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.
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 .
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.
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.
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.
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.
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.
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 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] .
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)
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]
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]
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]
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] .
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.
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]
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]
Larry Hoehn. Nový vzorec týkající se úhlopříček a stran čtyřúhelníku. - 2011. - T. 11 .
Martin Josephson. Na poloměru tečného čtyřúhelníku // Forum Geometricorum. — 2010b. - T. 10 .
Polygony | |||||
---|---|---|---|---|---|
Podle počtu stran |
| ||||
opravit |
| ||||
trojúhelníky | |||||
Čtyřúhelníky | |||||
viz také |