Вписаний чотирикутник

Матеріал з testwiki
Перейти до навігації Перейти до пошуку
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

Приклади вписаних чотирикутників.

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

Вписаний чотирикутник. Бівисоти та бімедіани.

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

Вписаний чотирикутник Шаблон:Math

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]:
    α+γ=β+δ=π (=180).
    Ця теорема є положенням 22 в трактаті Евкліда «Начала»[6].
Прямі m1 та m2 антипаралельні відносно прямих l1 та l2
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:
α2+γ2=β2+δ2=90,tg(α2+γ2)=tg(β2+δ2)=tg90,tg(α2)+tg(γ2)1tg(α2)tg(γ2)=tg(β2)+tg(δ2)1tg(β2)tg(δ2)=
Це означає, що чотирикутник вписано тоді і тільки тоді, коли виконується рівність[7]: tg(α2)tg(γ2)=tg(β2)tg(δ2)=1.
  • 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, ABD=ACD.
  • 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]
    APPC=BPPD.
    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.
Шаблон:Math — вписаний чотирикутник.PFG — діагональний трикутник Шаблон:Math. Точка T перетину бімедіан Шаблон:Math належить колу дев'яти точок трикутника PFG.
  • 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 ω — 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].
Чотирикутник вписаний в коло, якщо точки О, Р, Q лежать на одній прямій
  • Точки Паскаля
    Нехай в опуклому чотирикутнику ABCD, E — точка перетину діагоналей, а F — точка перетину продовжень сторін AD та BC. І нехай  ω — коло, діаметром якого є відрізок EF, що формує на сторонах AB та CD точки Паскаля P та Q (див. мал.)
    1. Чотирикутник ABCD є вписаним тоді і лише тоді, коли точки P та Q колінеарні з центром O кола ω .
    2. Чотирикутник ABCD є вписаним тоді і лише тоді, коли точки P та Q є серединами сторін AB та CD.[5]

Площа

Вписаний чотирикутник

Площа Шаблон:Math вписаного чотирикутника зі сторонами Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math, Шаблон:Math обчислюється за формулою Брахмагупти[9]Шаблон:Rp

S=(sa)(sb)(sc)(sd)

де півпериметр Шаблон:Math.

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:

S=(a2+b2+c2+d2)2+8abcd2(a4+b4+c4+d4)4

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

S=12(ab+cd)sinB

або[9]Шаблон:Rp

S=12(ac+bd)sinφ,

де φ — будь-який кут між діагоналями.

За умови, що Шаблон:Math не є прямим кутом, площа також може бути виражена як[9]Шаблон:Rp

S=14(a2b2c2+d2)tgA.

Інша формула така[16]Шаблон:Rp

S=2R2sinAsinBsinφ,

де Шаблон:Math — радіус описаного кола. Як прямий наслідок цієї формули[17],

S2R2

де рівність буде, тоді і тільки тоді, коли чотирикутник є квадратом.

Діагоналі

Вписаний чотирикутник

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

p=(ac+bd)(ad+bc)ab+cd та q=(ac+bd)(ab+cd)ad+bc,

що доводить теорему Птолемея

pq=ac+bd.

Відповідно до другої теореми Птолемея[9]Шаблон:Rp[18]

pq=ad+bcab+cd,

в тих же позначеннях, що і вище.

Для суми діагоналей маємо нерівність[20]Шаблон:Rp

p+q2ac+bd.

Рівність справедлива тоді й лише тоді, коли діагоналі мають однакову довжину, що можна довести за допомогою нерівності середнього арифметичного та геометричного.

Більше того[20]Шаблон:Rp,

(p+q)2(a+c)2+(b+d)2.

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] :

MNEF=12|ACBDBDAC|,

Якщо діагоналі Шаблон:Math і Шаблон:Math вписаного чотирикутника Шаблон:Math перетинаються у точці P, то[22]

APPC=ABCBADCD.

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]

cosA=a2+d2b2c22(ad+bc),
sinA=2(sa)(sb)(sc)(sd)(ad+bc),
tgA2=(sa)(sd)(sb)(sc).

Кут Шаблон:Math між діагоналями можна знайти за формулою:[9]Шаблон:Rp

tgφ2=(sb)(sd)(sa)(sc).

Якщо продовження протилежних сторін Шаблон:Math і Шаблон:Math перетинаються під кутом Шаблон:Math, то

cosθ2=(sb)(sd)(b+d)2(ab+cd)(ad+bc),

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]

R=14(ab+cd)(ac+bd)(ad+bc)(sa)(sb)(sc)(sd).

Цю формулу отримав індійський математик Шаблон:Нп у 15 столітті.

Якщо скористатися формулою Брахмагупти, формулу Парамешвари можна отримати в наступному вигляді:

4SR=(ab+cd)(ac+bd)(ad+bc),

де S — площа вписаного чотирикутника.

Інші властивості

Японська теорема
  • 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.
Узагальнення японської теореми про вписаний чотирикутник
  • 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.
  • 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

Антицентр вписаного чотирикутника

В опуклому чотирикутнику дві його бімедіани перетинаються в точці Gv — вершинному центроїді чотирикутника, центру тяжіння рівних мас, зосереджених у вершинах чотирикутника

  1. 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.
  2. 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
  3. 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
  4. 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)
  5. 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]

PG=43PGv

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:

a=[t(u+v)+(1uv)][u+vt(1uv)]
b=(1+u2)(vt)(1+tv)
c=t(1+u2)(1+v2)
d=(1+v2)(ut)(1+tu)
e=u(1+t2)(1+v2)
f=v(1+t2)(1+u2)
K=uv[2t(1uv)(u+v)(1t2)][2(u+v)t+(1uv)(1t2)]
4R=(1+u2)(1+v2)(1+t2).

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)

D2=p12+p22+q12+q22=a2+c2=b2+d2

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

R=12p12+p22+q12+q22

або, через сторони чотирикутника, як[2]

R=12a2+c2=12b2+d2.

З цього також випливає[2]

a2+b2+c2+d2=8R2.

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

R=p2+q2+4x28

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:

S=12(ac+bd).

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

Шаблон:Commonscat

Примітки

Шаблон:Reflist

Література

Посилання