Квадрат

Квадрат
Квадрат со стороной [math]\displaystyle{ a }[/math] и диагональю [math]\displaystyle{ d }[/math]
Рёбра	4
Символ Шлефли	{4}
Вид симметрии	Диэдрическая группа (D4)
Площадь	a2
Внутренний угол	90°
Свойства
Выпуклый многоугольник, Изогональная фигура, изотоксальная фигура

Квадра́т (от лат. quadratus, четырёхугольный) — правильный четырёхугольник, то есть плоский четырёхугольник, у которого все углы и все стороны равны. Каждый угол квадрата — прямой [math]\displaystyle{ (90^\circ) }[/math].

Варианты определения

Квадрат может быть однозначно охарактеризован разными способами.

• Геометрическая фигура, являющаяся одновременно прямоугольником и ромбом.
• Прямоугольник, у которого длины двух смежных сторон равны.
• Прямоугольник, у которого диагонали пересекаются под прямым углом.
• Ромб, у которого диагонали равны.
• Ромб, у которого два соседних угла равны.
• Ромб, один из углов которого — прямой (прочие углы, как легко доказать, тогда также прямые).
• Параллелограмм, у которого длины двух смежных сторон равны, а угол между ними — прямой.
• Параллелограмм, у которого диагонали равны, а угол между ними — прямой.
• Дельтоид, все углы которого прямые.

Свойства

Основной источник:

Далее в этом разделе [math]\displaystyle{ a }[/math] обозначает длину стороны квадрата, [math]\displaystyle{ d }[/math] — длину диагонали, [math]\displaystyle{ R }[/math] — радиус описанной окружности, [math]\displaystyle{ r }[/math] — радиус вписанной окружности.

Периметр квадрата [math]\displaystyle{ P }[/math] равен:

[math]\displaystyle{ P = 4 a = 4 \sqrt 2 R = 8 r }[/math].

Диагонали квадрата равны, взаимно перпендикулярны, делятся точкой пересечения пополам и сами делят углы квадрата пополам (другими словами, являются биссектрисами внутренних углов квадрата). Длина каждой диагонали [math]\displaystyle{ d=a\sqrt{2}. }[/math]

Вписанная и описанная окружности

Вписанная и описанная окружности для квадрата

Центр описанной и вписанной окружностей квадрата совпадает с точкой пересечения его диагоналей.

Радиус вписанной окружности квадрата равен половине стороны квадрата:

[math]\displaystyle{ r=\frac a2. }[/math]

Радиус описанной окружности квадрата равен половине диагонали квадрата:

[math]\displaystyle{ R=\frac\sqrt22a. }[/math]

Из этих формул следует, что площадь описанной окружности вдвое больше площади вписанной.

Площадь

• 
  Площадь квадрата
• 

  Соединив середины сторон квадрата, получаем квадрат вдвое меньшей площади

Площадь [math]\displaystyle{ S }[/math] квадрата равна

[math]\displaystyle{ S = a^2 = 2 R^2 = 4 r^2= {1\over 2}d^2 }[/math].

Из формулы [math]\displaystyle{ S = a^2, }[/math] связывающей сторону квадрата с его площадью, видно, почему возведение числа во вторую степень традиционно называется «возведением в квадрат», а результаты такого возведения называются «квадратными числами» или просто квадратами. Аналогично корень 2-й степени называется квадратным корнем.

Квадрат имеет два замечательных свойства.

1. Из всех четырёхугольников с заданным периметром квадрат имеет наибольшую площадь.
2. Из всех четырёхугольников с заданной площадью квадрат имеет наименьший периметр.

К уравнению квадрата; здесь [math]\displaystyle{ R=2, x_0=y_0=0 }[/math]

Уравнение квадрата

В прямоугольной системе координат уравнение квадрата с центром в точке [math]\displaystyle{ \{x_0,y_0\} }[/math] и диагоналями, параллельными осям координат (см. рисунок), может быть записано в виде:

[math]\displaystyle{ |x-x_0| + |y-y_0| = R, }[/math]

где [math]\displaystyle{ R }[/math] — радиус описанной окружности, равный половине длины диагонали квадрата. Сторона квадрата тогда равна [math]\displaystyle{ R\sqrt{2}, }[/math] его диагональ равна [math]\displaystyle{ 2R, }[/math] а площадь квадрата равна [math]\displaystyle{ 2R^2. }[/math]

К уравнению квадрата

Уравнение квадрата с центром в начале координат и сторонами, параллельными осям координат (см. рисунок), может быть представлено в одной из следующих форм:

1. [math]\displaystyle{ |x-y| + |x+y| = a }[/math] (легко получается применением поворота на 45° к предыдущему уравнению)
   
2. [math]\displaystyle{ \max(x^2, y^2) = r^2 }[/math]
3. (в полярных координатах) [math]\displaystyle{ \quad r(\varphi) = \min\left( \frac{r}{|\cos\varphi|}, \frac{r}{|\sin\varphi|} \right) }[/math]

Математические проблемы

С квадратами связаны ряд проблем, часть из которых до сих пор не имеет решения.

• Квадратура круга — древняя проблема построения циркулем и линейкой квадрата, равновеликого по площади заданному кругу. В 1882 году Фердинанд Линдеман доказал, что это невозможно.

Пример квадрирования квадрата [math]\displaystyle{ 112\times 112 }[/math]

• Квадрирование квадрата — задача о разбиении квадрата на конечное число меньших квадратов, без «дырок», причём длины сторон квадратов должны отличаться друг от друга (в идеале должны быть все различны). Найден ряд решений этой задачи.
• Долгое время математики пытались доказать, что непрерывное отображение отрезка прямой в квадрат невозможно, пока Джузеппе Пеано не построил свой контрпример.
• Гипотеза Тёплица: на всякой замкнутой плоской жордановой кривой можно отыскать четыре точки, образующие вершины квадрата. Не доказана и не опровергнута.
• Разбиение квадрата сеткой одинаковых более мелких квадратов также приводит к множеству проблем, используемых, в частности, в теории латинских и греко-латинских квадратов, магических квадратов, в игре судоку.

Симметрия

Линии симметрии

Квадрат обладает наибольшей осевой симметрией среди всех четырёхугольников. Он имеет:

• одну ось симметрии четвёртого порядка — ось, перпендикулярную плоскости квадрата и проходящую через его центр;
• четыре оси симметрии второго порядка (то есть относительно них квадрат отражается сам в себя), из которых две проходят вдоль диагоналей квадрата, а другие две — параллельно сторонам.

Применение

В математике

Единичный квадрат используется как эталон единицы измерения площади, а также в определении площади произвольных плоских фигур. Фигуры, у которых можно определить площадь, называются квадрируемыми.

Теорема Пифагора первоначально формулировалась геометрически: площадь квадрата, построенного на гипотенузе, равна сумме площадей квадратов, построенных на катетах.

Квадратами являются грани куба — одного из пяти правильных многогранников.

В математической физике квадрат может означать «оператор Д’Аламбера» (даламбериан) — дифференциальный оператор второго порядка:

[math]\displaystyle{ \square u := \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial y^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial z^2}-\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2} }[/math]

Из теоремы Бойяи — Гервина следует, что любой многоугольник равносоставлен квадрату, то есть его можно разрезать на конечное число частей, из которых составляется квадрат (и обратно).

Графы: K₄ полный граф часто изображается как квадрат с шестью рёбрами.

3-симплекс (3D)

Орнаменты и паркеты

• Мозаики, включающие квадраты
• 
• 
• 

Мозаики, орнаменты и паркеты, содержащие квадраты, широко распространены.

Другие применения

Шахматная доска имеет форму квадрата и поделена на 64 квадрата двух цветов. Квадратная доска для международных шашек поделена на 100 квадратов двух цветов. Квадратную форму имеет боксёрский ринг, площадка для игры в квадрат.

Квадратный флаг Лима поделён на два чёрных и два жёлтых квадрата, будучи поднятым на корабле в гавани, означает, что корабль находится на карантине.

Графика

Символы со сходным начертанием: ロ · ⼝ · ⼞

Ряд символов имеют форму квадрата.

• Символы Юникода U+25A0 — U+25CF
• U+20DE ◌⃞ COMBINING ENCLOSING SQUARE
• ロ (Японский иероглиф «Ро» (катакана))
• 口 (Китайский иероглиф «рот»)
• 囗 (Китайский иероглиф «ограда»)

В Latex для вставки символа квадрата служат конструкции \Box или \square.

В HTML, чтобы заключить произвольный текст в квадрат или прямоугольник, можно использовать конструкцию:

• <span style="border-style: solid; border-width: 1.5px 1.5px 1.5px 1.5px; padding-left: 4px; padding-right: 4px;">text</span>; результат: text.

Вариации и обобщения

Многомерное пространство

Квадрат можно рассматривать как двумерный гиперкуб.

Неевклидова геометрия

В неевклидовой геометрии квадрат (в более широком смысле) — многоугольник с четырьмя равными сторонами и равными углами. По величине этих углов можно судить о кривизне плоскости — в евклидовой геометрии и только в ней углы прямые, в сферической геометрии углы сферического квадрата больше прямого, в геометрии Лобачевского — меньше.

Построение квадрата с использованием циркуля и линейки

Складывание квадрата из произвольного куска бумаги

См. также

• Алгоритм «движущиеся квадраты»
• Квадрат Полибия
• Квадратная матрица
• Квадратриса
• Площадь произвольного четырёхугольника
• Первая теорема Тебо

Литература

• Каплун А. И. Математика, Учебно-практический справочник. — Ростов н/Д.: ООО "Феникс", 2014. — 240 с. — ISBN 978-5-222-20926-3.

Ссылки

• Квадрат, геометрическая фигура // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.