Теорема о равных вписанных окружностях - Equal incircles theorem

Если синие круги равны, зеленые кружки также равны.

В геометрия, то теорема о равных вписанных окружностях происходит от японского Сангаку, и относится к следующей конструкции: серия лучей проводится от данной точки к данной прямой, так что вписанные окружности треугольников, образованных смежными лучами, и базовой линией равны. На иллюстрации одинаковые синие круги определяют расстояние между лучами, как описано.

Теорема утверждает, что вписанные окружности треугольников, образованных (начиная с любого данного луча) каждым другим лучом, каждым третьим лучом и т. Д., И базовой линией также равны. Случай всех остальных лучей проиллюстрирован выше зелеными кружками, которые все равны.

Из того факта, что теорема не зависит от угла исходного луча, можно видеть, что теорема принадлежит анализу, а не геометрии, и должна относиться к функции непрерывного масштабирования, которая определяет расстояние между лучами. Фактически эта функция и есть гиперболический синус.

Теорема является прямым следствием следующей леммы.

Предположим, что плуч делает угол ${displaystyle gamma _{n}}$ с нормалью к базовой линии. Если ${displaystyle gamma _{n}}$ параметризуется согласно уравнению, ${displaystyle an gamma _{n}=sinh heta _{n}}$, то значения ${displaystyle heta _{n}=a+nb}$, куда ${displaystyle a}$ и ${displaystyle b}$ являются действительными константами, определяют последовательность лучей, удовлетворяющих условию равенства вписанных окружностей, и, кроме того, любая последовательность лучей, удовлетворяющая условию, может быть получена путем подходящего выбора констант ${displaystyle a}$ и ${displaystyle b}$.

Доказательство леммы

На схеме линии PS и PT - это смежные лучи, образующие углы ${displaystyle gamma _{n}}$ и ${displaystyle gamma _{n+1}}$ с линией PR, перпендикулярной базовой линии, RST.

Линия QXOY параллельна базовой линии и проходит через точку O, центр вписанной окружности. ${displaystyle riangle }$ PST, который касается лучей в точках W и Z. Кроме того, прямая PQ имеет длину ${displaystyle h-r}$, а линия QR имеет длину ${displaystyle r}$, радиус вписанной окружности.

потом ${displaystyle riangle }$ OWX похож на ${displaystyle riangle }$ PQX и ${displaystyle riangle }$ OZY похож на ${displaystyle riangle }$ PQY, а из XY = XO + OY получаем

${displaystyle (h-r)( an gamma _{n+1}- an gamma _{n})=r(sec gamma _{n}+sec gamma _{n+1}).}$

Это отношение на множестве углов, ${displaystyle {gamma _{m}}}$, выражает условие равенства вписанных окружностей.

Для доказательства леммы положим ${displaystyle an gamma _{n}=sinh(a+nb)}$, который дает ${displaystyle sec gamma _{n}=cosh(a+nb)}$.

С помощью ${displaystyle a+(n+1)b=(a+nb)+b}$, применим правила сложения для ${displaystyle sinh }$ и ${displaystyle cosh }$, и убедитесь, что соотношение равенства вписанных окружностей выполняется, положив

${displaystyle {frac {r}{h-r}}= anh {frac {b}{2}}.}$

Это дает выражение для параметра ${displaystyle b}$ с точки зрения геометрических мер, ${displaystyle h}$ и ${displaystyle r}$. С этим определением ${displaystyle b}$ тогда получим выражение для радиусов: ${displaystyle r_{N}}$из вписанных окружностей, образованных взятием каждого Nлуч как стороны треугольников

${displaystyle {frac {r_{N}}{h-r_{N}}}= anh {frac {Nb}{2}}.}$

Смотрите также

• Гиперболическая функция
• Японская теорема для циклических многоугольников
• Японская теорема для циклических четырехугольников
• Касательные линии к окружностям

Рекомендации

• Теорема о равных окружностях в завязать узел
• Дж. Табов. Замечание о теореме о пяти кругах. Математический журнал 63 (1989), 2, 92–94.