukna termerna visar kvadratkompletteringen).
 +Kvadratkomplettera sedan termerna som innehåller $y$
 +$$ (x-1)^2-1^2 + \underline{y^2+4y} + 1= (x-1)^2-1 + \underline{(y+2)^2-2^2} + 1$$
-Vi utgår från de termer som innehåller $x\;$, nämligen $\; x^2-2x$+Vänsterledet är alltså lika med
- +$$ (x-1)^2 + (y+2)^2-4 $$
- +
- +
-och skriver om den m.h.a. andra kvadreringsregeln, +
- +
- +
- +
-$ a^2-2ab+b^2=(a-b)^2 $+
- +
- +
- +
-Vi identifierar $ a=x $ och $ b=1 $ vilket ger $ b^2=1 $, vi har då+
- +
- +
- +
-$ x^2-2x=(x-1)^2-1 $+
- +
- +
- +
-På samma sätt får vi för termerna $ y^2 + 4y $+
- +
- +
- +
-$ y^2+4y=(y+2)^2-4 $+
- +
- +
- +
-Vår ursprungliga ekvation $ x^2+y^2-2x+4y+1=0 $ kan då skrivas som+
- +
- +
- +
-$ (x-1)^2-1+(y+2)^2-4+1=0 $+
- +
- +
- +
-vilket förenklas till+
- +
- +
- +
-$ (x-1)^2 + (y+2)^2 = 4 $+
 +och flyttar vi över 4 till högerledet är cirkelns ekvation
 +$$ (x-1)^2 + (y+2)^2 = 4 $$
 +Vi avläser att medelpunkten är $(1,2)$ och radien är $\sqrt{4}= 2$.
Vi jämför med cirkelns ekvation på normalform och identifierar medelpunkten $ (x_0,y_0)=(1,-2) $ samt radien $ \sqrt{4}=2 $ . Vi jämför med cirkelns ekvation på normalform och identifierar medelpunkten $ (x_0,y_0)=(1,-2) $ samt radien $ \sqrt{4}=2 $ .
- +[[Bild:766790.gif]]
- +
-Denna information behövs om du vill rita figuren, utgå då från medelpunkt och radie enligt ovan.<p align="center"><img src="ppStdFiles2261/766790.gif" hspace='0' vspace='0' /><br clear='all' />+
- +
- +
-'''Svar:''' medelpunkten är $ (1,-2) $+
</div> </div>

Versionen från 24 april 2007 kl. 11.29

Innehåll

4.1 Vinklar och cirklar

Innehåll:

  • Vinkelmått
  • Avståndsformeln i planet
  • Cirkelns ekvation

Läromål:

Efter detta avsnitt ska du ha lärt dig att:

  • Omvandla mellan grader, radianer och varv
  • Beräkna arean och omkretsen av en cirkelsektor
  • Beräkna avståndet mellan två punkter i planet
  • Skissera cirklar med hjälp av att kvadratkomplettera deras ekvationer
  • Använda begreppen enhetscirkel, tangent, radie, diameter, pereferi, korda och cirkelbåge.
  • Lösa geometriska problem som innehåller cirklar


Övningar

Teori

Vinkelmått

Det finns flera olika enheter för att mäta vinklar, som är praktiska i olika sammanhang. De två vanligaste vinkelmåtten i matematiken är grader och radianer.

  • Grader. Om ett helt varv delas in i 360 delar, så kallas varje del $1$ grad. Beteckningen för grader är $ ^\circ$.

Bild: figur 3.2.1

  • Radianer. Ett annat sätt att mäta vinklar är att omvända längden av vinkelns cirkelbåge i förhållandet till radien som mått på vinkeln. Detta vinkelmått kallas för radian. Ett varv är alltså $2\pi$ radianer eftersom cirkelns omkrets är $2\pi r$, där $r$ är cirkelns radie.

Bild: figurer 3.2.2 och figurer 3.2.3


Ett helt varv är $360^\circ$ eller $2\pi$ radianer och det gör att $$1^\circ = \frac{1}{360} \cdot 2\pi \mbox{ radianer } = \frac{\pi}{180} \mbox{ radianer }$$ $$1 \mbox{ radianer } = \frac{1}{2\pi} \cdot 360^\circ = \frac{180^\circ}{\pi}$$ Dessa omvandlingsfaktorer kan användas för att konvertera mellan grader och radianer.

Exempel 1

  1. $30^\circ = 30 \cdot 1^\circ = 30 \cdot \displaystyle \frac{\pi}{180} \mbox{ radianer } = \displaystyle \frac{\pi}{6} \mbox{ radianer }$

  2. $ \displaystyle \frac{\pi}{8} \mbox {radianer } = \displaystyle \frac{\pi}{8} \cdot (1 \; \mbox{radian }) = \displaystyle \frac{\pi}{8} \cdot \displaystyle \frac{180^\circ}{\pi} = 22,5^\circ$

I en del sammanhang kan det vara meningsfullt att tala om negativa vinklar eller vinklar som är större än $360^\circ$. Då kan man använda att man kan ange samma riktning med flera olika vinklar som skiljer sig från varandra med ett helt antal varv.

Bild: Figur 3.2.4

Exempel 2

Exempeltext, använd nedanstående numrering

  1. Vinklar $-55^\circ$ och $665^\circ$ anger samma riktning eftersom $$-55^\circ + 2 \cdot 360^\circ = 665^\circ \; \mbox{.}$$
  2. Vinklarna $\frac{3\pi}{7}$ och $-\frac{11\pi}{7}$ anger samma riktning eftersom $$\frac{3\pi}{7} - 2\pi = -\frac{11\pi}{7} \; \mbox{.}$$
  3. Vinklarna $36^\circ$ och $216^\circ$ anger inte samma riktning utan motsatta riktningar eftersom $$36^\circ + 180^\circ = 216^\circ \; \mbox{.}$$

Avståndsformlen

Pythagoras sats är en av de mest kända satserna i matematiken och säger att i en rätvinklig triangel med kateter $a$ och $b$ , och hypotenusa $c$ gäller att

$$c^2 = a^2 + b^2 \; \mbox{.}$$

Bild: figur 3.2.5

Exempel 3

Bild: figur 3.2.6

I triangel till höger är $$c^2= 3^2 + 4^2 = 9 +16 = 25$$ och därför är hypotenusan $c$ lika med $$c=\sqrt{25} = 5 \; \mbox{.}$$


Pythagoras sats kan användas för att beräkna avståndet mellan två punkter i ett koordinatsystem.

Avståndsformeln:

Avståndet $d$ mellan två puntker med koordinater $(x, y)$ och $(a, b)$ är $$d = \sqrt{(x – a)^2 + (y – b)^2} $$

Denna formel kallas för avståndsformeln.

Linjestycket mellan punkterna är hypotenusan i en rätvinklig triangel vars kateter är parallella med koordinataxlarna.

Bild: figur 3.2.7

Kateternas längd är lika med beloppet av skillnaden i $x$- och $y$-led mellan punkterna, d.v.s. $|x-a|$ respektive $|y-b|$. Pythagoras sats ger sedan avståndsformeln.

Exempel 4

  1. Avståndet mellan $(1,2)$ och $(3,1)$ är $$d=\sqrt{ (1-3)^2 + (2-1)^2} = \sqrt{(-2)^2 + 1^2} = \sqrt{ 4+1} = \sqrt{5} \; \mbox{.}$$
  2. Avståndet mellan $(-1,0)$ och $(-2,-5)$ är $$d=\sqrt{ (-1-(-2))^2 + (0-(-5))^2} = \sqrt{1^2 + 5^2} = \sqrt{1+25} = \sqrt{26} \; \mbox{.}$$

Interaktivt experiment: Här kan du experimentera med avståndsformeln och Pythagoras sats

Cirklar

En cirkel består av alla punkter som befinner sig på ett visst fixt avstånd $r$ från en punkt $(a,b)$.

Bild:figur 3.2.8

Avståndet $r$ kallan för cirkelns radie och punkten $(a,b)$ för cirkelns medelpunkt. Figuren nedan visar andra viktiga cirkelbegrepp.

Bild:3_2_10.gif

Exempel 5

En cirkelsektor är given i figuren till höger. Bild: figur 3.2.10

  1. Bestäm cirkelbågens längd

    Medelpunktsvinkeln $50^\circ$ blir i radianer $$50^\circ= 50 \cdot 1^\circ = 50 \cdot \frac{\pi}{180} \mbox{ radianer } = \frac{5\pi}{18} \mbox{ radianer. }$$ På det sätt som radianer är definerat betyder detta att cirkelbågens längd är radien multiplicerat med vinkeln mätt i radianer, $$3 \cdot \frac{5\pi}{18} \mbox{ l.e. } = \frac{5\pi}{6} \mbox{ l.e. }$$
  2. Bestäm cirkelsektorns area.

    Cirkelsektorns andel av hela cirkeln är $$\frac{50^\circ}{360^\circ} = \frac{5}{36}$$ och det betyder att dess area är $\frac{5}{36}$ delar av cirkelns area som är $\pi r^2 = \pi 3^2 = 9\pi$, d.v.s. $$\frac{5}{36} \cdot 9\pi \mbox{ a.e. }= \frac{5\pi}{4} \mbox{ a.e. }$$

Bild:3.2.11

En punkt $(x,y)$ ligger på cirkeln som har medelpunkt i $(a,b)$ och radie $r$ om dess avstånd till medelpunkten är lika med $r$. Detta villkor kan formuleras med avståndsformeln som

Cirkelns ekvation: $$(x – a)^2 + (y – b)^2 = r^2$$

och kallas för cirkelns ekvation.

Exempel 6

  1. $(x-1)^2 + (y-2)^2 = 9$ är ekvationen för en cirkel med medelpunkten i $(1,2)$ och radie $\sqrt{9} = 3$.

  2. $x^2 + (y-1)^2 = 1$ kan skriva som $(x-0)^2 + (y-1)^2 = 1$ och är ekvationen för en cirkel med medelpunkten i $(0,1)$ och radie $\sqrt{1} = 1$.

  3. $(x+1)^2 + (y-3)^2 = 5$ kan skrivas som $(x-(-1))^2 + (y-3)^2 = 5$ och är ekvationen för en cirkel med medelpunkten i $(-1,3)$ och radie $\sqrt{5} \approx 2{,}236$.

Bild: figur 3.2-12-14


Exempel 7

  1. Ligger punkten $(1,2)$ på cirkeln $(x-4)^2 +y^2=13$?

    Stoppar vi in punktens koordinater $x=1$ och $y=2$ i cirkelns ekvation har vi att $$\mbox{VL }= (1-4)^2+2^2 =(-3)^2+2^2=9+4=13= \mbox{ HL}\; \mbox{.}$$ Eftersom punkten uppfyller cirkelns ekvation ligger punken på cirkeln.

  2. Bestäm ekvationen för cirkeln som har medelpunkt i $(3,4)$ och innehåller punkten $(1,0)$.

    Eftersom punkten $(1,0)$ ska ligga på cirkeln måste cirkelnc radie vara lika med avståndet från $(1,0)$ till medelpunkten $(3,4)$. Avståndsformlen ger att detta avstånd är $$c=\sqrt{(3-1)^2 + (4-0)^2 }= \sqrt{4 +16} = \sqrt{20} \; \mbox{.}$$ Cirkelns ekvation är därför $$(x-3)^2 + (y-4)^2 = 20 \; \mbox{.}$$

Bild: 3.2.15 och 3.2.16


Exempel 8

Bestäm medelpunkten och radie för den cirkel vars ekvation är $x^2 + y^2 – 2x + 4y + 1 = 0$.


Lösning:

Vi försöker skriva om cirkelns ekvation på formen $$(x – a)^2 + (y – b)^2 = r^2$$ för då kan vi direkt avläsa att medelpunken $(a,b)$ och radien $r$.

Börja med att kvadratkomplettera termerna som innehåller $x$ i vänsterledet $$ \underline{x^2-2x} + y^2+4y + 1 =\underline{(x-1)^2-1^2} + y^2+4y + 1$$ (de understrukna termerna visar kvadratkompletteringen).

Kvadratkomplettera sedan termerna som innehåller $y$ $$ (x-1)^2-1^2 + \underline{y^2+4y} + 1= (x-1)^2-1 + \underline{(y+2)^2-2^2} + 1$$

Vänsterledet är alltså lika med $$ (x-1)^2 + (y+2)^2-4 $$

och flyttar vi över 4 till högerledet är cirkelns ekvation $$ (x-1)^2 + (y+2)^2 = 4 $$

Vi avläser att medelpunkten är $(1,2)$ och radien är $\sqrt{4}= 2$.

Vi jämför med cirkelns ekvation på normalform och identifierar medelpunkten $ (x_0,y_0)=(1,-2) $ samt radien $ \sqrt{4}=2 $ .

Bild:766790.gif


Råd för inläsning

Tänk på att:

Lär dig att använda enhetscirkeln som ett verktyg i det trigonometriska arbetet. Avläsningar i enhetscirkeln ger dig viktiga upplysningar om diverse samband.


Lästips

för dig som vill fördjupa dig ytterligare eller behöver en längre förklaring vill vi tipsa om:

Sammanfattning av Geometri B ur Theducations gymnasielexikon

Läs mer om Pythagoras sats på svenska Wikipedia

Läs mer i Mathworld om cirkeln


Länktips

Interaktivt experiment: sinus och cosinus i enehtscirkeln (Flash)

Experimentera med Randvinkelsatsen

Experimentera med Pythagoras sats

Experimentera med vinkelsumman i en fyrhörning


© Copyright 2006, KTH Matematik




Personliga verktyg