Четырехугольник, все вершины которого могут лежать на одной окружности.
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.
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 = n — k 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
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
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
Во вписанном четырехугольнике ABCD вписанные центры M1 , M2 , M3 , M4 ( см . рисунок справа) в треугольниках DAB , ABC , BCD и CDA являются вершинами прямоугольника . Это одна из теорем, известных как японская теорема . Ортоцентры тех же четырех треугольников являются вершинами четырехугольника, конгруэнтного ABCD , а центроиды этих четырех треугольников являются вершинами другого вписанного четырехугольника. [7]
В вписанном четырехугольнике ABCD с центром описанной окружности O пусть P — точка пересечения диагоналей AC и BD . Тогда угол APB является средним арифметическим углов AOB и COD . Это прямое следствие теоремы о вписанном угле и теоремы о внешнем угле .
Если противоположные стороны вписанного четырехугольника продлены до встречи в точках E и F , то внутренние биссектрисы углов в точках E и F перпендикулярны. [13]
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 » )
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
В вписанном ортодиагональном четырехугольнике антицентр совпадает с точкой пересечения диагоналей. [24]
Теорема Брахмагупты утверждает, что для вписанного четырехугольника, который также является ортодиагональным , перпендикуляр с любой стороны, проходящий через точку пересечения диагоналей, делит противоположную сторону пополам. [24]
Если вписанный четырехугольник также ортодиагонален, расстояние от центра описанной окружности до любой стороны равно половине длины противоположной стороны. [24]
В вписанном ортодиагональном четырехугольнике расстояние между серединами диагоналей равно расстоянию между центром описанной окружности и точкой пересечения диагоналей. [24]
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.
^ 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
^ 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
↑ Джойс, DE (июнь 1997 г.), «Книга 3, Предложение 22», Элементы Евклида , Университет Кларка
^ Де Вильерс, Майкл (1993), «Объединяющее обобщение теоремы Тернбулла», Международный журнал математического образования в области науки и технологий , 24 : 191–196, doi : 10.1080/0020739930240204.
^ Фрайвер, Дэвид (июль 2019 г.). «Новые точки, принадлежащие девятиточечному кругу». Математический вестник . 103 (557): 222–232. дои : 10.1017/mag.2019.53.
^ Фрайвер, Дэвид (2018). «Новые применения метода комплексных чисел в геометрии вписанных четырехугольников» (PDF) . Международный журнал геометрии . 7 (1): 5–16.
^ Питер, Томас (сентябрь 2003 г.), «Максимизация площади четырехугольника», The College Mathematics Journal , 34 (4): 315–6, doi : 10.2307/3595770, JSTOR 3595770
^ аб Коксетер, Гарольд Скотт Макдональд; Грейцер, Сэмюэл Л. (1967), «3.2 Циклические четырехугольники; формула Брахмагупты», « Возвращение к геометрии» , Математическая ассоциация Америки, стр. 57, 60, ISBN978-0-88385-619-2
^ 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.
^ Альсина, Клауди; Нельсен, Роджер (2009), «4.3 Циклические, тангенциальные и бицентрические четырехугольники», Когда меньше значит больше: визуализация основных неравенств, Математическая ассоциация Америки, стр. 64, ISBN978-0-88385-342-9
^ abc Альсина, Клауди; Нельсен, Роджер Б. (2007), «О диагоналях вписанного четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 7 : 147–9
^ Аб Джонсон, Роджер А., Расширенная евклидова геометрия , Dover Publ., 2007 (оригинал 1929).
^ «ABCD — вписанный четырехугольник. Пусть M, N — середины диагоналей AC, BD соответственно…» Искусство решения задач . 2010.[ постоянная мертвая ссылка ]
^ А. Богомольный , Тождество в (циклических) четырехугольниках, Интерактивный математический сборник и головоломки , [2], по состоянию на 18 марта 2014 г.
^ 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
^ 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, ISBN978-0-486-69154-1
^ Йозефссон, Мартин (2016), «Свойства четырехугольников Пифагора», The Mathematical Gazette , 100 (июль): 213–224, doi : 10.1017/mag.2016.57.
^ Виммер, Линхард (2011). «Циклические многоугольники в неевклидовой геометрии». Элементы математики . 66 (2): 74–82. дои : 10.4171/EM/173 .
^ 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.
^ Розенфельд, BA (1988). История неевклидовой геометрии — Спрингер . Исследования по истории математики и физических наук. Том. 12. дои : 10.1007/978-1-4419-8680-1. ISBN978-1-4612-6449-1.
^ 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
Д. Фрайвер: Четырехугольники точек Паскаля, вписанные в вписанный четырехугольник.
Внешние ссылки
Вывод формулы площади циклического четырехугольника.