stringtranslate.com

Вписанный четырехугольник

Примеры вписанных четырехугольников

В евклидовой геометрии вписанный четырехугольник или вписанный четырехугольник — это четырехугольник , все вершины которого лежат на одной окружности . Эта окружность называется описанной окружностью или описанным кругом , а вершины называются конциклическими . Центр окружности и ее радиус называются центром описанной окружности и радиусом описанной окружности соответственно. Другие названия для этих четырехугольников — конциклический четырехугольник и хордальный четырехугольник , последнее из которых связано с тем, что стороны четырехугольника являются хордами описанной окружности. Обычно четырехугольник предполагается выпуклым , но существуют также скрещенные вписанные четырехугольники. Формулы и свойства, приведенные ниже, справедливы и в выпуклом случае.

Слово «циклический» происходит от древнегреческого κύκλος ( куклос ), что означает «круг» или «колесо».

Все треугольники имеют описанную окружность , но не все четырехугольники имеют. Примером четырехугольника, который не может быть вписанным, является неквадратный ромб . В характеристиках раздела ниже указано, каким необходимым и достаточным условиям должен удовлетворять четырехугольник, чтобы иметь описанную окружность.

Особые случаи

Любой квадрат , прямоугольник , равнобедренная трапеция или антипараллелограмм являются вписанными. Воздушный змей является вписанным тогда и только тогда, когда у него есть два прямых угла – прямой змей . Вписанно-описанным четырёхугольником является вписанный четырёхугольник, который также является касательным , а вписанно-описанным четырёхугольником является вписанный четырёхугольник, который также является вписанным . Гармонический четырёхугольник – это вписанный четырёхугольник, в котором произведения длин противоположных сторон равны.

Характеристика

Вписанный четырехугольник ABCD

Окружнойцентр

Выпуклый четырехугольник является вписанным тогда и только тогда, когда четыре перпендикуляра к сторонам пересекаются . Эта общая точка является центром описанной окружности . [1]

Дополнительные углы

Доказательство без слов с использованием теоремы о вписанном угле , что противолежащие углы вписанного четырехугольника являются дополнительными:
2𝜃 + 2𝜙 = 360° ∴ 𝜃 + 𝜙 = 180°

Выпуклый четырехугольник ABCD является вписанным тогда и только тогда, когда его противолежащие углы являются дополнительными , то есть [1] [2]

Прямая теорема была утверждением 22 в третьей книге « Начал » Евклида . [ 3] Эквивалентно, выпуклый четырехугольник является вписанным тогда и только тогда, когда каждый внешний угол равен противолежащему внутреннему углу .

В 1836 году Дункан Грегори обобщил этот результат следующим образом: для любого выпуклого вписанного 2 n -угольника две суммы внутренних чередующихся углов равны ( n -1) . [4] Этот результат можно обобщить следующим образом: если A1A2...A2n (n > 1) — любой вписанный 2 n -угольник, в котором вершина Ai->Ai+k (вершина Ai соединена с Ai+k ), то две суммы внутренних чередующихся углов равны m (где m = nk, а k = 1, 2, 3, ... — полный поворот). [5]

Взяв стереографическую проекцию (тангенс половинного угла) каждого угла, это можно переформулировать,

Что подразумевает, что [6]

Углы между сторонами и диагоналями

Выпуклый четырехугольник ABCD является вписанным тогда и только тогда, когда угол между стороной и диагональю равен углу между противолежащей стороной и другой диагональю. [7] То есть, например,

Паскаль баллы

ABCD — вписанный четырёхугольник. E — точка пересечения диагоналей, а F — точка пересечения продолжений сторон BC и AD . — окружность, диаметр которой — отрезок EF . P и Q — точки Паскаля, образованные окружностью . Треугольники FAB и FCD подобны.

Другие необходимые и достаточные условия для того, чтобы выпуклый четырехугольник ABCD был вписанным, таковы: пусть E — точка пересечения диагоналей, пусть F — точка пересечения продолжений сторон AD и BC , пусть — окружность, диаметр которой — отрезок EF , и пусть P и Q — точки Паскаля на сторонах AB и CD, образованных окружностью . (1) ABCD является вписанным четырехугольником тогда и только тогда, когда точки P и Q лежат на одной прямой с центром O окружности . (2) ABCD является вписанным четырехугольником тогда и только тогда, когда точки P и Q являются серединами сторон AB и CD . [2]

Пересечение диагоналей

Если две прямые, одна из которых содержит отрезок AC , а другая содержит отрезок BD , пересекаются в точке E , то четыре точки A , B , C , D лежат на одной окружности тогда и только тогда, когда [8]

Пересечение E может быть внутренним или внешним по отношению к окружности. В первом случае вписанный четырехугольник — это ABCD , а во втором случае вписанный четырехугольник — это ABDC . Когда пересечение внутреннее, равенство гласит, что произведение длин отрезков, на которые E делит одну диагональ, равно произведению длин другой диагонали. Это известно как теорема о пересекающихся хордах , поскольку диагонали вписанного четырехугольника являются хордами описанной окружности.

Теорема Птолемея

Теорема Птолемея выражает произведение длин двух диагоналей e и f вписанного четырехугольника как равное сумме произведений противоположных сторон: [9] : стр.25  [2]

где a , b , c , d — длины сторон в порядке возрастания. Обратное также верно. То есть, если это уравнение выполняется в выпуклом четырехугольнике, то образуется вписанный четырехугольник.

Диагональный треугольник

ABCD — вписанный четырёхугольник. EFG — диагональный треугольник ABCD . Точка T пересечения бимедиан ABCD принадлежит девятиточечной окружности EFG .

В выпуклом четырехугольнике ABCD пусть EFG — диагональный треугольник ABCD , а — окружность девяти точек EFG . ABCD является вписанным тогда и только тогда, когда точка пересечения бимедиан ABCD принадлежит окружности девяти точек . [10] [11] [2]

Область

Площадь K вписанного четырехугольника со сторонами a , b , c , d определяется формулой Брахмагупты [9] : стр.24 

где s , полупериметр , равен s = 1/2 ( a + b + c + d ) . Это следствие формулы Бретшнайдера дляобщего четырехугольника, поскольку противолежащие углы являются дополнительными в случае вписанного четырехугольника. Если также d = 0 , вписанный четырехугольник становится треугольником и формула сводится к формуле Герона .

Вписанный четырехугольник имеет максимальную площадь среди всех четырехугольников с одинаковыми длинами сторон (независимо от последовательности). Это еще одно следствие формулы Бретшнайдера. Это также можно доказать с помощью исчисления . [12]

Четыре неравные длины, каждая из которых меньше суммы трех других, являются сторонами каждого из трех неконгруэнтных вписанных четырехугольников, [13] которые по формуле Брахмагупты все имеют одинаковую площадь. В частности, для сторон a , b , c , и d , сторона a может быть противоположна любой из сторон b , стороны c , или стороны d .

Площадь вписанного четырехугольника с последовательными сторонами a , b , c , d , углом A между сторонами a и d и углом B между сторонами a и b можно выразить как [9] : стр.25 

или

или [9] : стр.26 

где θ — это любой из углов между диагоналями. При условии, что A — не прямой угол, площадь также может быть выражена как [9] : стр.26 

Другая формула [14] : стр.83 

где R — радиус описанной окружности . Как прямое следствие, [15]

где равенство имеет место тогда и только тогда, когда четырехугольник является квадратом.

Диагонали

Во вписанном четырехугольнике с последовательными вершинами A , B , C , D и сторонами a = AB , b = BC , c = CD и d = DA длины диагоналей p = AC и q = BD можно выразить через стороны следующим образом: [9] : стр. 25,   [16] [17] : стр. 84 

и

так показывая теорему Птолемея

Согласно второй теореме Птолемея , [9] : стр.25,   [16]

используя те же обозначения, что и выше.

Для суммы диагоналей имеем неравенство [18] : стр.123, №2975 

Равенство имеет место тогда и только тогда, когда диагонали имеют одинаковую длину, что можно доказать с помощью неравенства AM-GM .

Более того, [18] : стр.64, №1639 

В любом выпуклом четырехугольнике две диагонали вместе разбивают четырехугольник на четыре треугольника; во вписанном четырехугольнике противолежащие пары этих четырех треугольников подобны друг другу.

Если ABCD — вписанный четырехугольник, в котором AC пересекает BD в точке E , то [19]

Набор сторон, которые могут образовывать циклический четырехугольник, может быть расположен в любой из трех различных последовательностей, каждая из которых может образовывать циклический четырехугольник той же площади в той же описанной окружности (площади одинаковы согласно формуле площади Брахмагупты). Любые два из этих циклических четырехугольников имеют одну общую длину диагонали. [17] : стр. 84 

Формулы угла

Для вписанного четырехугольника с последовательными сторонами a , b , c , d , полупериметром s и углом A между сторонами a и d тригонометрические функции A задаются формулой [20]

Угол θ между диагоналями, противолежащими сторонам a и c , удовлетворяет [9] : стр.26 

Если продолжения противоположных сторон a и c пересекаются под углом φ , то

где sполупериметр . [9] : стр.31 

Пусть обозначим угол между сторонами и , угол между и , а также угол между и , тогда: [21]

Формула радиуса описанной окружности Парамешвары

Вписанный четырехугольник с последовательными сторонами a , b , c , d и полупериметром s имеет радиус описанной окружности ( радиус описанной окружности ), заданный формулой [16] [22]

Это было выведено индийским математиком Ватассери Парамешварой в 15 веке. (Обратите внимание, что радиус инвариантен при перестановке длин любых сторон.)

Используя формулу Брахмагупты , формулу Парамешвары можно переформулировать следующим образом:

где K — площадь вписанного четырехугольника.

Антицентр и коллинеарности

Четыре отрезка, каждый из которых перпендикулярен одной стороне вписанного четырехугольника и проходит через середину противоположной стороны , являются конкурирующими . [23] : стр. 131,   [24] Эти отрезки называются малтидами , [25] что является сокращением от высоты срединной точки. Их общая точка называется антицентром . Она обладает свойством быть отражением центра описанной окружности относительно «вершинного центроида» . Таким образом, во вписанном четырехугольнике центр описанной окружности, «вершинный центроид» и антицентр являются коллинеарными . [24]

Если диагонали вписанного четырехугольника пересекаются в точке P , а середины диагоналей — M и N , то антицентр четырехугольника является ортоцентром треугольника MNP .

Антицентр вписанного четырехугольника — это точка Понселе его вершин.

Другие свойства

японская теорема

Четырехугольники Брахмагупты

Четырехугольник Брахмагупты [27] — это вписанный четырехугольник с целыми сторонами, целыми диагоналями и целой площадью. Все четырехугольники Брахмагупты со сторонами a , b , c , d , диагоналями e , f , площадью K и радиусом описанной окружности R можно получить, очистив знаменатели из следующих выражений, содержащих рациональные параметры t , u и v :

Ортодиагональный случай

Радиус описанной окружности и площадь

Для вписанного четырехугольника, который также является ортодиагональным (имеет перпендикулярные диагонали), предположим, что пересечение диагоналей делит одну диагональ на отрезки длиной p 1 и p 2 и делит другую диагональ на отрезки длиной q 1 и q 2. Тогда [28] (первое равенство — это предложение 11 в Книге лемм Архимеда )

где Dдиаметр описанной окружности . Это справедливо, поскольку диагонали являются перпендикулярными хордами окружности . Эти уравнения подразумевают, что радиус описанной окружности R можно выразить как

или, в терминах сторон четырехугольника, как [23]

Из этого также следует, что [23]

Таким образом, согласно теореме Эйлера о четырехугольнике , радиус описанной окружности можно выразить через диагонали p и q , а расстояние x между серединами диагоналей — как

Формула для площади K вписанного ортодиагонального четырехугольника через четыре стороны получается непосредственно при объединении теоремы Птолемея и формулы для площади ортодиагонального четырехугольника . Результат [29] : стр.222 

Другие свойства

Вписанные сферические четырехугольники

В сферической геометрии сферический четырехугольник, образованный четырьмя пересекающимися большими окружностями, является вписанным тогда и только тогда, когда суммы противолежащих углов равны, т. е. α + γ = β + δ для последовательных углов α, β, γ, δ четырехугольника. [30] Одно направление этой теоремы было доказано Андерсом Йоханом Лекселлем в 1782 году . [31] Лекселл показал, что в сферическом четырехугольнике, вписанном в малый круг сферы, суммы противолежащих углов равны, а в описанном четырехугольнике суммы противолежащих сторон равны. Первая из этих теорем является сферическим аналогом теоремы о плоскости, а вторая теорема является ее двойственной, то есть результатом перестановки больших окружностей и их полюсов. [32] Кипер и др. [33] доказали обратную теорему: если в сферическом четырехугольнике суммы противоположных сторон равны, то для этого четырехугольника существует вписанная окружность.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Usiskin, Zalman; Griffin, Jennifer; Witonsky, David; Willmore, Edwin (2008), "10. Вписанные четырехугольники", Классификация четырехугольников: исследование определения , Исследования в области математического образования, IAP, стр. 63–65, ISBN 978-1-59311-695-8
  2. ^ abcd Фрайверт, Дэвид; Сиглер, Ави; Ступель, Моше (2020), «Необходимые и достаточные свойства вписанного четырехугольника», Международный журнал математического образования в науке и технике , 51 (6): 913–938, doi : 10.1080/0020739X.2019.1683772, S2CID  209930435
  3. ^ Джойс, Д.Э. (июнь 1997 г.), «Книга 3, Предложение 22», « Начала Евклида » , Университет Кларка
  4. Грегори, Дункан (1836), «Геометрическая теорема», Cambridge Mathematical Journal , 1 : 92.
  5. ^ Де Вильерс, Майкл (1993), «Объединяющее обобщение теоремы Тернбулла», Международный журнал математического образования в науке и технике , 24 : 191–196, doi : 10.1080/0020739930240204.
  6. ^ Хаджа, Моваффак (2008), «Условие того, что описанный четырехугольник является вписанным» (PDF) , Forum Geometricorum , 8 : 103–6
  7. ^ ab Андрееску, Титу; Энеску, Богдан (2004), «2.3 Циклические квадроциклы», Сокровища математической олимпиады, Springer, стр. 44–46, 50, ISBN 978-0-8176-4305-8, МР  2025063
  8. ^ Брэдли, Кристофер Дж. (2007), Алгебра геометрии: декартовы, ареальные и проективные координаты , Highperception, стр. 179, ISBN 978-1906338008, OCLC  213434422
  9. ^ abcdefghi Дарелл, CV; Робсон, А. (2003) [1930], Расширенная тригонометрия, Courier Dover, ISBN 978-0-486-43229-8
  10. ^ Фрайверт, Дэвид (июль 2019 г.). «Новые точки, принадлежащие девятиточечной окружности». The Mathematical Gazette . 103 (557): 222–232. doi :10.1017/mag.2019.53.
  11. ^ Фрайверт, Дэвид (2018). «Новые приложения метода комплексных чисел в геометрии вписанных четырехугольников» (PDF) . Международный журнал геометрии . 7 (1): 5–16.
  12. Питер, Томас (сентябрь 2003 г.), «Максимизация площади четырехугольника», The College Mathematics Journal , 34 (4): 315–6, doi :10.2307/3595770, JSTOR  3595770
  13. ^ ab Coxeter, Harold Scott MacDonald; Greitzer, Samuel L. (1967), "3.2 Циклические четырехугольники; формула Брахмагупты", Geometry Revisited , Mathematical Association of America, стр. 57, 60, ISBN 978-0-88385-619-2
  14. ^ Прасолов, Виктор, Задачи по плоской и стереометрии: т. 1 Plane Geometry (PDF) , архивировано из оригинала (PDF) 21 сентября 2018 г. , извлечено 6 ноября 2011 г.
  15. ^ Альсина, Клауди; Нельсен, Роджер (2009), «4.3 Циклические, тангенциальные и бицентрические четырехугольники», Когда меньше значит больше: Визуализация основных неравенств, Математическая ассоциация Америки, стр. 64, ISBN 978-0-88385-342-9
  16. ^ abc Alsina, Claudi; Nelsen, Roger B. (2007), «О диагоналях вписанного четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 7 : 147–9
  17. ^ Джонсон, Роджер А., Advanced Euclidean Geometry , Dover Publ., 2007 (ориг. 1929).
  18. ^ ab Неравенства, предложенные в « Crux Mathematicorum » , 2007, [1].
  19. ^ А. Богомольный , Тождество в (циклических) четырехугольниках, Interactive Mathematics Miscellany and Puzzles , [2], Доступ 18 марта 2014 г.
  20. ^ Сиддонс, AW; Хьюз, RT (1929), Тригонометрия , Cambridge University Press, стр. 202, OCLC  429528983
  21. ^ Хосе Гарсия, Эммануэль Антонио (2022), «Обобщение формулы Мольвейде (скорее Ньютона)» (PDF) , Matinf , 5 (9–10): 19–22 , получено 29 декабря 2023 г.
  22. Хоэн, Ларри (март 2000 г.), «Описанная окружность вписанного четырехугольника», Mathematical Gazette , 84 (499): 69–70, doi : 10.2307/3621477, JSTOR  3621477
  23. ^ abcdefg Альтшиллер-Корт, Натан (2007) [1952], Геометрия колледжа: Введение в современную геометрию треугольника и окружности (2-е изд.), Courier Dover, стр. 131, 137–8, ISBN 978-0-486-45805-2, OCLC  78063045
  24. ^ ab Honsberger, Ross (1995), "4.2 Вписанные четырехугольники", Эпизоды в евклидовой геометрии девятнадцатого и двадцатого века , Новая математическая библиотека, т. 37, Cambridge University Press, стр. 35–39, ISBN 978-0-88385-639-0
  25. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Мальтити». Математический мир .
  26. ^ Бухгольц, Р. Х.; Макдугалл, Дж. А. (1999), «Четырехугольники Герона со сторонами в арифметической или геометрической прогрессии», Бюллетень Австралийского математического общества , 59 (2): 263–9, doi : 10.1017/S0004972700032883 , hdl : 1959.13/803798 , MR  1680787
  27. ^ Шастри, КРС (2002). «Четырехугольники Брахмагупты» (PDF) . Forum Geometricorum . 2 : 167–173.
  28. ^ Посаментье, Альфред С.; Салкинд, Чарльз Т. (1970), «Решения: 4-23 Докажите, что сумма квадратов мер отрезков, образованных двумя перпендикулярными хордами, равна квадрату меры диаметра данной окружности». Сложные задачи по геометрии (2-е изд.), Courier Dover, стр. 104–5, ISBN 978-0-486-69154-1
  29. ^ Йозефссон, Мартин (2016), «Свойства пифагорейских четырехугольников», The Mathematical Gazette , 100 (июль): 213–224, doi :10.1017/mag.2016.57.
  30. ^ Виммер, Линхард (2011). «Циклические многоугольники в неевклидовой геометрии». Элементы математики . 66 (2): 74–82. дои : 10.4171/EM/173 .
  31. ^ Лекселл, Андерс Йохан (1786). «De proprietatibus circulorum in superficie sphaerica descriptorum». Acta Academiae Scientiarum Imperialis Petropolitanae . 6 : 1782 (1): 58–103, табл. с рисунками. 3.
  32. ^ Rosenfeld, BA (1988). История неевклидовой геометрии - Springer . Исследования по истории математики и физических наук. Том 12. doi :10.1007/978-1-4419-8680-1. ISBN 978-1-4612-6449-1.
  33. ^ Кипер, Гёкхан; Сёйлемез, Эрес (1 мая 2012 г.). «Гомотетические связи, подобные джиттербагу». Теория механизмов и машин . 51 : 145–158. doi :10.1016/j.mechmachtheory.2011.11.014.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки