Вписаний чотирикутник

В Евклідовій геометрії вписаний чотирикутникШаблон:Sfn — це чотирикутник, вершини якого лежать на одному колі.
Це коло називається описаним колом, а вершини є конциклічними. Центр описаного навколо чотирикутника кола лежить на перетині його серединних перпендикулярів.
Інші назви цих чотирикутників — це конциклічні чотирикутники та хордальні чотирикутники, оскільки сторони чотирикутника — це хорди описаного кола.
Вписаний чотирикутник може бути опуклим або перехрещеним чотирикутником. Формули та властивості, наведені нижче, стосуються опуклих вписаних чотирикутників.
Особливі випадки

Не кожен чотирикутник можна вписати в коло. Прикладом чотирикутника, який не можна вписати, є не квадратний ромб, або нерівнобічна трапеція.
Будь-який квадрат, прямокутник, рівнобедрену трапецію або антипаралелограм можна вписати в коло.Шаблон:Sfn
Дельтоїд можна вписати, тоді й лише тоді, коли він має два протилежні прямі кути, що лежать між сторонами різної довжини, тобто коли дельтоїд є прямокутним.
Біцентричний чотирикутник — це вписаний чотирикутник, який також є описаним.
Зовні-біцентричний чотирикутник — це вписаний чотирикутник, який є також зовні-описаним.
Зовні-описаний чотирикутник — опуклий чотирикутник, у якого прямі, на яких лежать його сторони, є дотичними до певного кола поза чотирикутником.
Гармонійний чотирикутник — це чотирикутник, який можна вписати в коло та добутки довжин протилежних сторін якого рівні.
Пов'язані визначення

Для кожної сторони вписаного чотирикутника можна провести пряму, яка буде перпендикулярна цій стороні і проходити через середину протилежної сторони.
Відрізки цих прямих між сторонами називають бівисотами[1] (або антимедіатрисами, по аналогії із серединним перпендикуляром (медіатрисою) до сторони трикутника). Опуклий вписаний чотирикутник має чотири бівисоти (KY, LV, MX та NW), які є конкурентними прямими, тобто перетинаються в одній точці Т — антицентрі чотирикутника[2]Шаблон:Rp[3].
Відрізки, що сполучають середини протилежних сторін (KM, LN), називаються бімедіанами чотирикутника.
Бімедіани чотирикутника перетинаються в точці Gv — вершинному центроїді чотирикутника (центр тяжіння рівних мас, зосереджених у вершинах чотирикутника). Шаблон:-
Умови, за яких чотирикутник є вписаним

У цьому розділі наведено необхідні та достатні умови, щоб чотирикутник був вписаним.
- Опуклий чотирикутник можна вписати тоді й лише тоді, коли чотири перпендикуляри до середин сторін є конкурентними, тобто, перетинаються в одній точці. Ця спільна точка є центром описаного кола[4].
- Сума протилежних кутів.
- Опуклий чотирикутник Шаблон:Math можна вписати тоді і лише тоді, коли сума його протилежних кутів дорівнює1800Шаблон:Sfn[4],[5]:
- Ця теорема є положенням 22 в трактаті Евкліда «Начала»[6].
- Опуклий чотирикутник Шаблон:Math можна вписати тоді і лише тоді, коли сума його протилежних кутів дорівнює1800Шаблон:Sfn[4],[5]:

- Це твердження еквівалентне наступному:
- Опуклий чотирикутник можна вписати в коло тоді і тільки тоді, коли кожен його зовнішній кут дорівнює протилежному внутрішньому куту.
- Тобто, якщо дві протилежні сторони чотирикутника є Шаблон:Не перекладено відносно двох інших сторін.
- Наслідок:
- В термінах тангенсів половинних кутів, це твердження можна записати наступним чином:
- Це означає, що чотирикутник вписано тоді і тільки тоді, коли виконується рівність[7]:
- Кути між сторонами та діагоналями.
- Ще одна необхідна і достатня умова, щоб опуклий чотирикутник Шаблон:Math був вписаним — кут між стороною та діагоналлю повинен дорівнювати куту між протилежною стороною та іншою діагоналлюШаблон:Sfn[8]Шаблон:Rp.
- Тобто, наприклад,
- Теорема Птолемея виражає добуток довжин двох діагоналей p і q вписаного чотирикутника, як суму добутків протилежних сторін[9]Шаблон:Rp[5][10]Шаблон:Rp:
- Має місце обернена теорема. Тобто, якщо ця рівність виконується для опуклого чотирикутника, тоді він є вписаним в коло.
- Теорема про перетин хорд.
- Якщо дві прямі, одна, що містить відрізок Шаблон:Math, а інша, що містить відрізок Шаблон:Math, перетинаються в точці Шаблон:Math, то чотири точки Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math є конциклічними (тобто, є вершинами вписаного чотирикутника, без урахування порядку вершин), тоді й лише тоді, коли[11]
- Точка перетину Шаблон:Math може бути як зовні так і всередині кола. У першому випадку описаний чотирикутник — Шаблон:Math, а в другому випадку вписаний чотирикутник — Шаблон:Math. Коли перетин є внутрішнім, рівність зазначає, що добуток відрізка довжини, на який Шаблон:Math ділить одну діагональ, дорівнює іншій діагоналі. Це твердження відомо як теорема про перетин хорд, оскільки діагоналі вписаного чотирикутника є хордами.
- Якщо дві прямі, одна, що містить відрізок Шаблон:Math, а інша, що містить відрізок Шаблон:Math, перетинаються в точці Шаблон:Math, то чотири точки Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math є конциклічними (тобто, є вершинами вписаного чотирикутника, без урахування порядку вершин), тоді й лише тоді, коли[11]

- Нехай PFG є діагональним трикутником в опуклому чотирикутнику Шаблон:Math (точка P — точка перетину діагоналей чотирикутника, G — точка перетину продовжень сторін AB та DC, F — точка перетину продовжень сторін AD та BC). І нехай — коло дев'яти точок трикутника PFG.
- Шаблон:Math можна вписати в коло тоді і лише тоді, коли точка T перетину бімедіан KL та XV чотирикутника Шаблон:Math належить цьому колу дев'яти точок.[5][12][13].

- Точки Паскаля
- Нехай в опуклому чотирикутнику ABCD, E — точка перетину діагоналей, а F — точка перетину продовжень сторін AD та BC. І нехай — коло, діаметром якого є відрізок EF, що формує на сторонах AB та CD точки Паскаля P та Q (див. мал.)
- Чотирикутник ABCD є вписаним тоді і лише тоді, коли точки P та Q колінеарні з центром O кола .
- Чотирикутник ABCD є вписаним тоді і лише тоді, коли точки P та Q є серединами сторін AB та CD.[5]
Площа

Площа Шаблон:Math вписаного чотирикутника зі сторонами Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math обчислюється за формулою Брахмагупти[9]Шаблон:Rp
Формула є наслідком формули Бретшнайдера для довільного чотирикутника, оскільки протилежні кути є суміжними для вписаного чотирикутника.
Якщо Шаблон:Math, то вписаний чотирикутник стає трикутником, а формула зводиться до формули Герона.
Формулу Брамагупти можна записати через довжини сторін чотирикутника наступним чином:
Вписаний чотирикутник має максимальну площу серед усіх чотирикутників, що мають однакову послідовність довжин сторін. Це ще один наслідок формули Бретшнайдера. Також це можна довести за допомогою математичного аналізу[14].
Якщо є чотири неоднакові довжини, кожна менша від суми трьох інших, то вони будуть сторонами для трьох неконгруентних вписаних чотирикутників[15]Шаблон:Rp, які за формулою Брахмагупти мають однакову площу. Зокрема, для сторін Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math і Шаблон:Math сторона Шаблон:Math може бути протилежною будь-якій зі сторін Шаблон:Math, Шаблон:Math або Шаблон:Math.
Площу вписаного чотирикутника з послідовними сторонами Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math та кутом Шаблон:Math між сторонами Шаблон:Math і Шаблон:Math можна виразити як[9]Шаблон:Rp
- ,
де — будь-який кут між діагоналями.
За умови, що Шаблон:Math не є прямим кутом, площа також може бути виражена як[9]Шаблон:Rp
Інша формула така[16]Шаблон:Rp
де Шаблон:Math — радіус описаного кола. Як прямий наслідок цієї формули[17],
де рівність буде, тоді і тільки тоді, коли чотирикутник є квадратом.
Діагоналі

У вписаному чотирикутнику з послідовними вершинами Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math і сторонами Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math і Шаблон:Math, довжини діагоналей Шаблон:Math і Шаблон:Math можна виразити через довжини сторін як[9]Шаблон:Rp[18][19]Шаблон:Rp
- та ,
що доводить теорему Птолемея
Відповідно до другої теореми Птолемея[9]Шаблон:Rp[18]
- ,
в тих же позначеннях, що і вище.
Для суми діагоналей маємо нерівність[20]Шаблон:Rp
Рівність справедлива тоді й лише тоді, коли діагоналі мають однакову довжину, що можна довести за допомогою нерівності середнього арифметичного та геометричного.
У будь-якому опуклому чотирикутнику дві діагоналі розділяють чотирикутник на чотири трикутники; у вписаному чотирикутнику протилежні пари цих чотирьох трикутників подібні між собою.
Якщо Шаблон:Math і Шаблон:Math — середини діагоналей Шаблон:Math і Шаблон:Math, а точки Шаблон:Math і Шаблон:Math — точки перетину прямих, на яких лежать протилежні сторони чотирикутника, то[21] :
Якщо діагоналі Шаблон:Math і Шаблон:Math вписаного чотирикутника Шаблон:Math перетинаються у точці P, то[22]
Множина сторін, які можуть утворювати вписаний чотирикутник, може бути впорядкована у будь-якій з трьох різних послідовностей, кожна з яких може утворювати вписаний чотирикутник тієї самої площі в одному і тому ж колі (їх площа буде однакова за формулою площі Брахмагупти). Будь-які з цих вписаних чотирикутників мають одну спільну довжину діагоналі[19]Шаблон:Rp.
Формули кута
Для вписаного чотирикутника із послідовними сторонами Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math, півпериметром Шаблон:Math та кутом Шаблон:Math між сторонами Шаблон:Math та Шаблон:Math тригонометричні функції від Шаблон:Math задаються формулами[23]
Кут Шаблон:Math між діагоналями можна знайти за формулою:[9]Шаблон:Rp
Якщо продовження протилежних сторін Шаблон:Math і Шаблон:Math перетинаються під кутом Шаблон:Math, то
де Шаблон:Math — півпериметр[9]Шаблон:Rp.
Формула описаного кола Парамешвара
Вписаний чотирикутник з послідовними сторонами Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math і півпериметром Шаблон:Math має описане коло радіуса[18][24]
Цю формулу отримав індійський математик Шаблон:Нп у 15 столітті.
Якщо скористатися формулою Брахмагупти, формулу Парамешвари можна отримати в наступному вигляді:
де S — площа вписаного чотирикутника.
Інші властивості

- Японська теорема про вписаний чотирикутник.
- У вписаному чотирикутнику Шаблон:Math інцентри M1, M2, M3, M4 (див. рисунок праворуч) у трикутниках Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math, та Шаблон:Math є вершинами прямокутника.
- Крім того, якщо точки P, Q, R, S є серединами відповідно дуг AB, BC, CD та AD описаного кола, то відрізки PR та QS є паралельними до сторін цього прямокутника і перетинаються в його центрі.[25]Шаблон:Rp.
- Сума радіусів вписаних кіл трикутників ∆ABC та ∆ACD дорівнює сумі радіусів вписаних кіл трикутників ∆ABD та ∆BCD[10]Шаблон:Rp.

- Також, якщо з'єднати між собою центроїди GA, GB, GC, GD трикутників ∆ABD, ∆ABC , ∆BCD, ∆ACD, їх центри кіл дев'яти точок NA, NB, NC, ND, та їх ортоцентри HA, HB, HC, HD, отримаємо три чотирикутника, що подібні до вихідного чотирикутника ABCD. А чотирикутник HAHBHCHD крім того є ще і конгруентним (рівним) ABCD.[8][25]Шаблон:Rp.
- Нехай у вписаному опуклому чотирикутнику ABCD:
- G — точка перетину прямих GAGC та GBGD,
- Н — точка перетину прямих HAHC та HBHD.
- O — центр описаного кола.
- Тоді, точки H, G і O лежать на одній прямій і HG:GO = 2:1.
- Наслідок теореми про вписаний кут та теореми про зовнішній кут.
- У вписаному чотирикутнику Шаблон:Math з центром описаного кола — Шаблон:Math, через Шаблон:Math позначимо точку, в якій перетинаються діагоналі Шаблон:Math і Шаблон:Math. Тоді кут Шаблон:Math — це середнє арифметичне кутів Шаблон:Math і Шаблон:Math.
- Не існує вписаних чотирикутників площа яких є раціональним числом, а сторони є нерівними раціональними числами або в арифметичній, або в геометричній прогресії[26].
- Якщо вписаний чотирикутник має довжини сторін, які утворюють арифметичну прогресію, чотирикутник також є зовнішньо-описаним.
- Якщо прямі на яких лежать протилежні сторони вписаного чотирикутника перетинаються в точках Шаблон:Math та Шаблон:Math, то внутрішні бісектриси кутів в точках E і F — перпендикулярні[15]Шаблон:Rp.
- Узагальненням до теореми Птолемея є: теорема Пурсера[27], та перша й друга теореми Кейсі.
Чудові точки та лінії чотирикутника
Антицентр та колінеарність
У вписаному в коло чотирикутнику, чотири його бівисоти перетинаються в одній точці Н. Ця точка називається антицентром чотирикутника. Шаблон:Hider

В опуклому чотирикутнику дві його бімедіани перетинаються в точці Gv — вершинному центроїді чотирикутника, центру тяжіння рівних мас, зосереджених у вершинах чотирикутника
- Антицентр має властивість бути відображенням центру описаного кола О відносно «вершинного центроїда». Таким чином, у вписаному чотирикутнику центр описаного кола, «вершинний центроїд» та антицентр є колінеарними[3]Шаблон:Rp, тобто, лежать на одній прямій. Крім того вершинний центроїд чотирикутника знаходиться в середині відрізка HO. Пряма, що містить цей відрізок називається прямою Ейлера.
- Нехай протилежні сторони AB та CD описаного чотирикутника перетинаються в точці Е. Точки S та Q — середини ціх сторін. Тоді, перпендикуляр, проведений з т Е на пряму SQ, проходить через антицентр H чотирикутника.[3]Шаблон:Rp
- Нехай центр О описаного кола чотирикутника симетрично відображено відносно його протилежних сторін в точки O1 та O2. Тоді пряма O1O2 проходить через антицентр H чотирикутника.[3]Шаблон:Rp
- Якщо діагоналі вписаного чотирикутника перетинаються в Шаблон:Math, а середні точки діагоналей позначено як Шаблон:Math і Шаблон:Math, то антицентр Н чотирикутника є ортоцентром трикутника Шаблон:Math[3]Шаблон:Rp, а вершинний центроїд Gv чотирикутника знаходиться в середині відрізка MN (Пряма, що містить цей відрізок називається прямою Гауса)
- Антицентр вписаного чотирикутника є точкою Понселе його вершин.
Центроїд площі G опуклого чотирикутника (в тому числі і вписаного в коло) знаходиться в точці перетину відрізків GAGC та GBGD, що сполучають центроїди трикутників, на які чотирикутник розділяється своїми діагоналями (∆ABD, ∆BCD, ∆ABC, ∆ACD).
У вписаному чотирикутнику «центроїд площі» G, «центроїд вершин» Gv і точка P перетину діагоналей лежать на одній прямій. Для відстаней між цими точками виконується рівність:[28]
Чотирикутники Брахмагупти
Чотирикутник Брахмагупти[29] — це вписаний чотирикутник з цілими довжинами сторонами, цілими довжинами діагоналей та цілою площею. Усі чотирикутники Брахмагупти зі сторонами Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math, діагоналями Шаблон:Math, Шаблон:Math, площею Шаблон:Math і радіусом описаного кола Шаблон:Math можна отримати, якщо позбутися знаменників в наступних виразах, що містять раціональні параметри Шаблон:Math, Шаблон:Math і Шаблон:Math:
Вписаний чотирикутник з перпендикулярними діагоналями (ортодіагональний)
Описане коло і площа
Для вписаного чотирикутника, який також є ортодіагональним (має перпендикулярні діагоналі), припустимо, що перетин діагоналей ділить одну діагональ на відрізки довжини Шаблон:Math та Шаблон:Math, а іншу діагональ ділить на відрізки довжиною Шаблон:Math та Шаблон:Math. Тоді[30]Шаблон:Rp (перша рівність — це твердження 11 у «Книзі лем» Архімеда)
де Шаблон:Math — діаметр описаного кола. Це справедливо, оскільки діагоналі — це перпендикулярні хорди кола. З цих рівнянь випливає, що радіус описаного кола Шаблон:Math може бути виражений як
або, через сторони чотирикутника, як[2]
З цього також випливає[2]
Таким чином, згідно з теоремою Ейлера про чотирикутник, радіус описаного кола може бути виражений через діагоналі Шаблон:Math і Шаблон:Math та відстань Шаблон:Math між серединами діагоналей як
Формула для площі Шаблон:Math вписаного ортодіагонального чотирикутника через довжини сторін отримується безпосередньо при поєднанні теореми Птолемея і формули площі ортодіагонального чотирикутника. Результат[31]Шаблон:Rp:
Інші властивості
- У вписаному ортодіагональному чотирикутнику антицентр збігається з точкою перетину діагоналей[2].
- Теорема Брамагупти стверджує, що для вписаного чотирикутника, який також є ортодіагональним, перпендикуляр до будь-якої сторони, що проходить через точку перетину діагоналей, ділить протилежну сторону навпіл[2][3]Шаблон:Rp
- Якщо вписаний чотирикутник також є ортодіагональним, відстань від центру описаного кола до будь-якої сторони дорівнює половині довжини протилежної сторони[2].
- У вписаному ортодіагональному чотирикутнику відстань між серединами діагоналей дорівнює відстані між центром описаного кола та точкою перетину діагоналей[2].
Вписані сферичні чотирикутники
У сферичній геометрії сферичний чотирикутник, утворений при перетині чотирьох великих кіл, буде вписаним тоді, і лише тоді, коли суми протилежних кутів однакові, тобто α + γ = β + δ для послідовних кутів α, β, γ, δ чотирикутника[32]. В одному напрямку ця теорема була доведена І. А. Лекселем у 1786 році[33]. Лексель показав, що у сферичному чотирикутнику, вписаному в мале коло сфери, суми протилежних кутів рівні, і що в описаному чотирикутнику суми протилежних сторін рівні. Перша з цих теорем — сферичний аналог плоскої теореми, а друга теорема — їй дуальна, тобто, вона є результатом заміни великих кіл та їх полюсів[34]. Кіпер та ін.[35] довели обернену теорему: «Якщо суми протилежних сторін рівні в сферичному чотирикутнику, то для цього чотирикутника існує вписане коло».
Див. також
- Вписаний кут
- Описане коло
- Описаний чотирикутник
- Японська теорема про вписаний в коло чотирикутник
- Теорема Кейсі
- Теорема про метелика
- Степінь точки відносно кола
- Шаблон:Нп
- Шаблон:Нп
Примітки
Література
- Шаблон:Cite book
- Шаблон:Cite book
- D. Fraivert: Pascal-points quadrilaterals inscribed in a cyclic quadrilateral
Посилання
- Derivation of Formula for the Area of Cyclic Quadrilateral Шаблон:Webarchive
- Incenters in Cyclic Quadrilateral Шаблон:Webarchive в cut-the-knot
- Four Concurrent Lines in a Cyclic Quadrilateral Шаблон:Webarchive в cut-the-knot
- Шаблон:MathWorld
- Euler centre and maltitudes of cyclic quadrilateral Шаблон:Webarchive в Dynamic Geometry Sketches Шаблон:Webarchive, інтерактивне геометричне креслення.
- ↑ Шаблон:Mathworld
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 Шаблон:Citation
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 Шаблон:Citation
- ↑ 4,0 4,1 Шаблон:Citation
- ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 Шаблон:Citation
- ↑ Шаблон:Citation
- ↑ Шаблон:Citation
- ↑ 8,0 8,1 Шаблон:Citation
- ↑ 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7 9,8 Шаблон:Citation
- ↑ 10,0 10,1 K. S. Kedlaya, Geometry Unbound, 2006
- ↑ Шаблон:Citation
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Citation
- ↑ 15,0 15,1 Шаблон:Citation
- ↑ Шаблон:Citation
- ↑ Шаблон:Citation
- ↑ 18,0 18,1 18,2 Шаблон:Citation
- ↑ 19,0 19,1 Johnson, Roger A., Advanced Euclidean Geometry, Dover Publ., 2007 (orig. 1929).
- ↑ 20,0 20,1 Inequalities proposed in «Шаблон:Нп», 2007, [1] Шаблон:Webarchive.
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Нп, An Identity in (Cyclic) Quadrilaterals, Interactive Mathematics Miscellany and Puzzles, [2] Шаблон:Webarchive, Accessed 18 March 2014.
- ↑ Шаблон:Citation
- ↑ Шаблон:Citation
- ↑ 25,0 25,1 Шаблон:Citation
- ↑ Шаблон:Citation
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Citation
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Citation
- ↑ Шаблон:Citation.
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Cite book
- ↑ Шаблон:Cite journal