Neliö (geometria)

Neliö on geometriassa nelikulmio, jonka kaikki sivut ovat yhtä pitkät ja kaikki kulmat ovat suoria eli 90°.
Neliö on tasasivuinen- ja tasakulmainen- eli säännöllinen monikulmio. Neliö on myös yksinkertainen monikulmio, joka on lisäksi konveksi. Koska vastakkaiset sivut ovat yhdensuuntaiset, kuuluu neliö suunnikkaisiin.
Neliö, jolla on kärkinä pisteet A, B, C ja D, voidaan merkitä formula_1
Erityispiirteet.
Konveksi nelikulmio on neliö jos ja vain jos
Ominaisuudet.
Neliöllä on monia suunnikkaan ominaisuuksia. Esimerkiksi vastakkaiset sivut ovat yhdensuuntaiset. Neliö on symmetrinen pisteen O suhteen, mikäli kuvion kaikille pisteille löytyy O:n vastakkaiselta puolelta, ja yhtä etäältä, kuvion oma piste. Neliöllä on symmetriapiste lävistäjien leikkauspisteessä O, joten sitä kutsutaan pistesymmetriseksi O:n suhteen. Neliö on myös symmetrinen symmetria-akselien suhteen. Tällaisia akseleita ovat molemmat lävistäjät ja sivujen suuntaiset neliön puolittajasuorat.
Kulmat.
Yksinkertaisen nelikulmion (kulmien lukumäärä n = 4) sisäkulmien summa on
formula_2
Koska neliö on tasakulmainen kuvio, ovat kulmat yhtä suuria eli
formula_3 Neliö on siten suorakulmainen nelikulmio eli suorakulmio.
Neliön lävistäjät puolittavat sisäkulmat ja leikkaavat toisensa suorassa kulmassa, ja lisäksi mediaani vastaiselle sivulle erottaa (kuviossa "e") neliöstä kolmion, jonka terävä kulma on "β = arctan 0,5" ≈ 26,5650118°. Lävistäjät muodostavat sivua vastaan keskuskulman, joka on 90°.
Lävistäjät.
Yksinkertaisessa nelikulmiossa on aina formula_4 lävistäjää, jotka neliössä ovat saman pituiset (merkitään tässä d). Kun neliön sivun pituus on formula_5, ovat lävistäjät
formula_6
Lävistäjät puolittavat neliössä toisensa.
Neliön lävistäjä toi luvun formula_7 ensimmäisen kerran antiikin kreikkalaisten tietoisuuteen. He havaitsivat silloin, ettei sen arvoa voinut ilmaista murtolukumerkinnällä, mikä johti lukualueen laajennuksiin. Lukua ei pidetty yhteismitallisena.
Sisä- ja ympärysympyrät.
Koska neliö on säännöllinen monikulmio, voidaan sen ympäri ja sisään aina piirtää ympyrät. Sisä- ja ympärysympyröiden keskipisteet ovat samalla symmetriapisteet.
Sisäympyrä sivuaa neliön sivuja sen sisäpuolelta, jolloin sen säde formula_8 on puolet sivun pituudesta
formula_9
Sisäympyrän sädettä kutsutaan säännöllisen monikulmion apoteemaksi tai myös pieneksi säteeksi. Koska neliön sisään voidaan piirtää ympyrä, on myös tangentiaalinen monikulmio, ja erityisesti tangentiaalinen nelikulmio.
Ympärysympyrän, joka kiertää neliötä jokaisen kärjen kautta, halkaisija on neliön lävistäjän formula_10 pituinen. Ympärysympyrän säde on puolet siitä eli
formula_11
Ympärysympyrän sädettä kutsutaan myös suureksi säteeksi. Koska neliön ympäri voidaan aina piirtää ympyrä, on se myös syklinen monikulmio. Syklinen nelikulmio, joka on samalla tangentiaalinen nelikulmio, on myös bisentrinen nelikulmio.
Mittoja.
Yleisesti tunnettuja neliön mittoja ovat muun muassa
Konstruktio.
Eräs helppo tapa konstruoida neliö on käyttää kohtisuoruuden ominaisuuksia. Piirretään ensin puolisuora, jonka päättyvään päähän mitataan neliön haluttu sivun pituus. Mitattuun pisteeseen pyöräytetään pienempi ympyrä, jonka leikkauspisteet puolisuoran kanssa merkitään. Hieman suuremmalla säteellä piirretään leikkauspisteistä ympyrän kaaret, jotka leikkaavat toisensa kahdesti. Uusien leikkauspisteiden kautta piirretään ylöspäin puolisuora. Puolisuora katkaistaan sivun pituudeksi. Nyt on kaksi sivua, jotka ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan, ja neliöstä tunnetaan kolme kärkeä.
Otetaan sivun pituus harppiin ja piirretään pienet toisiaan leikkaavat kaaret kummankin sivun kauimmaisista päätepisteistä. Tämä leikkauspiste on neliön viimeisen kulman paikka. Piirretään viivaimella viimeiset kaksi sivua.
Neliön konstruointiin on lukuisia erilaisia tapoja.
Muuta erikoista.
Pythagoraan lause.
Neliöitä apuna käyttäen voidaan todistaa mm. Pythagoraan lause, jonka mukaan suorakulmaisen kolmion kateettien neliöiden summa on yhtä suuri kuin hypotenuusan neliö.
Pinta-alan käsite.
Pinta-alan suure ilmaistaan käyttämällä vertailualaa neliönmuotoisia mittayksiköitä. Pinta-alan johdannaisyksikkö on "neliömetri", jolla tarkoitetaan metrin pituisten sivujen rajaamaa neliötä. Neliö on hyvä alan yksikön muoto, sillä se on helppo muodostaa (jopa likimääräisesti) ja neliöitä voidaan "laatoittaa" tasoalueelle aukottomasti.
Muita pinta-alan yksiköitä on paljon, mutta neliömetristä voidaan muodostaa kerrannaisyksiköitä jakamalla sivut 10-osiin, jolloin alue jakaantuu 100-osiin. Tämän vuoksi alan suhdeluku on sata, ja esim. 1 m² kokoiselle neliölle mahtuu 100 pienempää 1 dm² kokoista neliötä.
Neliöluvut.
Neliöluvut ovat pinta-alan peruja. On ollut hyödyllistä muistaa tiettyjä lukuja, koska ne on muodostettu luonnollisten lukujen neliöinä. Neliöjuuri on siten neliöluvun formula_5 synnyttävä luku formula_16
formula_17 koska formula_18
Alan jako kolmeen.
Jaettaessa neliö kolmeen pinta-alaltaan yhtä suureen osaan kuvassa esitetyllä tavalla sivut jakautuvat kokonaislukusuhteissa.