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Geometry · real student question

対角線の長さが 15 と 7、中位線(中点連結線)の長さが 10 の台形の面積を求めよ。

Question

対角線の長さが 1515 と 77、中位線(中点連結線)の長さが 1010 の台形の面積を求めよ。

Step-by-step solution

  1. 与えられた値を面積の基本公式に載せる。 平行な2辺が aa、bb、高さが hh の台形について、

    S=a+b2 h=m hS=\frac{a+b}{2}\,h=m\,h

    ここで mm は中位線である。いまは m=10m=10 なので S=10hS=10h、また a+b=2m=20a+b=2m=20 となる。あとはすべて高さ次第だが、その高さは問題文に直接与えられていない。

  2. 対角線を1本平行移動して、データを1つの三角形に集める。 対角線 BDBD をベクトル DC⃗\vec{DC} だけ(つまり平行な辺の方向に)平行移動する。端点は長い方の底辺の延長上に来て、3辺が2本の対角線 1515 と 77、および a+b=20a+b=20 に等しい底辺である三角形ができる。ここが要で、平行移動しても対角線の長さも図形の高さも変わらない。

  3. その三角形の面積が台形と等しい理由。 新しい三角形は底辺が a+b=20a+b=20 で、高さは台形と同じ hh なので、面積は 12(a+b)h=a+b2h\tfrac12(a+b)h=\tfrac{a+b}{2}h となり、これはまさに台形の面積である。つまり三角形の面積を計算することが、そのまま台形の面積を計算することになる。

  4. 辺が 15、7、20 の三角形にヘロンの公式を使う。 まずこの三角形が存在することを確かめる:15+7=22>2015+7=22>20。半周長は

    s=15+7+202=21s=\frac{15+7+20}{2}=21

    であり、

    S=21(21−15)(21−7)(21−20)=21⋅6⋅14⋅1=1764=42S=\sqrt{21(21-15)(21-7)(21-20)}=\sqrt{21\cdot 6\cdot 14\cdot 1}=\sqrt{1764}=42

  5. 高さを直接求めて検算する。 2本の対角線を底辺の方向に正射影する。射影の長さ xx と 20−x20-x は

    152=x2+h2,72=(20−x)2+h215^2=x^2+h^2,\qquad 7^2=(20-x)^2+h^2

    を満たす。辺々引くと h2h^2 が消えて:

    225−49=x2−(20−x)2=40x−400  ⟹  40x=576  ⟹  x=14.4225-49=x^2-(20-x)^2=40x-400\;\Longrightarrow\;40x=576\;\Longrightarrow\;x=14.4

    すると h2=225−14.42=225−207.36=17.64h^2=225-14.4^2=225-207.36=17.64 なので h=4.2h=4.2 となり、

    S=10⋅4.2=42S=10\cdot 4.2=42

    独立した2つの方法が一致するので、面積は 4242 である。

Answer

S=42S = 42

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