Циклический четырехугольник - Cyclic quadrilateral

Примеры вписанных четырехугольников.

В Евклидова геометрия, а циклический четырехугольник или вписанный четырехугольник это четырехугольник чей вершины все лежат на одном круг. Этот круг называется описанный круг или описанный круг, а вершины называются конциклический. Центр круга и его радиус называются центр окружности и по окружности соответственно. Другие названия этих четырехугольников: конциклический четырехугольник и хордовый четырехугольник, последнее, поскольку стороны четырехугольника равны аккорды описанной окружности. Обычно предполагается, что четырехугольник выпуклый, но есть и скрещенные вписанные четырехугольники. Приведенные ниже формулы и свойства справедливы в выпуклом случае.

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

Все треугольники есть описанный круг, но не все четырехугольники. Пример четырехугольника, который не может быть вписанным, - это неквадратный ромб. Секция характеристики ниже указано, что необходимые и достаточные условия четырехугольник должен удовлетворять, чтобы иметь описанную окружность.

Особые случаи

Любой квадрат, прямоугольник, равнобедренная трапеция, или же антипараллелограмм циклический. А воздушный змей цикличен если и только если у него два прямых угла. А двухцентровый четырехугольник вписанный четырехугольник, который также тангенциальный и экс-бицентрический четырехугольник вписанный четырехугольник, который также эксантангенциальный. А гармонический четырехугольник представляет собой вписанный четырехугольник, в котором произведение длин противоположных сторон равны.

Характеристики

Круговой четырехугольник ABCD

Окружной центр

Выпуклый четырехугольник - вписанный если и только если четыре перпендикуляр биссектрисы в стороны одновременный. Эта общая точка - центр окружности.[1]

Дополнительные углы

Выпуклый четырехугольник ABCD является циклическим тогда и только тогда, когда его противоположные углы равны дополнительный, то есть[1][2]

Прямая теорема была предложением 22 в книге 3 Евклид с Элементы.[3] Эквивалентно выпуклый четырехугольник является вписанным тогда и только тогда, когда каждый внешний угол равно противоположному внутренний угол.

В 1836 году Дункан Грегори обобщил этот результат следующим образом: для любого выпуклого циклического числа 2п-угольник, затем две суммы чередовать внутренние углы каждый равен (п-1).[4]

Взяв стереографическую проекцию (тангенс половины угла) каждого угла, это можно переформулировать:

Из чего следует, что[5]

Углы между сторонами и диагоналями

Выпуклый четырехугольник ABCD цикличен тогда и только тогда, когда угол между стороной и диагональ равен углу между противоположной стороной и другой диагональю.[6] Это, например,

Точки Паскаля

ABCD - вписанный четырехугольник. E - точка пересечения диагоналей и F - точка пересечения продолжений сторон до н.э и ОБЪЯВЛЕНИЕ. круг, диаметр которого - отрезок, EF. п и Q точки Паскаля, образованные кругом .

Еще одно необходимое и достаточное условие выпуклого четырехугольника ABCD быть циклическими: пусть E - точка пересечения диагоналей, пусть F - точка пересечения продолжений сторон ОБЪЯВЛЕНИЕ и до н.э, позволять круг, диаметр которого является отрезком, EF, и разреши п и Q быть точками Паскаля на сторонах AB и компакт диск образованный кругом .
(1) ABCD вписанный четырехугольник тогда и только тогда, когда точки п и Q коллинеарны центру О, круга .
(2) ABCD вписанный четырехугольник тогда и только тогда, когда точки п и Q середины сторон AB и компакт диск.[2]

Пересечение диагоналей

Если две строки, одна содержит сегмент AC а другой содержащий сегмент BD, пересекаются в п, то четыре точки А, B, C, D совпадают тогда и только тогда, когда[7]

Перекресток п может быть внутренним или внешним по отношению к кругу. В первом случае вписанный четырехугольник равен ABCD, а в последнем случае вписанный четырехугольник равен ABDC. Когда пересечение является внутренним, равенство утверждает, что произведение длин отрезков, на которые п делит одну диагональ равняется другой диагонали. Это известно как теорема о пересечении хорд так как диагонали вписанного четырехугольника являются хордами описанной окружности.

Теорема Птолемея

Теорема Птолемея выражает произведение длин двух диагоналей е и ж кругового четырехугольника равным сумме произведений противоположных сторон:[8]:стр.25[2]

В разговаривать тоже верно. То есть, если этому уравнению удовлетворяет выпуклый четырехугольник, то образуется вписанный четырехугольник.

Диагональный треугольник

ABCD - вписанный четырехугольник. EFG диагональный треугольник ABCD. Смысл Т пересечения бимедианов ABCD принадлежит девятиточечному кругу EFG.

В выпуклом четырехугольнике ABCD, позволять EFG быть диагональным треугольником ABCD и разреши быть девятиточечным кругом EFG.ABCD циклично тогда и только тогда, когда точка пересечения бимедианов ABCD принадлежит девятиконечной окружности .[9][10][2]

Площадь

В площадь K вписанного четырехугольника со сторонами а, б, c, d дан кем-то Формула Брахмагупты[8]:стр.24

где s, то полупериметр, является s = 1/2(а + б + c + d). Это следствие из Формула Бретшнайдера для общего четырехугольника, так как противоположные углы являются дополнительными в циклическом случае. Если также d = 0, вписанный четырехугольник становится треугольником, а формула сводится к Формула Герона.

У кругового четырехугольника есть максимальный площадь среди всех четырехугольников с одинаковой длиной сторон (независимо от последовательности). Это еще одно следствие формулы Бретшнайдера. Это также можно доказать, используя исчисление.[11]

Четыре неравных длины, каждая из которых меньше суммы трех других, являются сторонами каждого из трех несовпадающих вписанных четырехугольников,[12] которые по формуле Брахмагупты имеют одинаковую площадь. Конкретно для сторон а, б, c, и d, сторона а может быть напротив любой стороны б, сторона c, или сторона d.

Площадь вписанного четырехугольника с последовательными сторонами а, б, c, d и угол B между сторонами а и б можно выразить как[8]:стр.25

или[8]:стр.26

где θ это любой угол между диагоналями. При условии А не является прямым углом, площадь также можно выразить как[8]:стр.26

Другая формула[13]:стр.83

где р это радиус описанный круг. Как прямое следствие,[14]

где есть равенство тогда и только тогда, когда четырехугольник - квадрат.

Диагонали

В вписанном четырехугольнике с последовательными вершинами А, B, C, D и стороны а = AB, б = до н.э, c = компакт диск, и d = DA, длины диагоналей п = AC и q = BD можно выразить через стороны как[8]:стр.25,[15][16]:п. 84

и

так показывая Теорема Птолемея

Согласно с Вторая теорема Птолемея,[8]:стр.25,[15]

используя те же обозначения, что и выше.

Для суммы диагоналей имеем неравенство[17]:стр.123, # 2975

Равенство если и только если диагонали имеют одинаковую длину, что можно доказать с помощью AM-GM неравенство.

Более того,[17]:стр.64, №1639

В любом выпуклом четырехугольнике две диагонали вместе делят четырехугольник на четыре треугольника; в круговом четырехугольнике противоположные пары этих четырех треугольников равны аналогичный друг другу.

Если M и N середины диагоналей AC и BD, тогда[18]

где E и F являются точками пересечения продолжений противоположных сторон.

Если ABCD вписанный четырехугольник, где AC встречает BD в E, тогда[19]

Набор сторон, которые могут образовывать циклический четырехугольник, может быть расположен в любой из трех различных последовательностей, каждая из которых может образовывать циклический четырехугольник той же площади в одной описанной окружности (площади совпадают в соответствии с формулой площади Брахмагупты). Любые два из этих циклических четырехугольников имеют общую длину диагонали.[16]:п. 84

Формулы углов

Для кругового четырехугольника с последовательными сторонами а, б, c, d, полупериметр s, и угол А между сторонами а и d, то тригонометрические функции из А даны[20]

Угол θ между диагоналями удовлетворяет[8]:стр.26

Если расширения противоположных сторон а и c пересекаться под углом φ, тогда

где s это полупериметр.[8]:стр.31

Формула окружности парамешвары

Круговой четырехугольник с последовательными сторонами а, б, c, d и полупериметр s имеет окружной радиус ( радиус из описанный круг ) предоставлено[15][21]

Это было выведено индийским математиком Ватассери. Парамешвара в 15 веке.

С помощью Формула Брахмагупты, Формулу Парамешвары можно переформулировать как

где K - площадь вписанного четырехугольника.

Антицентр и коллинеарности

Четыре отрезка, каждый перпендикуляр к одной стороне вписанного четырехугольника и проходя через противоположную сторону середина, находятся одновременный.[22]:стр.131;[23] Эти отрезки называются солодовые привычки,[24] что является аббревиатурой от средней точки высоты. Их общая точка называется антицентр. Он имеет свойство отражать центр окружности в "центроид вершины". Таким образом, в циклическом четырехугольнике центр описанной окружности, "центр тяжести вершины" и антицентр равны коллинеарен.[23]

Если диагонали вписанного четырехугольника пересекаются в точках п, а средние точки диагоналей M и N, то антицентром четырехугольника является ортоцентр из треугольник MNP.

Другие свойства

Японская теорема

Четырехугольники Брахмагупты

А Брахмагупта четырехугольник[26] представляет собой вписанный четырехугольник с целыми сторонами, целыми диагоналями и целой площадью. Все четырехугольники Брахмагупты со сторонами а, б, c, d, диагонали е, ж, площадь K, и радиус окружности р можно получить расчетные знаменатели из следующих выражений, включающих рациональные параметры т, ты, и v:

Ортодиагональный корпус

Циркумрадиус и площадь

Для вписанного четырехугольника, который также является ортодиагональный (имеет перпендикулярные диагонали), предположим, что пересечение диагоналей делит одну диагональ на отрезки длиной п1 и п2 и делит вторую диагональ на отрезки длины q1 и q2. потом[27] (первое равенство - это предложение 11 в Архимед ' Книга лемм )

где D это диаметр из описанный круг. Это верно, потому что диагонали перпендикулярны аккорды круга. Из этих уравнений следует, что по окружности р можно выразить как

или, исходя из сторон четырехугольника, как[22]

Отсюда также следует, что[22]

Таким образом, согласно Четырехугольная теорема Эйлера, окружной радиус можно выразить через диагонали п и q, а расстояние Икс между серединами диагоналей как

Формула для площадь K вписанного ортодиагонального четырехугольника по четырем сторонам получается непосредственно при объединении Теорема Птолемея и формула для площадь ортодиагонального четырехугольника. Результат[28]:стр.222

Другие свойства

  • В круговом ортодиагональном четырехугольнике антицентр совпадает с точкой пересечения диагоналей.[22]
  • Теорема Брахмагупты утверждает, что для вписанного четырехугольника, который также ортодиагональный, перпендикуляр с любой стороны через точку пересечения диагоналей делит пополам противоположную сторону.[22]
  • Если вписанный четырехугольник также ортодиагонален, расстояние от центр окружности в любую сторону равна половине длины противоположной стороны.[22]
  • В круговом ортодиагональном четырехугольнике расстояние между серединами диагоналей равно расстоянию между центром описанной окружности и точкой пересечения диагоналей.[22]

Циклические сферические четырехугольники

В сферическая геометрия, сферический четырехугольник, образованный четырьмя пересекающимися большими окружностями, 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.[29] Одно направление этой теоремы было доказано И. А. Лекселлом в 1786 г. Лекселл.[30] показал, что в сферическом четырехугольнике, вписанном в маленький круг сферы, суммы противоположных углов равны, а в описанном четырехугольнике - суммы противоположных сторон. Первая из этих теорем является сферическим аналогом теоремы о плоскости, а вторая теорема двойственная к ней, то есть результат перестановки больших кругов и их полюсов.[31] Кипер и др.[32] доказал обратное теореме: если суммы противоположных сторон равны в сферическом четырехугольнике, то существует вписывающая окружность для этого четырехугольника.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Усискин, Залман; Гриффин, Дженнифер; Витонский, Давид; Уиллмор, Эдвин (2008), «10. Циклические четырехугольники», Классификация четырехугольников: изучение определения, Исследования в области математического образования, ИПФ, стр. 63–65, ISBN  978-1-59311-695-8
  2. ^ а б c d Fraivert, Дэвид; Сиглер, Ави; Ступель, Моше (2020), "Необходимые и достаточные свойства вписанного четырехугольника", Международный журнал математического образования в науке и технологиях, 51 (6): 913–938, Дои:10.1080 / 0020739X.2019.1683772, S2CID  209930435
  3. ^ Джойс, Д. Э. (июнь 1997 г.), «Книга 3, Предложение 22», Элементы Евклида, Университет Кларка
  4. ^ Грегори, Дункан (1836 г.), «Геометрическая теорема», Кембриджский математический журнал, 1: 92.
  5. ^ Хаджа, Mowaffaq (2008), «Условие того, что описываемый четырехугольник является вписанным» (PDF), Форум Geometricorum, 8: 103–6
  6. ^ а б Андрееску, Титу; Энеску, Богдан (2004), «2.3 Циклические квадроциклы», Сокровища математической олимпиады, Springer, стр.44–46, 50, ISBN  978-0-8176-4305-8, Г-Н  2025063
  7. ^ Брэдли, Кристофер Дж. (2007), Алгебра геометрии: декартовы, площадные и проективные координаты, Высокое восприятие, стр. 179, ISBN  978-1906338008, OCLC  213434422
  8. ^ а б c d е ж грамм час я Durell, C.V .; Робсон, А. (2003) [1930], Продвинутая тригонометрия, Курьер Дувр, ISBN  978-0-486-43229-8
  9. ^ Фрайверт, Дэвид (июль 2019 г.). «Новые точки, принадлежащие девятиточной окружности». Математический вестник. 103 (557): 222–232. Дои:10.1017 / mag.2019.53.
  10. ^ Fraivert, Дэвид (2018). «Новые приложения метода комплексных чисел в геометрии циклических четырехугольников» (PDF). Международный журнал геометрии. 7 (1): 5–16.
  11. ^ Питер, Томас (сентябрь 2003 г.), «Увеличение площади четырехугольника», Математический журнал колледжа, 34 (4): 315–6, Дои:10.2307/3595770, JSTOR  3595770
  12. ^ а б Кокстер, 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
  13. ^ Прасолов Виктор, Задачи плоской и твердотельной геометрии: v.1 Плоская геометрия (PDF), заархивировано из оригинал (PDF) 21 сентября 2018 г., получено 6 ноября, 2011
  14. ^ 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
  15. ^ а б c Альсина, Клауди; Нельсен, Роджер Б. (2007), «По диагоналям вписанного четырехугольника» (PDF), Форум Geometricorum, 7: 147–9
  16. ^ а б Джонсон, Роджер А., Продвинутая евклидова геометрия, Dover Publ., 2007 (ориг. 1929 г.).
  17. ^ а б Неравенства, предложенные в "Crux Mathematicorum ", 2007, [1].
  18. ^ "ABCD - вписанный четырехугольник. Позволять M, N быть серединами диагоналей AC, BD соответственно..." Искусство решения проблем. 2010.
  19. ^ А. Богомольный, Тождество в (циклических) четырехугольниках, Интерактивная математика и головоломки,[2], По состоянию на 18 марта 2014 г.
  20. ^ Siddons, A.W .; Хьюз, Р. Т. (1929), Тригонометрия, Cambridge University Press, стр. 202, OCLC  429528983
  21. ^ Хоэн, Ларри (март 2000), "Окружной радиус вписанного четырехугольника", Математический вестник, 84 (499): 69–70, Дои:10.2307/3621477, JSTOR  3621477
  22. ^ а б c d е ж грамм 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
  23. ^ а б Хонсбергер, Росс (1995), «4.2 Циклические четырехугольники», Эпизоды евклидовой геометрии девятнадцатого и двадцатого веков, Новая математическая библиотека, 37, Cambridge University Press, стр. 35–39, ISBN  978-0-88385-639-0
  24. ^ Вайсштейн, Эрик В. "Мальтитуд". MathWorld.
  25. ^ Buchholz, R. H .; Макдугалл, Дж. А. (1999), "Четырехугольники Герона со сторонами в арифметической или геометрической прогрессии", Бюллетень Австралийского математического общества, 59 (2): 263–9, Дои:10.1017 / S0004972700032883, Г-Н  1680787
  26. ^ Састри, К. (2002). "Четырехугольники Брахмагупты" (PDF). Форум Geometricorum. 2: 167–173.
  27. ^ Posamentier, Alfred S .; Залкинд, Чарльз Т. (1970), «Решения: 4-23. Докажите, что сумма квадратов мер отрезков, образованных двумя перпендикулярными хордами, равна квадрату меры диаметра данного круга»., Сложные задачи геометрии (2-е изд.), Courier Dover, стр.104–5, ISBN  978-0-486-69154-1
  28. ^ Йозефссон, Мартин (2016), «Свойства пифагоровых четырехугольников», Математический вестник, 100 (Июль): 213–224, Дои:10.1017 / mag.2016.57.
  29. ^ Виммер, Линхард (2011). «Циклические многоугольники в неевклидовой геометрии». Elemente der Mathematik. 66 (2): 74–82. Дои:10.4171 / EM / 173.
  30. ^ Лекселл, А. Дж. (1786). "De proprietatibus circorum в superficie sphaerica descriptorum". Acta Acad. Sci. Петрополь. 6 (1): 58–103.
  31. ^ Розенфельд, Б.А. (1988). История неевклидовой геометрии - Спрингер. Исследования по истории математики и физических наук. 12. Дои:10.1007/978-1-4419-8680-1. ISBN  978-1-4612-6449-1.
  32. ^ Кипер, Гекхан; Сойлемез, Эрес (1 мая 2012 г.). «Гомотетические связи, подобные джиттербагу». Механизм и теория машин. 51: 145–158. Дои:10.1016 / j.mechmachtheory.2011.11.014.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка