Vepsaný-opsaný čtyřúhelník

Opsaný čtyřúhelník je konvexní čtyřúhelník , který má kružnici vepsanou i kružnici opsanou . Z definice vyplývá, že opsané čtyřúhelníky mají všechny vlastnosti jak opsaných čtyřúhelníků , tak vepsaných čtyřúhelníků . Jiné názvy pro tyto čtyřúhelníky jsou čtyřúhelník tětiva-tečný [1] a bicentrický čtyřúhelník . Říká se jim také dvoukruhové čtyřúhelníky [2] .

Jsou-li dvě kružnice, jedna uvnitř druhé, kružnicí vepsanou a kružnicí opsanou nějakého čtyřúhelníku, pak jakýkoli bod na kružnici opsané je vrcholem nějakého (možná odlišného) vepsaného čtyřúhelníku, který má stejné kružnice vepsané i kružnice opsané [3] . Je to důsledek Ponceletova porismu , který dokázal francouzský matematik Jean-Victor Poncelet (1788–1867).

Zvláštní příležitosti

Příklady opsaných čtyřúhelníků jsou čtverce , pravoúhlé deltoidy a rovnoramenné opsané lichoběžníky .

Popis

Konvexní čtyřúhelník ABCD se stranami a , b , c , d je bicentrický právě tehdy, když protilehlé strany splňují Pitotovu větu pro opsané čtyřúhelníky a vlastnost vepsaných čtyřúhelníků, že protilehlé úhly sčítají až 180 stupňů, tzn.

Tři další popisy se týkají bodů, kde se kružnice vepsané v opsaném čtyřúhelníku dotýká stran. Pokud je kružnice tečnou ke stranám AB , BC , CD a DA v bodech W , X , Y a Z , pak je opsaný čtyřúhelník ABCD také opsán tehdy a jen tehdy, když je splněna kterákoli z následujících tří podmínek [4] :

První z těchto tří podmínek znamená, že kontaktní čtyřúhelník WXYZ je ortodiagonální čtyřúhelník .

Jestliže E , F , G , H jsou středy WX , XY , YZ , ZW , pak je opsaný čtyřúhelník ABCD také opsán právě tehdy, když čtyřúhelník EFGH je obdélník [4] .

Podle jiného popisu, je-li I středem vepsané kružnice vepsaného čtyřúhelníku , jehož protilehlá boční prodloužení se protínají v J a K , pak je čtyřúhelník opsán právě tehdy, když JIK je pravý úhel [4] .

Další nutnou a postačující podmínkou je, že opsaný čtyřúhelník ABCD je opsán právě tehdy, když je jeho Gaussova přímka kolmá na Gaussovu přímku jeho kontaktního čtyřúhelníku WXYZ . (Gaussova čára čtyřúhelníku je určena středy jeho úhlopříček.) [4]

Budova

Existuje jednoduchá metoda pro konstrukci bicentrického čtyřúhelníku:

Konstrukce začíná kružnicí vepsanou C r se středem I a poloměrem r , poté nakreslete dvě na sebe kolmé tětivy WY a XZ ve vepsané kružnici C r . Na koncích tětiv nakreslíme tečny a , b , c a d k vepsané kružnici. Protínají se v bodech A, B, C a D , což jsou vrcholy vepsaného čtyřúhelníku [5] . Pro nakreslení opsané kružnice nakreslete dvě střední kolmice p 1 a p 2 ke stranám opsaného čtyřúhelníku a a b . Protínají se ve středu O kružnice opsané C R ve vzdálenosti x od středu I kružnice opsané C r .

Platnost této konstrukce vyplývá ze skutečnosti, že v opsaném čtyřúhelníku ABCD má kontaktní čtyřúhelník WXYZ kolmé úhlopříčky právě tehdy, když je opsaný čtyřúhelník také vepsaný .

Oblast

Vzorce ve čtyřech veličinách

Plochu K opsaného čtyřúhelníku lze vyjádřit čtyřmi rozměry čtyřúhelníku několika způsoby. Jsou-li a , b , c a d strany, pak je obsah dán vztahem [3] [6] [7] [8] [9]

Toto je zvláštní případ Brahmaguptovy formule . Vzorec lze také získat přímo z trigonometrického vzorce pro oblast opsaného čtyřúhelníku . Všimněte si, že obráceně neplatí — některé čtyřúhelníky, které nejsou bicentrické, mají také plochu [10] . Příkladem takového čtyřúhelníku je obdélník (s různými stranami, nikoli čtverec).

Plochu lze vyjádřit úsečkami od vrcholu k bodu dotyku (pro stručnost budeme tyto délky nazývat tečné délky) e , f , g , h [11]

Vzorec pro oblast vepsaného čtyřúhelníku ABCD se středem vepsané kružnice I [7]

Pokud má opsaný čtyřúhelník tečné tětivy k , l a úhlopříčky p , q , pak má obsah [12]

Jestliže k , l jsou tečné tětivy a m , n jsou čtyřúhelníkové bimediány , pak lze plochu vypočítat pomocí vzorce [7] .

Vzorec nelze použít, pokud je čtyřúhelník pravý deltový sval , protože v tomto případě je jmenovatel nula.

Pokud jsou M a N středy úhlopříček a E a F jsou průsečíky prodloužení stran, pak je plocha vepsaného čtyřúhelníku dána vztahem

,

kde I je střed vepsané kružnice [7] .

Vzorce z hlediska tří veličin

Plochu vepsaného čtyřúhelníku lze vyjádřit dvěma protilehlými stranami a úhlem θ mezi úhlopříčkami podle vzorce [7]

Z hlediska dvou sousedních úhlů a poloměru r vepsané kružnice je plocha dána vzorcem [7]

Plocha je dána jako poloměr R kružnice opsané a poloměr r kružnice vepsané jako

kde θ je některý z úhlů mezi úhlopříčkami [13] .

Pokud M a N jsou středy úhlopříček a E a F jsou průsečíky prodloužení protilehlých stran, lze plochu vyjádřit vzorcem

,

kde Q je základna kolmice k přímce EF ze středu kružnice vepsané [7] .

Nerovnosti

Jestliže r a R jsou poloměr kružnice vepsané a poloměr kružnice opsané, pak plocha K splňuje dvojitou nerovnost [14]

Rovnost dostaneme pouze v případě, že čtyřúhelník je čtverec .

Další nerovnost pro oblast by byla [15] :str.39,#1203

,

kde r a R jsou poloměr kružnice vepsané a poloměr kružnice opsané.

Podobná nerovnost, která dává lepší horní hranici oblasti než předchozí [13]

a rovnosti je dosaženo právě tehdy, je-li čtyřúhelník pravý deltový sval .

Také se stranami a, b, c, d a poloobvodem s :

[15] :str. 39,#1203 [15] :str. 39,#1203 [15] :str. 39,#1203

Úhlové vzorce

Jestliže a , b , c a d jsou délky stran AB , BC , CD a DA v opsaném čtyřúhelníku ABCD , pak lze jeho vrcholové úhly vypočítat pomocí tečny [7] :

Při použití stejného zápisu jsou splněny následující vzorce pro sinus a kosinus [16] :

Úhel θ mezi úhlopříčkami lze vypočítat ze vzorce [8] .

Poloměr kružnice vepsané a poloměr kružnice opsané

Poloměr vepsané kružnice r vepsaného čtyřúhelníku je určen stranami a , b , c , d podle vzorce [3]

Poloměr opsané kružnice R je speciálním případem Paramesvarovy formule [3]

Poloměr kružnice vepsané lze také vyjádřit pomocí po sobě jdoucích délek tečen e , f , g , h podle vzorce [17] .

Tyto dva vzorce jsou ve skutečnosti nezbytnou a postačující podmínkou pro to, aby byl opsaný čtyřúhelník s poloměrem kružnice r vepsán .

Čtyři strany a , b , c , d vepsaného čtyřúhelníku jsou řešením rovnice čtvrtého stupně

,

kde s je půlobvod a r a R jsou poloměr kružnice vepsané, respektive poloměr kružnice opsané [18] .

Existuje-li vepsaný čtyřúhelník s poloměrem vepsané kružnice r , jehož délky tečny jsou rovny e , f , g , h , pak existuje čtyřúhelník opsaný s poloměrem vepsané kružnice r v , jehož délky tečny jsou , kde v může být libovolné reálné číslo [19] .

Opsaný čtyřúhelník má větší poloměr opsané kružnice než jakýkoli jiný opsaný čtyřúhelník se stejnou délkou stran ve stejném pořadí [20] .

Nerovnosti

Poloměr kružnice opsané R a poloměr kružnice vepsané r splňují nerovnost

,

což prokázal L. Fejes Toth v roce 1948 [21] . Nerovnice se stane rovností pouze tehdy, jsou-li obě kružnice soustředné (středy jsou stejné). V tomto případě je čtyřúhelník čtverec . Nerovnici lze dokázat několika různými způsoby, jedním ze způsobů je použití dvojité nerovnosti pro výše uvedenou oblast.

Zobecněním předchozí nerovnosti je [2] [22] .

,

kde se nerovnost mění v rovnost právě tehdy, když je čtyřúhelník čtverec [23] .

Poloobvod s vepsaného opsaného čtyřúhelníku vyhovuje [24]

,

kde r a R jsou poloměr kružnice vepsané a poloměr kružnice opsané.

Navíc [15] :s.39,#1203

a

[15] :str. 62,#1599

Vzdálenost mezi středem kružnice vepsané a středem kružnice opsané

Fussova věta

Fussova věta dává vztah mezi poloměrem r opsané kružnice , poloměrem R opsané kružnice a vzdáleností x mezi středem opsané kružnice I a středem opsané kružnice O pro jakýkoli bicentrický čtyřúhelník. Zapojení je dáno vzorcem [1] [9] [25] .

Nebo ekvivalentně,

Vzorec odvodil Nikolaj Ivanovič Fuss (1755–1826) v roce 1792. Řešením pro x dostaneme

Fussova věta pro vepsané čtyřúhelníky, která je analogická s Eulerovou větou pro trojúhelníky , říká, že je-li čtyřúhelník bicentrický, pak jsou jeho dva sdružené kružnice příbuzné výše uvedeným vzorcem. Ve skutečnosti to platí i obráceně — jsou-li dány dvě kružnice (jedna uvnitř druhé) s poloměry R a r a vzdálenost x mezi jejich středy splňuje podmínku Fussovy věty, je do jedné z kružnic vepsán konvexní čtyřúhelník. , a druhý kruh bude vepsán do čtyřúhelníku [26 ] (a pak podle Ponceletovy věty je takových čtyřúhelníků nekonečně mnoho).

Využijeme-li toho, že při vyjádření Fussovy věty získáme již zmíněnou nerovnost jiným způsobem Zobecnění nerovnosti je [27]

Identity Karlitz

Jiný vzorec pro vzdálenost x mezi středy kružnice vepsané a kružnice opsané má na svědomí americký matematik Leonard Karlitz (1907–1999). Vzorec říká, že [28] .

,

kde r a R jsou poloměr kružnice vepsané a poloměr kružnice opsané a

,

kde a , b , c , d jsou strany vepsaného čtyřúhelníku.

Nerovnice pro tečné délky a strany

Pro tečné délky e , f , g , h platí následující nerovnosti [29] :

a

,

kde r je poloměr kružnice vepsané, R je poloměr kružnice opsané a x je vzdálenost mezi středy těchto kružnic. Strany a , b , c , d splňují nerovnosti [27]

a

Další vlastnosti středu vepsané kružnice

Střed kružnice opsané , střed kružnice vepsané a průsečík úhlopříček ve čtyřúhelníku opsaném jsou kolineární . [třicet]

Pokud jde o čtyři vzdálenosti mezi středem kružnice I a vrcholy bicentrického čtyřúhelníku ABCD , existuje následující rovnost : [31]

,

kde r je poloměr vepsané kružnice.

Je-li bod P průsečíkem úhlopříček vepsaného čtyřúhelníku ABCD se středem vepsané kružnice I , pak [32]

Ve čtyřúhelníku opsaném ABCD existuje nerovnost pro poloměr r kružnice vepsané a poloměr kružnice opsané R [33]

,

kde I je středem vepsané kružnice.

Vlastnosti úhlopříček

Délky úhlopříček v opsaném čtyřúhelníku lze vyjádřit jako strany nebo délky tečny . Tyto vzorce jsou platné pro vepsané čtyřúhelníky , respektive opsané čtyřúhelníky .

V opsaném čtyřúhelníku s úhlopříčkami p a q platí identita [34] :

,

kde r a R jsou poloměr kružnice vepsané a poloměr kružnice opsané . Tuto identitu lze přepsat jako [13]

nebo, když to vyřešíme jako kvadratickou rovnici s ohledem na součin úhlopříček, dostaneme

V opsaném čtyřúhelníku existuje nerovnost pro součin úhlopříček p , q [14]

,

kde a , b , c , d jsou strany. Nerovnost dokázal Murray S. Klumkin v roce 1967.

Viz také

Poznámky

  1. 1 2 Dörrie, 1965 , str. 188–193.
  2. 12 Yun , 2008 , str. 119-121.
  3. 1 2 3 4 Eric Weisstein, Bicentric Quadrilateral at MathWorld , [1] Archivováno 23. ledna 2019 na Wayback Machine , přístup 2011-08-13.
  4. 1 2 3 4 Josefsson, 2010 , str. 165–173.
  5. Alsina, Nelsen, 2011 , str. 125–126.
  6. Josefsson, 2010 , str. 129.
  7. 1 2 3 4 5 6 7 8 Josefsson, 2011 , str. 155–164.
  8. 1 2 Durell, Robson, 2003 , str. 28, 30.
  9. 12 Yiu , 1998 , str. 158-164.
  10. Pane, 2012 , str. 345-347.
  11. Josefsson, 2010 , str. 128.
  12. Josefsson, 2010a , str. 129.
  13. 1 2 3 Josefsson, 2012 , str. 237–241.
  14. 1 2 Alsina, Nelsen, 2009 , str. 64–66.
  15. 1 2 3 4 5 6 Nerovnosti navržené v Crux Mathematicorum , 2007. [2] Archivováno 27. dubna 2021 na Wayback Machine
  16. Josefsson, 2012 , str. 79–82.
  17. Radic, Kaliman, Kadum, 2007 , str. 41.
  18. Pop, 2009 , str. 754.
  19. Radic, 2005 , str. 9-10.
  20. Hess, 2014 , str. 392–393.
  21. Radic, 2005 .
  22. Shattuck, 2018 , str. 141.
  23. Josefsson, 2012 , str. 81.
  24. Radic, 2005 , str. 13.
  25. Salazar, 2006 , str. 306–307.
  26. Byerly, 1909 , s. 123–128.
  27. 1 2 Radic, 2005 , str. 5.
  28. Calin, 2010 , str. 153–158.
  29. Radic, 2005 , str. 3.
  30. Bogomolny, Alex, Kolinearita v bicentrických čtyřúhelnících [3] Archivováno 26. dubna 2004 na Wayback Machine , 2004.
  31. Juan Carlos Salazar, Fussova věta pro bicentrický čtyřúhelník , 2003, [4] .
  32. Crux Mathematicorum 34 (2008) č. 4, s. 242.
  33. Příspěvek na Art of Problem Solving , 2009
  34. Yiu, 1998 , str. 158-164.

Literatura