Vepsaný čtyřúhelník
Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od
verze recenzované 19. září 2022; kontroly vyžadují
9 úprav .
Vepsaný čtyřúhelník je čtyřúhelník , jehož vrcholy leží na stejné kružnici . Tento kruh se nazývá opsaný . Obvykle se předpokládá, že čtyřúhelník je konvexní , ale existují také samoprotínající se vepsané čtyřúhelníky. Níže uvedené vzorce a vlastnosti platí pouze pro konvexní čtyřúhelníky.
Všechny trojúhelníky mají opsané kružnice , ale ne všechny čtyřúhelníky. Příkladem čtyřúhelníku, který nelze vepsat do kruhu, je kosočtverec (pokud to není čtverec). Níže uvedená část "Vlastnosti" uvádí nezbytné a dostatečné podmínky pro opsání kruhu kolem čtyřúhelníku.
Zvláštní příležitosti
Jakékoli čtverce , obdélníky , rovnoramenné lichoběžníky nebo antiparalelogramy mohou být vepsány do kruhu. Deltoid může být vepsán právě tehdy, když má dva pravé úhly. Bicentrický čtyřúhelník je cyklický čtyřúhelník, který je také opsaný čtyřúhelník, a externě bicentrický čtyřúhelník je cyklický čtyřúhelník, který je rovněž opsaným čtyřúhelníkem
[ .
Vlastnosti
- První kritérium pro zapsání čtyřúhelníku . Konvexní nedegenerovaný čtyřúhelník je vepsán tehdy a jen tehdy , když se čtyři střední kolmice nakreslené ke každé ze stran protínají v jednom bodě [1] .
- Druhé kritérium pro čtyřúhelník, který má být vepsán . Konvexní čtyřúhelník je vepsán právě tehdy, když součet protilehlých úhlů je 180°, tedy [2] .

- Další varianta prvního kritéria pro vepsání čtyřúhelníku . Věta byla Tvrzení 22 v knize 3 Euklidových prvků [3] . Ekvivalentně, konvexní čtyřúhelník je vepsaný právě tehdy, když se sousední úhel rovná opačnému vnitřnímu úhlu.
- Třetí kritérium pro zapsání čtyřúhelníku . Kruhu lze opsat kolem čtyřúhelníku tehdy a jen tehdy, je-li některý pár jeho protilehlých stran antiparalelní .
- Čtvrté kritérium pro zapsání čtyřúhelníku . Další kritérium pro vepsání konvexního čtyřúhelníku vyžaduje, aby úhel mezi stranou a úhlopříčkou byl roven úhlu mezi protější stranou a druhou úhlopříčkou [4] . Například,

- Páté kritérium pro vepsání čtyřúhelníku . Ptolemaiova nerovnost říká, že součin délek dvou úhlopříček p a q čtyřúhelníku se rovná součtu součinů protilehlých stran pouze tehdy, je-li čtyřúhelník vepsán: [5]

.
- Šesté kritérium pro čtyřúhelník, který má být vepsán . Kružnici lze opsat kolem čtyřúhelníku tehdy a jen tehdy, když je kterýkoli pár jeho protilehlých stran antiparalelní . Pokud se dvě úsečky, z nichž jedna obsahuje úsečku AC a druhá úsečka BD , protínají v bodě E , pak čtyři body A , B , C , D leží na kružnici právě tehdy, když [6]
Průsečík E může ležet uvnitř i vně kružnice. V prvním případě to bude vepsaný čtyřúhelník ABCD a ve druhém případě to bude vepsaný čtyřúhelník ABDC . Leží-li průsečík uvnitř, rovnost znamená, že součin úseček, na které bod E rozděluje jednu úhlopříčku, je roven součinu úseček druhé úhlopříčky. Toto tvrzení je známé jako teorém protínajících se tětiv , protože úhlopříčky vepsaného čtyřúhelníku jsou tětivami kružnice opsané.
- Sedmé kritérium pro čtyřúhelník, který má být vepsán . Konvexní čtyřúhelník ABCD je vepsán tehdy a jen tehdy, když [7]
.
- Osmé kritérium pro vepsání čtyřúhelníku . Nechť konvexní čtyřúhelník, ve kterém - průsečík úhlopříček, - průsečík prodloužení stran a , - průsečík prodloužení stran a . A nechť je obvod devíti bodů trojúhelníku . je cyklický čtyřúhelník právě tehdy, když průsečík jeho středových os leží na kružnici . [8] [9] [10] (viz obrázek)












- Deváté kritérium pro zapsání čtyřúhelníku . Kruhu lze opsat kolem čtyřúhelníku tehdy a jen tehdy, když je kterýkoli pár jeho protilehlých stran antiparalelní V konvexním čtyřúhelníku , Nechť je průsečík úhlopříček, je průsečík prodloužení stran a , A nechť je kružnice, jejíž průměr je úsečkou tvořící Pascalovy body a po stranách a .(viz obr.)











(1) je cyklický čtyřúhelník právě tehdy, když body a jsou kolineární se středem kružnice . [10] [11] (2) je cyklický čtyřúhelník právě tehdy, když body a jsou středy stran a . [10] [11] .









- Poznámka . Sedmé a osmé kritérium pro zahrnutí čtyřúhelníku jsou velmi podobné a jejich kresby jsou velmi podobné. Je možné, že se jedná o stejné kritérium pro zápis čtyřúhelníku, převzaté z různých primárních zdrojů. Na obou obrázcích a jsou Pascalovy body. Existují další podobné body. Ačkoli formálně znějí obě kritéria odlišně.


- Desáté kritérium pro zapsání čtyřúhelníku . Podmínka, za níž spojením dvou trojúhelníků s jednou stejnou stranou vznikne čtyřúhelník vepsaný do kruhu [12] . Takže dva trojúhelníky s trojnásobnými délkami stran (a, b, f) a (c, d, f), pokud se spojí podél společné strany o délce rovné f, dávají jako výsledek čtyřúhelník vepsaný do kruhu s posloupností stran ( a , b , c , d ), podmínka [13] :84
- Poznámka . Poslední podmínka dává výraz pro úhlopříčku f čtyřúhelníku vepsaného do kružnice z hlediska délek jeho čtyř stran ( a , b , c , d ). Tento vzorec bezprostředně následuje, když násobíme a dáváme rovnítko mezi levou a pravou část vzorců vyjadřujících podstatu první a druhé Ptolemaiovy věty .
- Jedenácté kritérium pro čtyřúhelník, který má být vepsán . Konvexní čtyřúhelník (viz obrázek vpravo) tvořený čtyřmi danými Miquelovými úsečkami je vepsán do kruhu právě tehdy, když Miquelův bod M čtyřúhelníku leží na čáře spojující dva ze šesti průsečíků úseček (těch, které nejsou vrcholy čtyřúhelníku). To znamená, když M leží na EF (viz obrázek vpravo).
Oblast
Obsah S vepsaného čtyřúhelníku o stranách a , b , c , d je dán Brahmaguptovým vzorcem [14]
kde p , semiperimetr , je . Toto tvrzení je důsledkem Bretschneiderova vztahu , protože opačné úhly tvoří 180°. Pokud d \u003d 0, vepsaný čtyřúhelník se stane trojúhelníkem a rovnost se změní na Heronův vzorec .
Vepsaný čtyřúhelník má maximální plochu ze všech čtyřúhelníků se stejnou sekvencí délek stran. To je další důsledek Bretschneiderova vztahu. Tvrzení lze dokázat pomocí matematické analýzy [15] .
Čtyři nestejné délky, z nichž každá je menší než součet ostatních tří, jsou stranami tří neshodných vepsaných čtyřúhelníků [16] , a podle Brahmaguptovy vzorce mají všechny tyto trojúhelníky stejnou plochu. Konkrétně pro strany a , b , c a d může být strana a protilehlá kterékoli straně b , c nebo d . Libovolné dva z těchto tří vepsaných čtyřúhelníků mají úhlopříčku stejné délky [17] .
Obsah vepsaného čtyřúhelníku s po sobě jdoucími stranami a , b , c , d a úhlem B mezi stranami a a b lze vyjádřit vzorcem [5]
nebo [18]
kde θ je libovolný úhel mezi úhlopříčkami. Pokud úhel A není správný, lze plochu vyjádřit vzorcem [18]
Další plošný vzorec [19]
kde R je poloměr kružnice opsané . Přímým důsledkem bude [20]

,
a nerovnost se změní v rovnost právě tehdy, když je čtyřúhelník čtverec.
Úhlopříčky
Ve vepsaném čtyřúhelníku s vrcholy A , B , C , D (v uvedené posloupnosti) a stranami a = AB , b = BC , c = CD a d = DA mohou délky úhlopříček p = AC a q = BD být vyjádřen pomocí stran [21] [22] [17]
a
což dává ptolemaiovskou rovnici
Podle druhé Ptolemaiovy věty [21] [22] ,
se stejným zápisem jako dříve.
Pro součet úhlopříček máme nerovnost [23]
Nerovnice se stane rovností právě tehdy, když jsou úhlopříčky stejně dlouhé, což lze ukázat pomocí nerovnosti mezi aritmetickým průměrem a geometrickým průměrem .
Navíc [24 ]
V jakémkoli konvexním čtyřúhelníku dvě úhlopříčky rozdělují čtyřúhelník na čtyři trojúhelníky. Ve vepsaném čtyřúhelníku jsou opačné dvojice těchto čtyř trojúhelníků podobné .
Jestliže M a N jsou středy úhlopříček AC a BD , pak [25]
kde E a F jsou průsečíky protilehlých stran.
Pokud je ABCD vepsaný čtyřúhelník a AC protíná BD v bodě P , pak [26]
Úhlové vzorce
Pro vepsaný čtyřúhelník se stranami a , b , c , d , semiperimetrem p a úhlem A mezi stranami a a d jsou goniometrické funkce úhlu A [27]
Pro úhel θ mezi úhlopříčkami [18]
Pokud se prodloužení protilehlých stran a a c protínají pod úhlem , pak

kde p je semiperimetr [28]
Vzorec Parameshvara
Pro vepsaný čtyřúhelník se stranami a , b , c , d (v uvedené posloupnosti) a půlobvodem p je poloměr kružnice opsané dán vzorcem [22] [29]
Vzorec byl vyvinut indickým matematikem Vatasseri Paramesvara v 15. století.
Pomocí Brahmaguptova vzorce lze Parameswarův vzorec převést na

,
kde S je plocha vepsaného čtyřúhelníku.
Anticentrum a kolinearita
Čtyři úsečky kolmé k jedné straně vepsaného čtyřúhelníku a procházející středem protilehlé strany se protínají v jednom bodě [30] [31] . Tento průsečík se nazývá anticentrum . Antistřed je symetrický ke středu opsané kružnice vzhledem k "centroidu vrcholu" . Ve vepsaném čtyřúhelníku tedy střed opsané kružnice, "těžiště vrcholu" a antistřed leží na stejné přímce [31] .
Pokud se úhlopříčky vepsaného čtyřúhelníku protínají v bodě P a středy úhlopříček jsou V a W , pak antistřed čtyřúhelníku je ortocentrum trojúhelníku VWP a těžiště vrcholu je uprostřed segmentu spojujícího středy úhlopříček [31] .
Ve vepsaném čtyřúhelníku leží "těžiště oblasti" G a , "těžiště vrcholů" G v a průsečík P úhlopříček na stejné přímce. Vzdálenosti mezi těmito body splňují rovnost [32]
Další vlastnosti
- Mongeova věta o ortocentru vepsaného čtyřúhelníku. V ortocentru H tohoto čtyřúhelníku se protínají 4 přímé úsečky (4 antimedatrisy ) nakreslené ze středů 4 stran vepsaného čtyřúhelníku kolmého k opačným stranám . [33] , [34]
- Věta o kolmosti vnitřních os úhlů ve vrcholech E a F, vytvořených na průsečících dvou dvojic protilehlých stran vepsaného čtyřúhelníku . Pokud jsou protilehlé strany vepsaného čtyřúhelníku prodlouženy k průsečíku v bodech E a F , pak jsou vnitřní osy úhlů v E a F kolmé [16] .
- Věta o 4 průmětech 4 vrcholů vepsaného čtyřúhelníku . Dovolit být vepsaný čtyřúhelník, být základna kolmice klesla z vrcholu na úhlopříčku ; body jsou definovány podobně . Potom body leží na stejné kružnici. [35]






- Věta o počtu čtyřúhelníků . Neexistují žádné vepsané čtyřúhelníky s racionální plochou a nestejnými racionálními stranami, které tvoří aritmetickou nebo geometrickou posloupnost [36] .
- Věta o počtu čtyřúhelníků . Pokud má vepsaný čtyřúhelník délky stran, které tvoří aritmetický průběh , pak je čtyřúhelník také externě opsán .
Čtyřúhelníky Brahmagupty
Brahmaguptův čtyřúhelník [37] je vepsaný čtyřúhelník s celočíselnými délkami stran, celočíselnými délkami úhlopříčky a celočíselnou plochou. Všechny Brahmaguptovy čtyřúhelníky se stranami a, b, c, d , úhlopříčkami e, f , plochou S a poloměrem R kružnice opsané lze získat zbavením se jmenovatele v následujících výrazech (s racionálními parametry t , u a v ):
Vlastnosti ortodiagonálních vepsaných čtyřúhelníků
Plocha a poloměr kružnice opsané
Nechť pro vepsaný čtyřúhelník, který je také pravoúhlý (tj. má na sebe kolmé úhlopříčky), průsečík úhlopříček rozděluje jednu úhlopříčku na úseky délky p 1 a p 2 a druhou rozděluje na úseky délky q 1 a q 2 . Potom [38] (první rovnost je výrok 11 v Archimédových lemmatech )

,
kde D je průměr kružnice opsané . Rovnost platí díky tomu, že úhlopříčky jsou kolmé tětivy kružnice . To znamená, že poloměr kružnice opsané R splňuje rovnost
nebo přes strany čtyřúhelníku
Z toho také vyplývá, že
Podle Eulerova vzorce lze tedy poloměr vyjádřit pomocí úhlopříček p a q a vzdálenosti x mezi středy úhlopříček.
Vzorec pro plochu K vepsaného pravoúhlého čtyřúhelníku lze získat přímo z hlediska stran kombinací Ptolemaiovy věty (viz výše) a vzorce pro obsah pravoúhlého čtyřúhelníku. V důsledku toho dostáváme
Další vlastnosti
- Ve vepsaném ortodiagonálním čtyřúhelníku se anticentrum shoduje s průsečíkem úhlopříček [39] .
- Brahmaguptův teorém říká, že ve vepsaném čtyřúhelníku, který je také kolmý, kolmice z obou stran přes průsečík úhlopříček půlí protilehlou stranu [39] .
- Je-li vepsaný čtyřúhelník zároveň ortodiagonální, je vzdálenost od středu kružnice opsané na obě strany poloviční délky protilehlé strany [39] .
- Ve vepsaném ortodiagonálním čtyřúhelníku je vzdálenost mezi středy úhlopříček rovna vzdálenosti mezi středem kružnice opsané a průsečíkem úhlopříček [39] .
Viz také
Poznámky
- ↑ Usiskin, 2008 , str. 63–65, kapitola 10. Cyklické čtyřúhelníky.
- ↑ Usiskin, 2008 , str. 63–65.
- ↑ Joyce, 1997 , str. Kniha 3, Návrh 22.
- ↑ 1 2 Andreescu, Enescu, 2004 , str. 2.3 Cyklické čtyřkolky.
- ↑ 1 2 Durell, Robson, 2003 , str. 25.
- ↑ Bradley, 2007 , str. 179.
- ↑ Hajja, 2008 , str. 103–6.
- ↑ Fraivert, David. Nové body, které patří do devítibodového kruhu // The Mathematical Gazette : deník. - 2019. - Červenec ( roč. 103 , č. 557 ). - str. 222-232 . - doi : 10.1017/mag.2019.53 .
- ↑ Fraivert, David. Nové aplikace metody komplexních čísel v geometrii cyklických čtyřúhelníků (anglicky) // International Journal of Geometry : journal. - 2018. - Sv. 7 , č. 1 . - str. 5-16 .
- ↑ 1 2 3 Fraivert, David; Sigler, Avi & Stupel, Moshe (2020), Nezbytné a dostatečné vlastnosti pro cyklický čtyřúhelník , International Journal of Mathematical Education in Science and Technology , < https://doi.org/10.1080/0020739X.2019.1683772 > Archivováno 20. června 10 Wayback Machine
- ↑ 1 2 Freivert, D. M. (2019), Nové téma v euklidovské geometrii v rovině: Teorie „pascalových bodů“ tvořených kružnicí na stranách čtyřúhelníku , Matematické vzdělávání: Stav umění a perspektivy: sborník příspěvků the International Scientific Conference , < http ://libr.msu.by/handle/123456789/9675 > Archivováno 10. listopadu 2019 ve Wayback Machine
- ↑ Viz podsekce "Úhlopříčky" článku " Vepsaný čtyřúhelník "
- ↑ Johnson, Roger A., Advanced Euclidean Geometry , Dover Publ. co., 2007
- ↑ Durell a Robson 2003 , str. 24.
- ↑ Petr, 2003 , str. 315–6.
- ↑ 1 2 Coxeter, Greitzer, 1967 , str. 57, 60.
- ↑ 12 Johnson , 2007 , s. 84.
- ↑ 1 2 3 Durell a Robson, 2003 , str. 26.
- ↑ Prasolov, 2006 , s. 86, úloha 4.44.
- ↑ Alsina, Nelsen, 2009 , str. 64.
- ↑ 1 2 Durell, Robson, 2003 , str. 25,.
- ↑ 1 2 3 Alsina, Nelsen, 2007 , str. 147–9.
- ↑ Crux, 2007 , str. 123, #2975.
- ↑ Crux, 2007 , str. 64, #1639.
- ↑ ABCD je cyklický čtyřúhelník. Nechť M , N jsou středy úhlopříček AC , BD resp.... . Umění řešení problémů (2010). (neurčitý)
- ↑ A. Bogomolny, An Identity in (Cyclic) Quadrilaterals, Interactive Mathematics Miscellany and Puzzles ,
[1] Archivováno 28. května 2019 na Wayback Machine , zpřístupněno 18. března 2014.
- ↑ Siddons, Hughes, 1929 , str. 202.
- ↑ Durell a Robson 2003 , str. 31.
- ↑ Hoehn, 2000 , str. 69–70.
- ↑ Altshiller-Court, 2007 , s. 131.
- ↑ 1 2 3 Honsberger, 1995 , str. 35–39, 4.2 Cyklické čtyřúhelníky.
- ↑ Bradley, 2011 .
- ↑ Pozoruhodné body a čáry čtyřúhelníků// https://math.mosolymp.ru/upload/files/2018/khamovniki/geom-10/2018-04-17-Zam_pr_ch-ka.pdf
- ↑ Mongeův teorém// https://bambookes.ru/stuff/reshenie_zadach/geometrija/4-1-0-8264
- ↑ Kolem problému Archiméda. Archivováno 29. dubna 2016 na Wayback Machine 7, Obr. 11, důsledek, str. 5
- ↑ Buchholz, MacDougall, 1999 , str. 263–9.
- ↑ Šastrý, 2002 , str. 167–173.
- ↑ Posamentier, Salkind, 1970 , str. 104–5.
- ↑ 1 2 3 4 Altshiller-Court, 2007 , str. 131,137-8.
Literatura
- Claudi Alsina, Roger Nelsen. Když méně je více: Vizualizace základních nerovností, Kapitola 4.3 Cyklické, tečné a bicentrické čtyřúhelníky. - Mathematical Association of America, 2009. - ISBN 978-0-88385-342-9 .
- Claudi Alsina, Roger B. Nelsen. Na úhlopříčkách cyklického čtyřúhelníku // Forum Geometricorum. - 2007. - T. 7 .
- Nathan Altshiller-Court. Vysokoškolská geometrie: Úvod do moderní geometrie trojúhelníku a kruhu. — 2. - Kurýr Dover, 2007. - ISBN 978-0-486-45805-2 . (org. 1952)
- =Titu Andreescu, Bogdan Enescu. Poklady matematické olympiády. - Springer, 2004. - ISBN 978-0-8176-4305-8 .
- Christopher Bradley. Tři centroidy vytvořené cyklickým čtyřúhelníkem. — 2011.
- Christopher J. Bradley. Algebra geometrie: kartézské, plošné a projektivní souřadnice. - Highperception, 2007. - ISBN 1906338000 .
- RH Buchholz, JA MacDougall. Volavčí čtyřúhelníky se stranami v aritmetickém nebo geometrickém postupu // Bulletin Australské matematické společnosti. - 1999. - T. 59 , no. 2 . - doi : 10.1017/S0004972700032883 .
- Harold Scott MacDonald Coxeter, Samuel L. Greitzer. Geometrie přehodnocena. 3.2 Cyklické čtyřúhelníky; Brahmaguptův vzorec. - Mathematical Association of America, 1967. - ISBN 978-0-88385-619-2 . Přeložili G. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer. Nová setkání s geometrií. 3.2 Vepsané čtyřúhelníky; Brahmaguptova věta. - Moskva: "Nauka", 1978. - (Knihovna Matematického kroužku).
- Crux Mathematicorum. Nerovnosti navržené v Crux Mathematicorum . — 2007.
- D. Fraivert. Teorie popsatelného čtyřúhelníku a kružnice, která tvoří Pascalovy body // Journal of Mathematical Sciences: Advances and Applications. - 2016. - T. 42 . — S. 81–107. - doi : 10.18642/jmsaa_7100121742 .
- C. V. Durell, A. Robson. pokročilá trigonometrie. - Kurýr Dover, 2003. - ISBN 978-0-486-43229-8 . (orig. 1930)
- Mowaffaq Hajja. Podmínka, aby byl opsaný čtyřúhelník cyklický // Forum Geometricorum. - 2008. - T. 8 .
- Larry Hoehn. Circumradius cyklického čtyřúhelníku // Mathematical Gazette. - 2000. - T. 84 , čís. 499 březen . — .
- Ross Honsberger. Epizody v euklidovské geometrii devatenáctého a dvacátého století. - Cambridge University Press, 1995. - V. 37. - (New Mathematical Library). - ISBN 978-0-88385-639-0 .
- Roger A. Johnson. Pokročilá euklidovská geometrie. — Dover Publ, 2007. (orig. 1929)
- Tomáš Petr. Maximalizace plochy čtyřúhelníku // The College Mathematics Journal. - 2003. - T. 34 , no. 4. září . — .
- Alfred S. Posamentier, Charles T. Salkind. Náročné problémy v geometrii. — 2. - Kurýr Dover, 1970. - ISBN 978-0-486-69154-1 . Kapitola: Řešení: 4-23 Dokažte, že součet druhých mocnin mír úseček tvořených dvěma kolmými tětivami je roven druhé mocnině míry průměru dané kružnice.
- , < http://students.imsa.edu/~tliu/Math/planegeo.pdf > Archivováno 21. září 2018 na Wayback Machine Z ruského vydání přeložil V.V. Prasolov. Problémy v planimetrii. Tutorial. - 5. - Moskva: MTSNMO OAO "Moskva učebnice", 2006. - ISBN 5-94057-214-6 .
- KRS Šastrý. Brahmagupta čtyřúhelníky // Forum Geometricorum. - 2002. - T. 2 .
- A.W. Siddons, R.T. Hughes. trigonometrie. — Cambridge University Press, 1929.
- Zalman Usiskin, Jennifer Griffin, David Witonsky, Edwin Willmore. Klasifikace čtyřúhelníků: Studie definic. - IAP, 2008. - (Výzkum v matematickém vzdělávání). - ISBN 978-1-59311-695-8 .
- D. E. Joyce. Euklidovy prvky . — Clark University, 1997.
- D. Fraivert. Čtyřúhelníky pascalových bodů vepsané do cyklického čtyřúhelníku // The Mathematical Gazette. - 2019. - T. 103 , č.p. 557 .
Externí odkazy