Geometria feladatok megoldása a koordinátageometria eszközeivel

Cogito ergo sum. – Gondolkodom, tehát vagyok. Ez René Descartes (ejtsd: Röné Dékárt) filozófiájának megingathatatlan alapelve. Descartes – latinosított néven Cartesius (ejtsd: Kártéziusz) – XVII. századi filozófus, természettudós és matematikus az Értekezés a módszerről című művének egyik részében a geometria algebrai megalapozásáról, a koordináta-rendszerről szól. Ez volt a kiindulópontja a koordinátageometriának, amely a geometriai problémák megoldásának egyik leghatékonyabb módszerévé fejlődött.
A geometriai problémák megoldásának elengedhetetlen eszköze a szerkesztések és a számítások elvégzése. A szerkesztésekhez a síkon vonalzóval egyeneseket, körzővel köröket rajzolunk, pontokat jelölünk ki. Aki egy kicsit is járatos a koordinátageometriában, az tudja, hogy mindezeket megtehetjük úgy is, hogy közben nem használunk sem vonalzót, sem körzőt, és egyetlen pontot sem rajzolunk. Az egyenesek és a körök helyett egyenleteket, a pontok helyett pedig számpárokat adunk meg.
A koordinátageometria – nagyon leegyszerűsítve – tehát nem más, mint a geometria művelése algebrai eszközökkel. Számpárok és egyenletek helyettesítik a körzőt és a vonalzót.
Nézzük meg néhány alapfeladatban, hogyan valósul meg a geometria és az algebra egymást támogató együttműködése.
Az egyik geometriai alapszerkesztés az volt, amelyben a szakasz felezőmerőlegesét körzővel és vonalzóval kellett megszerkesztenünk. Ez a feladat a koordinátageometriában például így fogalmazható meg: Adott egy szakasz két végpontja, az A és a B pont a koordinátáival. Írjuk fel a szakasz felezőmerőlegesének egyenletét!
A felezőmerőleges átmegy a szakasz F felezőpontján. Ennek a koordinátáit meg tudjuk adni a szakasz végpontjainak ismeretében.
A felezőmerőleges az AB szakaszra merőleges, ezért például az $\overrightarrow {FB} $ (ejtsd: ef, bé vektor) a felezőmerőlegesnek egy normálvektora. A normálvektor koordinátáit helyvektorok segítségével tudjuk megadni. A két koordináta a négy és az egy.
Ismert tehát a felezőmerőleges egyik pontja és egy normálvektora. Ezekkel már fel tudjuk írni a felezőmerőleges egyenletét is. Ezzel a feladatunkat megoldottuk.
Folytassuk a koordinátageometria működésének bemutatását! A már megadott A és B pontokhoz vegyük hozzá harmadikként a C(0; 9) (ejtsd: Cé, nulla, kilenc) pontot is! Adjuk meg az ABC háromszög körülírt körének egyenletét! Tudjuk, hogy a háromszög körülírt körének középpontját két oldalfelező merőleges metszéspontjaként kaphatjuk meg. Az AB oldalhoz tartozó oldalfelező merőleges egyenletét éppen az előbb határoztuk meg.
A BC oldal felezőpontja a G(1; 7) (ejtsd: G egy, hét) pont, a $\overrightarrow {GB} $ (ejtsd: GB vektor) pedig a BC oldal felezőmerőlegesének normálvektora.
Ezekkel felírható a BC oldal felezőmerőlegesének egyenlete.
A körülírt kör középpontját a két felezőmerőleges metszéspontja adja meg.
A körülírt kör középpontjának koordinátái tehát az $O\left( { - \frac{7}{3};{\rm{ }}\frac{{16}}{3}} \right)$ (ejtsd: ó, mínusz hét harmad és tizenhat harmad).
A körülírt kör sugarát a háromszög egyik csúcsának és a kör középpontjának távolsága adja meg. Ezt két pont távolságaként számíthatjuk ki.
A kör egyenletéhez a középpontjának a koordinátáit és a sugarának a négyzetét kell ismernünk. Ezekkel felírjuk a körülírt kör egyenletét. A kitűzött feladatunkat ezzel megoldottuk.
A koordinátageometria nem csak a geometriai szerkesztéseket tudja lépésről lépésre visszaadni. Az ABC háromszög súlypontját például azonnal meg tudjuk adni, ha kiszámítjuk a csúcsok megfelelő koordinátáinak számtani közepét. Van képletünk a háromszög oldalainak kiszámítására – ezeket két-két pont távolságaként határozhatjuk meg. A vektorok skaláris szorzatának felhasználásával vagy a koszinusztétellel ezután a háromszög szögeit is kiszámíthatjuk.
Emlékezz vissza, hogy mindazt a sok ismeretet, amelyet most az ABC háromszögről felsoroltunk, úgy kaptuk meg, hogy kezdetben mindössze három számpárt adtunk meg: a háromszög három csúcsának koordinátáit. Ez mutatja a koordinátageometria módszerének lényegét és a módszer erejét is.