Перпендикулярный отрезок от стороны треугольника до противолежащей вершины
В геометрии высота треугольника — это отрезок прямой, проходящий через данную вершину (называемую вершиной ) и перпендикулярный линии, содержащей сторону или ребро, противоположное вершине (основание ) . Эта (бесконечная) линия, содержащая (конечное) основание, называется расширенным основанием высоты. Пересечение расширенного основания и высоты называется основанием высоты . Длина высоты, часто называемая просто «высотой», — это расстояние между основанием и вершиной. Процесс проведения высоты от вершины к основанию известен как опускание высоты в этой вершине. Это частный случай ортогональной проекции .
Высоты можно использовать при вычислении площади треугольника : половина произведения длины высоты на длину ее основания равна площади треугольника. Таким образом, самая длинная высота перпендикулярна самой короткой стороне треугольника. Высоты также связаны со сторонами треугольника через тригонометрические функции .
В равнобедренном треугольнике (треугольнике с двумя равными сторонами) высота, имеющая неравную сторону в качестве основания, будет иметь середину этой стороны в качестве своего основания. Также высота, имеющая неравную сторону в качестве основания, будет биссектрисой угла при вершине.
Высоту принято обозначать буквой h (как в слове height ), часто с указанием стороны, к которой относится высота.
В прямоугольном треугольнике высота, проведенная к гипотенузе c, делит гипотенузу на два отрезка длиной p и q . Если обозначить длину высоты через h c , то получим соотношение
Для остроугольных треугольников все основания высот падают на стороны треугольника (не продолженные). В тупоугольном треугольнике (с тупым углом ) основание высоты к тупоугольной вершине падает внутрь противоположной стороны, но основания высот к остроугольным вершинам падают на противоположную продолженную сторону , внешнюю по отношению к треугольнику. Это показано на соседней диаграмме: в этом тупоугольном треугольнике высота, опущенная перпендикулярно из верхней вершины, которая имеет острый угол, пересекает продолженную горизонтальную сторону вне треугольника.
Ортоцентр
Три (возможно, продолженные) высоты пересекаются в одной точке, называемой ортоцентром треугольника, обычно обозначаемой H. [ 1] [2] Ортоцентр лежит внутри треугольника тогда и только тогда, когда треугольник острый. Если один угол прямой, ортоцентр совпадает с вершиной под прямым углом. [2]
Пусть A, B, C обозначают вершины и углы треугольника, а - длины сторон. Ортоцентр имеет трилинейные координаты [3]
Поскольку все барицентрические координаты положительны для точки внутри треугольника, но по крайней мере одна отрицательна для точки снаружи, а две из барицентрических координат равны нулю для точки вершины, барицентрические координаты, заданные для ортоцентра, показывают, что ортоцентр находится внутри остроугольного треугольника , в прямоугольной вершине прямоугольного треугольника и снаружи тупоугольного треугольника .
представлена точкой H , а именно высотой треугольника △ ABC . [4] Из этого можно непосредственно получить следующие характеристики ортоцентра H с помощью свободных векторов :
Первое из предыдущих векторных тождеств также известно как проблема Сильвестра , предложенная Джеймсом Джозефом Сильвестром . [5]
Характеристики
Пусть D, E, F обозначают футы высот от точек A, B, C соответственно. Тогда:
Произведение длин отрезков, на которые ортоцентр делит высоту, одинаково для всех трех высот: [6] [7]
Окружность с центром в точке H и радиусом, равным квадратному корню этой константы, является полярной окружностью треугольника . [8]
Сумма отношений расстояния ортоцентра от основания к длине высоты на трех высотах равна 1: [9] (Это свойство и следующее являются приложениями более общего свойства любой внутренней точки и трех чевиан , проходящих через нее.)
Сумма отношений трех высот расстояния ортоцентра от вершины к длине высоты равна 2: [9]
Четыре точки на плоскости, одна из которых является ортоцентром треугольника, образованного тремя другими, называются ортоцентрической системой или ортоцентрическим четырехугольником.
Кроме того, обозначив r как радиус вписанной окружности треугольника , r a , r b , r c как радиусы его вневписанных окружностей и R снова как радиус описанной окружности, справедливы следующие соотношения относительно расстояний ортоцентра от вершин: [14]
Если любую высоту, например, AD , продолжить до пересечения с описанной окружностью в точке P , так что AD станет хордой описанной окружности, то основание D делит отрезок HP пополам : [7]
Направляющие всех парабол , которые касаются внешней стороной одной стороны треугольника и касаются продолжений других сторон, проходят через ортоцентр. [15]
Ортоцентр H , центроид G , центр описанной окружности O и центр N окружности девяти точек лежат на одной прямой, известной как линия Эйлера . [17] Центр окружности девяти точек лежит в середине прямой Эйлера, между ортоцентром и центром описанной окружности, а расстояние между центроидом и центром описанной окружности составляет половину расстояния между центроидом и ортоцентром: [18]
Ортоцентр находится ближе к инцентру I, чем к центроиду, а ортоцентр находится дальше от центроида, чем инцентр:
Если треугольник △ ABC является косым (не содержит прямого угла), педальный треугольник ортоцентра исходного треугольника называется ортотреугольником или треугольником высот . То есть, основания высот косого треугольника образуют ортотреугольник △ DEF . Кроме того, инцентр (центр вписанной окружности) ортотреугольника △ DEF является ортоцентром исходного треугольника △ ABC . [21]
Расширенные стороны ортотреугольника встречаются с противоположными расширенными сторонами его исходного треугольника в трех коллинеарных точках . [22] [23] [21]
В любом остроугольном треугольнике вписанный треугольник с наименьшим периметром является ортотреугольником. [24] Это решение задачи Фаньяно , поставленной в 1775 году. [25] Стороны ортотреугольника параллельны касательным к описанной окружности в вершинах исходного треугольника. [26]
Ортогональный треугольник остроугольного треугольника дает треугольный путь света. [27]
Касательные линии окружности девяти точек, проходящие через середины сторон треугольника △ ABC , параллельны сторонам ортотреугольника, образуя треугольник, подобный ортотреугольнику. [28]
Ортогональный треугольник тесно связан с тангенциальным треугольником , построенным следующим образом: пусть L A будет линией, касательной к описанной окружности треугольника △ ABC в вершине A , и определите L B , L C аналогично. Пусть Тангенциальный треугольник - это △ A"B"C" , стороны которого являются касательными к описанной окружности треугольника △ ABC в его вершинах; он гомотетичен ортогональному треугольнику. Центр описанной окружности тангенциального треугольника и центр подобия ортогонального и тангенциального треугольников находятся на прямой Эйлера . [20] : стр. 447
Трилинейные координаты вершин касательного треугольника задаются выражением:
Опорный треугольник и его ортотреугольник являются ортологическими треугольниками .
Более подробную информацию об ортотреугольнике см. здесь .
Некоторые дополнительные теоремы о высоте
Высота по сторонам
Для любого треугольника со сторонами a, b, c и полупериметром высота из стороны a (основания) определяется по формуле
Это следует из объединения формулы Герона для площади треугольника через стороны с формулой площади , где основанием является сторона a , а высотой — высота из вершины A (противоположной стороне a ).
Заменив a на b или c , это уравнение можно также использовать для нахождения высот h b и h c соответственно.
Теоремы о вписанном радиусе
Рассмотрим произвольный треугольник со сторонами a, b, c и с соответствующими высотами h a , h b , h c . Высоты и радиус вписанной окружности r связаны соотношением [29] : Лемма 1
Теорема о радиусе окружности
Обозначим высоту одной стороны треугольника как h a , две другие стороны как b и c , а радиус описанной окружности треугольника как R , тогда высота будет определяться как [30]
Внутренняя точка
Если p 1 , p 2 , p 3 — перпендикулярные расстояния от любой точки P до сторон, а h 1 , h 2 , h 3 — высоты до соответствующих сторон, то [31]
Теорема площади
Обозначая высоты любого треугольника, проведенные к сторонам a, b, c, соответственно как h a , h b , h c , а полусумму обратных величин высот обозначив так, имеем [32]
Общая точка на высоте
Если E — любая точка на высоте AD любого треугольника △ ABC , то [33] : 77–78
Неравенство треугольника
Поскольку площадь треугольника равна , из неравенства треугольника следует [34]
В прямоугольном треугольнике с катетами a и b и гипотенузой c каждый из катетов также является высотой: и . Третью высоту можно найти по соотношению [35] [36]
Теорема о том, что три высоты треугольника совпадают (в ортоцентре), прямо не изложена в сохранившихся греческих математических текстах, но используется в « Книге лемм» (предложение 5), приписываемой Архимеду (III в. до н. э.), ссылаясь на «комментарий к трактату о прямоугольных треугольниках», работа, которая не сохранилась. Она также упоминалась Паппусом ( Математическое собрание , VII, 62; ок. 340). [37] Теорема была сформулирована и доказана явно ан-Насави в его (XI в.) комментарии к « Книге лемм» и приписывается аль-Кухи ( ок. X в. ). [38]
Это доказательство на арабском языке было переведено как часть латинских изданий Книги лемм (начало XVII века) , но не было широко известно в Европе, и поэтому теорема была доказана еще несколько раз в XVII–XIX веках. Сэмюэл Маролуа доказал ее в своей «Геометрии» (1619), а Исаак Ньютон доказал ее в незаконченном трактате «Геометрия кривых линий» ( ок. 1680). [37] Позже Уильям Чаппл доказал ее в 1749 году. [39]
Особенно элегантное доказательство принадлежит Франсуа-Жозефу Сервуа (1804) и независимо Карлу Фридриху Гауссу (1810): проведите линию, параллельную каждой стороне треугольника, через противоположную точку и сформируйте новый треугольник из пересечений этих трех линий. Тогда исходный треугольник будет срединным треугольником нового треугольника, а высоты исходного треугольника будут перпендикулярными биссектрисами нового треугольника и, следовательно, сойдутся (в центре описанной окружности нового треугольника). [40]
^ Энциклопедия треугольных центров Кларка Кимберлинга "Энциклопедия треугольных центров". Архивировано из оригинала 2012-04-19 . Получено 2012-04-19 .
^ Андрееску, Титу; Андрика, Дорин, «Комплексные числа от А до... Я». Биркхойзер, Бостон, 2006, ISBN 978-0-8176-4326-3 , стр. 90, Предложение 3.
^ Дёрри, Генрих, «100 великих проблем элементарной математики. Их история и решение». Dover Publications, Inc., Нью-Йорк, 1965, ISBN 0-486-61348-8 , стр. 142
^ Джонсон 2007, стр. 163, раздел 255
^ ab ""Ортоцентр треугольника"". Архивировано из оригинала 2012-07-05 . Получено 2012-05-04 .
^ Джонсон 2007, стр. 176, раздел 278
^ ab Panapoi, Ronnachai, «Некоторые свойства ортоцентра треугольника», Университет Джорджии .
^ Смарт 1998, стр. 182
^ Вайсштейн, Эрик В. «Изотомическое сопряжение» Из MathWorld — веб-ресурса Wolfram. http://mathworld.wolfram.com/IsotomicConjugate.html
^ Вайсштейн, Эрик В. «Ортоцентр». Из MathWorld — веб-ресурса Wolfram.
^ Альтшиллер-Корт 2007, стр. 102
↑ Белл, Эми, «Теорема Хансена о прямоугольном треугольнике, ее обратная теорема и обобщение», Forum Geometricorum 6, 2006, 335–342.
^ Вайсштейн, Эрик В. «Парабола Киперта». Из MathWorld — веб-ресурса Wolfram. http://mathworld.wolfram.com/KiepertParabola.html
^ Weisstein, Eric W. "Jerabek Hyperbola." Из MathWorld--A Wolfram Web Resource. http://mathworld.wolfram.com/JerabekHyperbola.html
^ Береле и Голдман 2001, стр. 123
^ Береле и Голдман 2001, стр. 124-126.
^ Мари-Николь Гра, «Расстояния между центром описанной окружности треугольника касания и классическими центрами», Forum Geometricorum 14 (2014), 51-61. http://forumgeom.fau.edu/FG2014volume14/FG201405index.html
^ Смит, Джефф и Леверша, Джерри, «Эйлер и геометрия треугольника», Mathematical Gazette 91, ноябрь 2007 г., 436–452.
^ ab William H. Barker, Roger Howe (2007). "§ VI.2: Классические совпадения". Непрерывная симметрия: от Евклида до Клейна . Американское математическое общество. стр. 292. ISBN978-0-8218-3900-3.См. также: Следствие 5.5, стр. 318.
^ Джонсон 2007, стр. 199, раздел 315
^ Альтшиллер-Корт 2007, стр. 165
^ Джонсон 2007, стр. 168, Раздел 264
^ Береле и Голдман 2001, стр. 120-122.
^ Джонсон 2007, стр. 172, раздел 270c
↑ Брайант, В. и Брэдли, Х., «Треугольные световые пути», Mathematical Gazette 82, июль 1998 г., 298-299.
^ Кей, Дэвид С. (1993), College Geometry / A Discovery Approach , HarperCollins, стр. 6, ISBN0-06-500006-4
^ Дорин Андрика и Дэн Стефан Маринеску. «Новые интерполяционные неравенства для Эйлера R ≥ 2r». Форум Geometricorum , том 17 (2017), стр. 149–156. http://forumgeom.fau.edu/FG2017volume17/FG201719.pdf
^ Джонсон 2007, стр. 71, Раздел 101a
^ Джонсон 2007, стр. 74, раздел 103c
^ Митчелл, Дуглас В., «Формула типа Герона для обратной площади треугольника», Mathematical Gazette 89, ноябрь 2005 г., 494.
^ Альфред С. Посаментье и Чарльз Т. Салкинд, Сложные задачи по геометрии , Dover Publishing Co., второе исправленное издание, 1996.
^ Митчелл, Дуглас В., «Формула типа Герона для обратной площади треугольника», Mathematical Gazette 89 (ноябрь 2005 г.), 494.
↑ Воулс, Роджер, «Целочисленные решения », Mathematical Gazette 83, июль 1999 г., 269–271.
↑ Ричиник, Дженнифер, «Перевернутая теорема Пифагора», Mathematical Gazette 92, июль 2008 г., 313–317.
^ ab Newton, Isaac (1971). "3.1 Геометрия кривых линий" . В Whiteside, Derek Thomas (ред.). Математические работы Исаака Ньютона . Том 4. Cambridge University Press. С. 454–455.Обратите внимание на сноски Уайтсайда 90–92, стр. 454–456.
^ Хаджа, Моваффак; Мартини, Хорст (2013). «Совпадение высот треугольника» (PDF) . Mathematische Semesterberichte . 60 (2): 249–260. doi :10.1007/s00591-013-0123-z. Хогендейк, Ян П. (2008). «Две прекрасные геометрические теоремы Абу Сахла Кухи в голландском переводе XVII века». Tārīk͟h-e ʾElm: Иранский журнал истории науки . 6 : 1–36.
^ Дэвис, Томас Стивенс (1850). "XXIV. Геометрия и геометры" (PDF) . Philosophical Magazine . 3. 37 (249): 198–212. doi :10.1080/14786445008646583.Сноска на стр. 207–208. Цитируется Богомольным, Александром (2010). «Возможно первое доказательство совпадения высот». Cut The Knot . Получено 17.11.2019 .
^ Сервуа, Франсуа-Жозеф (1804). Solutions peu connues de différens problèmes de Géométrie-pratique [ Малоизвестные решения различных практических задач по геометрии ] (на французском языке). Дьявол, Мец и Курсье. п. 15. Гаусс, Карл Фридрих (1810). «Зусятце». Геометрия дер Стеллунг . Карно, Лазар (на немецком языке). Перевод Шумахера.переиздано в книге Гаусса, Карла Фридриха (1873 г.). «Зусятце». Верке . Том. 4. Геттингенская академия наук. п. 396. См. Mackay, John Sturgeon (1883). «Треугольник и его шесть вписанных окружностей §5. Ортоцентр». Труды Эдинбургского математического общества . 1 : 60–96. doi : 10.1017/S0013091500036762 .