Opsaný čtyřúhelník

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 19. března 2022; ověření vyžaduje 1 úpravu .

V euklidovské geometrii je opsaný čtyřúhelník konvexní čtyřúhelník , jehož strany jsou tečné k jedinému kruhu uvnitř čtyřúhelníku. Tento kruh se nazývá vepsaný kruh . Opsané čtyřúhelníky jsou zvláštním případem opsaných mnohoúhelníků .

Všechny trojúhelníky mají vepsané kružnice, ale ne všechny čtyřúhelníky. Příkladem čtyřúhelníku, do kterého nelze vepsat kruh, je obdélník , který není čtvercem. Níže uvedená část "Vlastnosti" uvádí nezbytné a dostatečné podmínky pro opsání čtyřúhelníku.

Zvláštní příležitosti

Příklady popsaných čtyřúhelníků jsou deltoidy , které zahrnují kosočtverce , které zase zahrnují čtverce . Deltoidy jsou přesně ty opsané čtyřúhelníky, které jsou zároveň ortodiagonální [1] . Pokud je čtyřúhelník opsaný a vepsaný čtyřúhelník , nazývá se bicentrální .

Vlastnosti

V popsaném čtyřúhelníku se ve středu kružnice protínají čtyři osy . Naopak konvexní čtyřúhelník, ve kterém se čtyři osy protínají v jednom bodě, musí být opsán a průsečík os je středem vepsané kružnice [2] .

Podle Pitotovy věty se dva páry protilehlých stran v opsaném čtyřúhelníku sčítají ke stejnému číslu, které se rovná semiperimetrům čtyřúhelníku :

Naopak čtyřúhelník, ve kterém a + c = b + d musí být opsány. [3] [4] [2]

Pokud se opačné strany v konvexním čtyřúhelníku ABCD (což není lichoběžník ) protínají v bodech E a F , pak jsou tečné ke kružnici právě tehdy, když [2]

nebo

Druhá rovnost je téměř stejná jako rovnost v Urquhartově větě . Rozdíl je pouze ve znacích - v Urquhartově teorému součty a zde rozdíly (viz obrázek vpravo).

Další nutnou a postačující podmínkou je, že konvexní čtyřúhelník ABCD je opsán právě tehdy, když se kružnice vepsané do trojúhelníků ABC a ADC navzájem dotýkají [5] .

Popis úhlů, které svírá úhlopříčka BD se stranami čtyřúhelníku ABCD , patří Iosifescu. V roce 1954 dokázal, že konvexní čtyřúhelník má kružnici vepsanou právě tehdy, když [6]

Dále je konvexní čtyřúhelník se stranami a , b , c , d opsán tehdy a jen tehdy, když

,

kde Ra , Rb , Rc , Rd jsou poloměry kružnic externě tečných ke stranám a , b , c , d a prodloužení sousedních stran na každé straně [7] .

Některé další popisy jsou známé pro čtyři trojúhelníky tvořené úhlopříčkami.

Speciální segmenty

Osm tečných segmentů opsaného čtyřúhelníku jsou segmenty mezi vrcholy a tečnými body na stranách. Každý vrchol má dva stejné tečné segmenty.

Dotykové body tvoří vepsaný čtyřúhelník.

Oblast

Netrigonometrické vzorce

Plocha K tečného čtyřúhelníku je dána vztahem

,

kde p je semiperimetr a r je poloměr vepsané kružnice . Další vzorec [8]

,

udávající obsah ve smyslu úhlopříček p , q a stran a , b , c , d tečného čtyřúhelníku.

Oblast lze také znázornit pomocí tečných segmentů (viz výše). Pokud jsou označeny e , f , g , h , pak má tečný čtyřúhelník obsah [1]

Kromě toho lze obsah tečného čtyřúhelníku vyjádřit pomocí stran a, b, c, d a odpovídajících délek tečných segmentů e, f, g, h [9]

Protože např . = fh tehdy a jen tehdy, když je také vepsáno, [10] dostáváme, že maximální plochy lze dosáhnout pouze na čtyřúhelnících, které jsou opsané i vepsané zároveň.

Goniometrické vzorce

Trigonometrický vzorec pro plochu ve smyslu stran a , b , c , d a dvou protilehlých stran [8] [11] [12] [13]

Pro daný součin stran bude plocha maximální, když je čtyřúhelník také vepsaný . V tomto případě , protože opačné úhly jsou komplementární . To lze dokázat jiným způsobem, pomocí matematické analýzy [14] .

Další vzorec pro oblast opsaného čtyřúhelníku ABCD pomocí dvou protilehlých úhlů [12]

,

kde O je střed vepsané kružnice.

Ve skutečnosti lze plochu vyjádřit pouze dvěma sousedními stranami a dvěma protilehlými úhly [8]

Existuje další vzorec [8]

kde θ je úhel (libovolný) mezi úhlopříčkami. Vzorec neplatí pro případ deltových svalů, protože v tomto případě je θ 90° a tečna není definována.

Nerovnosti

Jak již bylo zmíněno výše, oblast tečného mnohoúhelníku se stranami a , b , c , d vyhovuje nerovnosti

a rovnosti je dosaženo právě tehdy, když je čtyřúhelník bicentrální .

Podle T. A. Ivanova (1976) vyhovuje poloobvod p opsaného čtyřúhelníku nerovnost

,

kde r je poloměr vepsané kružnice. Nerovnost se změní v rovnost právě tehdy, když je čtyřúhelník čtverec . [15] To znamená, že pro oblast S = pr je nerovnost

s přechodem k rovnosti právě tehdy, když je čtyřúhelník čtverec.

Vlastnosti částí čtyřúhelníku

Čtyři úsečky mezi středem vepsané kružnice a body dotyku rozdělují čtyřúhelník na čtyři pravoúhlé deltoidy .

Pokud přímka rozděluje popisovaný čtyřúhelník na dva polygony se stejnými plochami a stejnými obvody , pak tato přímka prochází středem [ 2] .

Poloměr vepsané kružnice

Poloměr kružnice opsané čtyřúhelníku o stranách a , b , c , d je dán vzorcem [8]

,

kde S je plocha čtyřúhelníku a p je poloobvod. Pro opsané čtyřúhelníky s daným půlobvodem je poloměr vepsané kružnice maximální, když je čtyřúhelník zároveň vepsaný .

Z hlediska tečných segmentů je poloměr vepsané kružnice [16] [17] .

Poloměr kružnice vepsané lze také vyjádřit jako vzdálenost od středu O k vrcholům opsaného čtyřúhelníku ABCD . Pokud u = AO , v = BO , x = CO a y = DO , pak

,

kde [18] .

Vzorce pro úhly

Jestliže e , f , g a h jsou segmenty tečen od vrcholů A , B , C a D k bodům dotyku kružnice čtyřúhelníkem ABCD , pak lze úhly čtyřúhelníku vypočítat pomocí vzorců [1 ]

Úhel mezi tětivami KM a LN je dán vzorcem [1] (viz obrázek)

Úhlopříčky

Jestliže e , f , g a h jsou segmenty tečen od A , B , C a D k bodům dotyku kružnice vepsané čtyřúhelníkem ABCD , pak jsou délky úhlopříček p = AC a q = BD stejné [ 19]

Akordy dotykového bodu

Jestliže e , f , g a h jsou segmenty od vrcholů k tečným bodům, pak jsou délky tětiv k opačným tečným bodům [1]

kde tětiva k spojuje strany s délkami a = e + f a c = g + h a tětiva l spojuje strany s délkami b = f + g a d = h + e . Druhá mocnina poměru akordů vyhovuje vztahu [1]

Dva akordy

Tětiva mezi stranami AB a CD v opsaném čtyřúhelníku ABCD je delší než tětiva mezi stranami BC a DA právě tehdy, když je středová čára mezi stranami AB a CD kratší než středová čára mezi stranami BC a DA [22] .

Pokud má opsaný čtyřúhelník ABCD tečné body M na AB a N na CD a tětiva MN protíná úhlopříčku BD v bodě P , pak je poměr úseček tečen roven poměru úseček úhlopříčky BD . [23]

Kolineární body

Pokud jsou M 1 a M 2 středy úhlopříček AC a BD v opsaném čtyřúhelníku ABCD se středem kružnice vepsané O a dvojice protilehlých stran se protínají v bodech E a F a M 3 je středem úsečka EF , pak body M 3 , M 1 , O a M 2 leží na téže přímce [24] Přímka spojující tyto body se nazývá Newtonova přímka čtyřúhelníku.

Jestliže se prodloužení protilehlých stran popisovaného čtyřúhelníku protínají v bodech E a F a prodloužení protilehlých stran čtyřúhelníku tvořeného body dotyku se protínají v bodech T a S , pak čtyři body E , F , T a S leží na stejné přímce [25]

Pokud se kružnice vepsaná dotýká stran AB , BC , CD , DA v bodech M , K , N a L a pokud TM , TK , T N , TL jsou izotomicky sdružené body těchto bodů (tj . AT M = BM atd.), pak je Nagelův bod definován jako průsečík přímek T N T M a T K T L . Obě tyto čáry rozdělují obvod čtyřúhelníku na dvě stejné části. Co je však důležitější, Nagelův bod Q , "těžiště oblasti" G a střed vepsané kružnice O leží na stejné přímce, a tedy QG = 2 GO . Tato přímka se nazývá Nagelova čára opsaného čtyřúhelníku [26] .

V opsaném čtyřúhelníku ABCD se středem O vepsané kružnice , ve kterém se úhlopříčky protínají v bodě P , nechť HM , HK , HN , HL jsou ortocentry trojúhelníků AOB , BOC , COD a DOA . Potom body P , H M , H K , H N a H L leží na stejné přímce. [12]

Konkurenční a kolmé čáry

Dvě úhlopříčky čtyřúhelníku a dvě tětivy spojující protilehlé styčné body (protilehlé vrcholy vepsaného čtyřúhelníku) spolu sousedí (tj. protínají se v jednom bodě). [13] Abychom to ukázali, můžeme použít speciální případ Brianchonovy věty , která říká, že šestiúhelník, jehož všechny strany jsou tečné ke kuželosečce , má tři úhlopříčky, které se protínají v jednom bodě. Z popsaného čtyřúhelníku lze snadno získat šestiúhelník se dvěma 180° úhly vložením dvou nových vrcholů do protilehlých tečných bodů. Všech šest stran výsledného šestiúhelníku je tečných ke kružnici, takže její úhlopříčky se protínají v jednom bodě. Ale dvě úhlopříčky šestiúhelníku se shodují s úhlopříčkami čtyřúhelníku a třetí úhlopříčka prochází opačnými body dotyku. Opakováním stejné úvahy pro další dva dotykové body získáme požadovaný výsledek.

Pokud se kružnice vepsaná dotýká stran AB , BC , CD a DA v bodech M , K , N , L , pak jsou přímky MK , LN a AC konkurenční. [12]

Pokud se prodloužení protilehlých stran opsaného čtyřúhelníku protínají v bodech E a F a úhlopříčky se protínají v bodě P , pak je přímka EF kolmá k prodloužení OP , kde O je střed vepsané kružnice [27] .

Vlastnosti kružnice vepsané

Vztah dvou protilehlých stran opsaného čtyřúhelníku lze vyjádřit pomocí vzdáleností od středu vepsané kružnice O k odpovídajícím vrcholům [12]

Součin dvou sousedních stran opsaného čtyřúhelníku ABCD se středem vepsané kružnice O vyhovuje vztahu [28]

Jestliže O je střed vepsané kružnice čtyřúhelníku ABCD , pak [12]

Střed vepsané kružnice O se shoduje s "těžištěm vrcholů" čtyřúhelníku právě tehdy, když [12]

Pokud jsou M 1 a M 2 středy úhlopříček AC a BD , pak [12] [29]

kde e , f , g ah jsou segmenty tečen ve vrcholech A , B , C a D v tomto pořadí. Spojením první rovnosti s poslední dostaneme, že „těžiště vrcholů“ opsaného čtyřúhelníku se shoduje se středem vepsané kružnice právě tehdy, když střed vepsané kružnice leží uprostřed mezi středy úhlopříček.

Je-li čtyřčlánkový mechanismus proveden ve tvaru opsaného čtyřúhelníku, zůstane čtyřúhelník opsaný bez ohledu na jeho deformaci za předpokladu, že čtyřúhelník zůstane konvexní [30] [31] (Například při deformaci čtverce na kosočtverec, čtyřúhelník zůstane opsaný, i když vepsaná kružnice bude menší ). Je-li jedna strana při deformaci pevná, pak se při deformaci čtyřúhelníku střed vepsané kružnice pohybuje po kružnici o poloměru , kde a,b,c,d jsou strany a s je semiperimetr.

Vlastnosti čtyř vnitřních trojúhelníků

Pro neprotínající se trojúhelníky APB , BPC , CPD , DPA , tvořené úhlopříčkami konvexního čtyřúhelníku ABCD , kde se úhlopříčky protínají v bodě P , existují následující vlastnosti.

Nechť r 1 , r 2 , r 3 a r 4 jsou kruhové poloměry trojúhelníků APB , BPC , CPD a DPA . Chao a Simeonov dokázali, že čtyřúhelník je opsán právě tehdy, když [32]

Tuto vlastnost prokázal o pět let dříve Weinstein [33] [34] . Při řešení jeho problému dali podobnou vlastnost Vasiliev a Senderov. Jestliže h M , h K , h N a h L značí výšky stejných trojúhelníků (spadlých z průsečíku úhlopříček P ), pak je čtyřúhelník popsán právě tehdy, když [6] [34]

Další podobná vlastnost platí pro poloměry kružnice r M , r K , r N a r L pro stejné čtyři trojúhelníky (tyto čtyři kružnice se dotýkají každé strany čtyřúhelníku a prodloužení úhlopříček). Čtyřúhelník je opsán právě tehdy, když [35]

Jestliže RM , RK , RN a RL jsou poloměry opsaných kružnic trojúhelníků APB , BPC , CPD a DPA , pak je čtyřúhelník ABCD opsán právě tehdy, když [36]

V roce 1996 se zdá, že Weinstein jako první dokázal další pozoruhodnou vlastnost opsaných čtyřúhelníků, která se později objevila v několika časopisech a na webových stránkách [37] . Vlastnost říká, že pokud je konvexní čtyřúhelník svými úhlopříčkami rozdělen na čtyři nepřekrývající se trojúhelníky, leží středy kruhů těchto trojúhelníků na stejné kružnici právě tehdy, je-li čtyřúhelník opsaný. Ve skutečnosti středy vepsaných kružnic tvoří ortodiagonální vepsaný čtyřúhelník [38] . Zde mohou být vepsané kružnice nahrazeny kružnicemi (tečnami ke stranám a pokračováním úhlopříček čtyřúhelníku). Potom je konvexní čtyřúhelník opsán právě tehdy, když středy kružnic jsou vrcholy vepsaného čtyřúhelníku [39] .

Konvexní čtyřúhelník ABCD , ve kterém se úhlopříčky protínají v bodě P , je opsán právě tehdy, když čtyři středy kružnic trojúhelníků APB , BPC , CPD a DPA leží na stejné kružnici [40] (zde kružnice protínají strany čtyřúhelníku, na rozdíl od podobného tvrzení výše, kde kružnice leží mimo čtyřúhelník). Jsou-li R m , R n , R k a R l poloměry kružnic APB , BPC , CPD a DPA , respektive protilehlé k vrcholům B a D , pak další nezbytnou a postačující podmínkou pro opsání čtyřúhelníku je [41 ]

Dále konvexní čtyřúhelník, ve kterém se úhlopříčky protínají v bodě P , je opsán právě tehdy, když [6]

kde m , k , n , l jsou délky stran AB , BC , CD a DA a ∆( APB ) je plocha trojúhelníku APB .

Úseky, na které bod P rozděluje úhlopříčku AC , označme jako AP = p a a PC = p c . Podobně P rozděluje úhlopříčku BD na segmenty BP = p b a PD = p d . Pak je čtyřúhelník opsán právě tehdy, když platí jedna z rovností: [42]


nebo [38]

nebo [43]

Podmínky pro to, aby opsaný čtyřúhelník byl jiným typem čtyřúhelníku

Popsaný čtyřúhelník je kosočtverec právě tehdy, když jsou opačné úhly stejné [44] .

Pokud je kružnice tečnou ke stranám AB , BC , CD , DA v bodech M , K , N , L v tomto pořadí, pak je ABCD také vepsaný čtyřúhelník právě tehdy, když [20] [25]

První tvrzení z těchto tří znamená, že tečný čtyřúhelník MKNL je ortodiagonální .

Opsaný čtyřúhelník je bicentrický (tj. opsaný a vepsaný zároveň) právě tehdy, když je poloměr vepsané kružnice největší ze všech opsaných čtyřúhelníků se stejnou posloupností stran délek [45] .

Popsaný čtyřúhelník je deltový sval právě tehdy, když je splněna některá z následujících podmínek: [46]

Viz také

Poznámky

  1. 1 2 3 4 5 6 Josefsson, 2010a , str. 119–130.
  2. 1 2 3 4 Andreescu, Enescu, 2006 , str. 64–68.
  3. Geometrie podle Kiseleva Archivováno 1. března 2021 na Wayback Machine , §146 .
  4. Josefsson, 2011b , str. 65.
  5. Josefsson, 2011b , str. 66.
  6. 1 2 3 Minculete, 2009 , str. 113–118.
  7. Josefsson, 2012 , str. 72.
  8. 1 2 3 4 5 Durell a Robson, 2003 , str. 28–30.
  9. Josefsson, 2010a , str. 128.
  10. Hajja, 2008 , str. 103–106.
  11. Siddons, Hughes, 1929 , str. 203.
  12. 1 2 3 4 5 6 7 8 Grinberg, Darij, Circumscribed quadrilaterals revisited , 2008 . Získáno 1. dubna 2015. Archivováno z originálu 4. března 2016.
  13. 1 2 Yiu, Paul, Euclidean Geometry , [1]  (odkaz není k dispozici) , 1998, pp. 156–157.
  14. Hoyt, 1986 , str. 54–56.
  15. Příspěvek na Art of Problem Solving , 2012 . Získáno 1. dubna 2015. Archivováno z originálu 20. února 2014.
  16. Hajja, 2008 , str. 103–106b Lemma2.
  17. Hoyt, 1984 , str. 239, 242.
  18. Josefsson, 2010b , str. 27–34.
  19. Hajja, 2008 , str. Lemma3.
  20. 12 Josefsson , 2010a , s. 124.
  21. Josefsson, 2011a , str. 166.
  22. Josefsson, 2011c , str. 162.
  23. Gutierrez, Antonio, "Circumscribed Quadrilateral, Diagonal, Chord, Proportion", [2] Archivováno 2. dubna 2015 na Wayback Machine , přístup 2012-04-09.
  24. Andreescu, Enescu, 2006 , str. 42.
  25. 12 Josefsson, 2010c , s. Kor.3.
  26. Myakishev, 2006 , str. 289–295.
  27. Josefsson, 2010c , str. Kor.4.
  28. "Ineq-G126 - Geometrie - velmi pěkná!!!!", Příspěvek na Art of Problem Solving , 2011, [3]
  29. "Určit poměr OM/ON", příspěvek na Art of Problem Solving , 2011
  30. Bartoň, 1926 , str. 462–465.
  31. Bogomolny .
  32. Chao, Simeonov, 2000 , str. 657–658.
  33. Josefsson, 2011a , str. 169.
  34. 1 2 Weinstein, Vasiliev, Senderov, 1995 , str. 27–28.
  35. Josefsson, 2011b , str. 70.
  36. Josefsson, 2012b , str. 23–24.
  37. Josefsson, 2011b , str. 72-73.
  38. 12 Josefsson , 2011b , str. 74.
  39. Josefsson, 2011b , str. 73.
  40. Josefsson, 2011b , str. 79.
  41. Josefsson, 2011b , str. 80.
  42. Hoehn, 2011 , str. 211–212.
  43. Josefsson, 2011b , str. 77.
  44. DeVilliers, 2011 , str. 102–107.
  45. Hess, 2014 , str. 392-393.
  46. Josefsson, 2011a , str. 165–174.

Odkazy

Larry Hoehn. Nový vzorec týkající se úhlopříček a stran čtyřúhelníku. - 2011. - T. 11 .

Martin Josephson. Na poloměru tečného čtyřúhelníku // Forum Geometricorum. — 2010b. - T. 10 .

Externí odkazy