stringtranslate.com

Циклический 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 описанной окружностью , а вершины называются солежащими . Центр окружности и ее радиус называются центром описанной окружности и радиусом описанной окружности соответственно. Другие названия этих четырехугольников — вписанный четырехугольник и хордальный четырехугольник , последнее, поскольку стороны четырехугольника являются хордами описанной окружности. Обычно четырехугольник считают выпуклым , но встречаются и скрещенные вписанные четырехугольники. Приведенные ниже формулы и свойства справедливы и в выпуклом случае.

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

Во всех треугольниках есть описанная окружность , но не во всех четырехугольниках. Примером четырехугольника, который не может быть вписанным, является неквадратный ромб . В приведенных ниже характеристиках раздела указано, каким необходимым и достаточным условиям должен удовлетворять четырехугольник, чтобы иметь описанную окружность.

Особые случаи

Любой квадрат , прямоугольник , равнобедренная трапеция или антипараллелограмм являются циклическими. Воздушный змей является циклическим тогда и только тогда, когда у него есть два прямых угла – прямой воздушный змей . Бицентрический четырехугольник — это вписанный четырехугольник, который также является касательным , а экс-бицентрический четырехугольник — это вписанный четырехугольник, который также является экс-касательным . Гармонический четырехугольник — это вписанный четырехугольник, у которого произведения длин противоположных сторон равны.

Характеристики

Вписанный четырехугольник ABCD

Окружной центр

Выпуклый четырехугольник является вписанным тогда и только тогда, когда четыре серединных перпендикуляра к его сторонам совпадают . Эта общая точка — центр описанной окружности . [1]

Дополнительные углы

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

Прямая теорема — это предложение 22 третьей книги « Начал » Евклида . [3] Эквивалентно, выпуклый четырехугольник является циклическим тогда и только тогда, когда каждый внешний угол равен противоположному внутреннему углу .

В 1836 году Дункан Грегори обобщил этот результат следующим образом: для любого выпуклого циклического 2 n -угольника каждая из двух сумм альтернативных внутренних углов равна ( n -1) . [4] Этот результат можно обобщить следующим образом: если A1A2...A2n (n > 1) — любой циклический 2n -угольник , в котором вершина Ai->Ai+k (вершина Ai соединена с Ai+k ), тогда каждая из двух сумм чередующихся внутренних углов равна m (где m = nk и k = 1, 2, 3, ... — общий поворот). [5]

Взяв стереографическую проекцию (тангенс половинного угла) каждого угла, это можно выразить еще раз:

Это означает, 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 противоположной стороной и другой диагональю. [7] Вот, например,

Паскаль-очки

ABCD — вписанный четырехугольник. E — точка пересечения диагоналей, а F — точка пересечения продолжений сторон BC и AD . — круг, диаметр которого равен сегменту EF . P и Q — точки Паскаля, образованные кругом . Треугольники FAB и FCD подобны.

Другими необходимыми и достаточными условиями цикличности выпуклого четырехугольника ABCD являются: пусть E — точка пересечения диагоналей, пусть F — точка пересечения продолжений сторон AD и BC , пусть — окружность, диаметр которой равен сегмент, EF , и пусть P и Q — точки Паскаля на сторонах AB и CD , образованных кругом . (1) ABCD — вписанный четырехугольник тогда и только тогда, когда точки P и Q лежат на одной прямой с центром O окружности . (2) ABCD — вписанный четырехугольник 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 — 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 кругу. В первом случае вписанный четырехугольник — ABCD , а во втором — вписанный четырехугольник — ABDC . Когда пересечение является внутренним, равенство утверждает, 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 по порядку. Обратное также верно . То есть, если это уравнение выполняется в выпуклом четырехугольнике, то образуется вписанный четырехугольник.

Диагональный треугольник

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

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

Область

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

где s , полупериметр , равен s =1/2( а + б + в + d ) . Это следствие формулы Бретшнайдера для общего четырехугольника, поскольку противоположные углы в циклическом случае являются дополнительными. Если также d = 0 , вписанный четырёхугольник становится треугольником и формула сводится к формуле Герона .

Вписанный четырехугольник имеет максимальную площадь среди всех четырехугольников, имеющих одинаковые длины сторон (независимо от последовательности). Это еще одно следствие формулы Бретшнейдера. Это также можно доказать с помощью математического анализа . [12]

Четыре неравные длины, каждая из которых меньше суммы трех других, являются сторонами каждого из трех неконгруэнтных вписанных четырехугольников, [13] которые по формуле Брахмагупты имеют одинаковую площадь. В частности, для сторон a , b , c и d сторона a может находиться напротив любой стороны 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 — любой угол между диагоналями. Если угол A не является прямым, площадь также можно выразить как [9] : стр.26. 

Другая формула [14] : стр.83. 

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

где равенство существует тогда и только тогда, когда четырехугольник является квадратом.

Диагонали

В 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 термины сторон как [9] : стр.25,   [16] [17] : стр. 84 

и

так что показываем теорему Птолемея

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

используя те же обозначения, что и выше.

Для суммы диагоналей имеем неравенство [18] : с.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] : с.64, #1639 

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

Если M и N — середины диагоналей AC и BD , то [19]

где E и F — точки пересечения продолжений противоположных сторон.

Если ABCD — вписанный четырехугольник, в котором AC пересекает BD в точке E , то [20]

Набор сторон, которые могут образовывать вписанный четырехугольник, может быть расположен в любой из трех различных последовательностей, каждая из которых может образовывать вписанный четырехугольник одинаковой площади в одной и той же описанной окружности (площади одинаковы в соответствии с формулой площади Брахмагупты). Любые два из этих вписанных четырехугольников имеют одну общую длину диагонали. [17] : с. 84 

Формулы углов

Для вписанного четырехугольника с последовательными сторонами a , b , c , d , полупериметром s и углом A между сторонами a и d тригонометрические функции A определяются формулами [21]

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

Если продолжения противоположных сторон а и с пересекаются под углом ф , то

где sполупериметр . [9] : стр.31 

Обозначим угол между сторонами и , угол между и , угол между и , тогда: [22]

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] [23]

Его вывел индийский математик Ватасери Парамешвара в 15 веке. (Обратите внимание, что радиус инвариантен при перестановке любых длин сторон.)

Используя формулу Брахмагупты , формулу Парамешвары можно переформулировать как

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 параллельными . [24] : стр.131,   [25] Эти отрезки линий называются высотами , [26] что является аббревиатурой высоты средней точки. Их общая точка называется антицентром . Он имеет свойство быть отражением центра описанной окружности в «центроиде вершины» . Таким образом, в вписанном четырехугольнике центр описанной окружности, «центроид вершины» и антицентр лежат на одной прямой . [25]

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 объекты недвижимости

Японская теорема

Четырехугольники Брахмагупты

Четырехугольник Брахмагупты [ 28] — 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 могут быть получены путем очистки знаменателей от следующих выражений, включающих рациональные параметры t , u и v :

Ортодиагональный случай

Окружной радиус и площадь

Для вписанного четырехугольника, который также является ортодиагональным (имеет перпендикулярные диагонали), предположим, что пересечение диагоналей делит одну диагональ на отрезки длин p 1 и p 2 и делит другую диагональ на отрезки длин q 1 и q 2 . Тогда [29] (первое равенство — предложение 11 в « Книге лемм Архимеда » )

где Dдиаметр описанной окружности . Это справедливо, поскольку диагонали являются перпендикулярными хордами окружности . Из этих уравнений следует, что радиус описанной окружности R можно выразить как

или, в терминах сторон четырехугольника, как [24]

Отсюда также следует, что [24]

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

Формула площади К вписанного ортодиагонального четырехугольника через четыре стороны получается непосредственно при объединении теоремы Птолемея и формулы площади ортодиагонального четырехугольника . Результат: [30] : стр.222. 

Другие объекты недвижимости

Циклические сферические четырехугольники

В сферической геометрии сферический четырехугольник, образованный из четырех пересекающихся больших кругов, является циклическим тогда и только тогда, когда суммы противоположных углов равны, т. е. α + γ = β + δ для последовательных углов α, β, γ, δ четырехугольника. . [31] Одно направление этой теоремы было доказано Андерсом Йоханом Лекселлом в 1782 году. [32] Лекселл показал, что в сферическом четырехугольнике, вписанном в малый круг сферы, суммы противоположных углов равны, и что в описанном четырехугольнике суммы противоположных сторон равны. Первая из этих теорем представляет собой сферический аналог теоремы о плоскости, а вторая теорема — двойственная к ней, то есть результат перестановки больших кругов и их полюсов. [33] Кипер и др. В [34] доказано обращение теоремы: если в сферическом четырехугольнике суммы противоположных сторон равны, то существует вписывающая окружность в этот четырехугольник.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Усискин, Залман; Гриффин, Дженнифер; Витонски, Дэвид; Уиллмор, Эдвин (2008), «10. Циклические четырехугольники», Классификация четырехугольников: исследование определения , Исследования в области математического образования, IAP, стр. 63–65, ISBN 978-1-59311-695-8
  2. ^ abcd Фрайвер, Дэвид; Сиглер, Ави; Ступель, Моше (2020), «Необходимые и достаточные свойства вписанного четырехугольника», Международный журнал математического образования в области науки и технологий , 51 (6): 913–938, doi : 10.1080/0020739X.2019.1683772, S2CID  209930435
  3. Джойс, DE (июнь 1997 г.), «Книга 3, Предложение 22», Элементы 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 области науки и технологий , 24 : 191–196, doi : 10.1080/0020739930240204.
  6. ^ Хаджа, Моваффак (2008), «Условие цикличности описанного четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 8 : 103–6
  7. ^ аб Андрееску, Титу; Энеску, Богдан (2004), «2.3 Циклические четверные», Сокровища математической олимпиады, Springer, стр. 44–46, 50, ISBN 978-0-8176-4305-8, МР  2025063
  8. ^ Брэдли, Кристофер Дж. (2007), Алгебра геометрии: декартовы, площадные и проективные координаты , Highperception, с. 179, ISBN 978-1906338008, OCLC  213434422
  9. ^ abcdefghi Дарелл, резюме; Робсон, А. (2003) [1930], Расширенная тригонометрия, Courier Dover, ISBN 978-0-486-43229-8
  10. ^ Фрайвер, Дэвид (июль 2019 г.). «Новые точки, принадлежащие девятиточечному кругу». Математический вестник . 103 (557): 222–232. дои : 10.1017/mag.2019.53.
  11. ^ Фрайвер, Дэвид (2018). «Новые применения 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. ^ аб Коксетер, Гарольд Скотт Макдональд; Грейцер, Сэмюэл Л. (1967), «3.2 Циклические четырехугольники; формула Брахмагупты», « Возвращение к геометрии» , Математическая ассоциация Америки, стр. 57, 60, ISBN 978-0-88385-619-2
  14. ^ Прасолов, Виктор, Проблемы с плоской и объемной геометрией: v.1 Plane Geometry (PDF) , заархивировано из оригинала (PDF) 21 сентября 2018 г. , получено 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 Альсина, Клауди; Нельсен, Роджер Б. (2007), «О диагоналях вписанного четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 7 : 147–9
  17. ^ Аб Джонсон, Роджер А., Расширенная евклидова геометрия , Dover Publ., 2007 (оригинал 1929).
  18. ^ ab Неравенства, предложенные в « Crux Mathematicorum » , 2007, [1].
  19. ^ «ABCD — вписанный четырехугольник. Пусть M, N — середины диагоналей AC, BD соответственно…» Искусство решения задач . 2010.[ постоянная мертвая ссылка ]
  20. ^ А. Богомольный , Тождество в (циклических) четырехугольниках, Интерактивный математический сборник и головоломки , [2], по состоянию на 18 марта 2014 г.
  21. ^ Сиддонс, AW; Хьюз, RT (1929), Тригонометрия , издательство Кембриджского университета, стр. 202, ОСЛК  429528983
  22. Хосе Гарсиа, Эммануэль Антонио (2022), «Обобщение формулы Моллвейде (скорее Ньютона)» (PDF) , Matinf , 5 (9–10): 19–22 , получено 29 декабря 2023 г.
  23. ^ Хен, Ларри (март 2000 г.), «Описанный радиус вписанного четырехугольника», Mathematical Gazette , 84 (499): 69–70, doi : 10.2307/3621477, JSTOR  3621477
  24. ^ abcdefg Альтшиллер-Корт, Натан (2007) [1952], Геометрия колледжа: введение в современную геометрию треугольника и круга (2-е изд.), Courier Dover, стр. 131, 137–8, ISBN 978-0-486-45805-2, OCLC  78063045
  25. ^ ab Хонсбергер, Росс (1995), «4.2 Циклические четырехугольники», Эпизоды евклидовой геометрии девятнадцатого и двадцатого веков , Новая математическая библиотека, том. 37, Издательство Кембриджского университета, стр. 35–39, ISBN. 978-0-88385-639-0
  26. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Мальтити». Математический мир .
  27. ^ Бухгольц, Р.Х.; МакДугалл, Дж. А. (1999), «Четырехугольники Цапли 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
  28. ^ Састри, КРС (2002). «Четырехугольники Брахмагупты» (PDF) . Форум Геометрикорум . 2 : 167–173.
  29. ^ Посаментье, Альфред С.; Салкинд, Чарльз Т. (1970), «Решения: 4–23. Докажите, что сумма квадратов размеров отрезков, образованных двумя перпендикулярными хордами, равна квадрату меры диаметра данного круга». , Сложные проблемы геометрии (2-е изд.), Courier Dover, стр. 104–5, ISBN 978-0-486-69154-1
  30. ^ Йозефссон, Мартин (2016), «Свойства четырехугольников Пифагора», The Mathematical Gazette , 100 (июль): 213–224, doi : 10.1017/mag.2016.57.
  31. ^ Виммер, Линхард (2011). «Циклические многоугольники в неевклидовой геометрии». Элементы математики . 66 (2): 74–82. дои : 10.4171/EM/173 .
  32. ^ 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.
  33. ^ Розенфельд, BA (1988). История неевклидовой геометрии — Спрингер . Исследования по истории математики и физических наук. Том. 12. дои : 10.1007/978-1-4419-8680-1. ISBN 978-1-4612-6449-1.
  34. ^ Кипер, Гекхан; Сойлемез, Эрес (1 мая 2012 г.). «Гомотетичные связи, подобные джиттербагу». Теория механизма и машин . 51 : 145–158. doi : 10.1016/j.mechmachtheory.2011.11.014.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки