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

.

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.

.


(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] .

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

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

Viz také

Poznámky

  1. Usiskin, 2008 , str. 63–65, kapitola 10. Cyklické čtyřúhelníky.
  2. Usiskin, 2008 , str. 63–65.
  3. Joyce, 1997 , str. Kniha 3, Návrh 22.
  4. 1 2 Andreescu, Enescu, 2004 , str. 2.3 Cyklické čtyřkolky.
  5. 1 2 Durell, Robson, 2003 , str. 25.
  6. Bradley, 2007 , str. 179.
  7. Hajja, 2008 , str. 103–6.
  8. 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 .
  9. 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 .
  10. 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 
  11. 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 
  12. Viz podsekce "Úhlopříčky" článku " Vepsaný čtyřúhelník "
  13. Johnson, Roger A., ​​​​Advanced Euclidean Geometry , Dover Publ. co., 2007
  14. Durell a Robson 2003 , str. 24.
  15. Petr, 2003 , str. 315–6.
  16. 1 2 Coxeter, Greitzer, 1967 , str. 57, 60.
  17. 12 Johnson , 2007 , s. 84.
  18. 1 2 3 Durell a Robson, 2003 , str. 26.
  19. Prasolov, 2006 , s. 86, úloha 4.44.
  20. Alsina, Nelsen, 2009 , str. 64.
  21. 1 2 Durell, Robson, 2003 , str. 25,.
  22. 1 2 3 Alsina, Nelsen, 2007 , str. 147–9.
  23. Crux, 2007 , str. 123, #2975.
  24. Crux, 2007 , str. 64, #1639.
  25. ABCD je cyklický čtyřúhelník. Nechť M , N jsou středy úhlopříček AC , BD resp.... . Umění řešení problémů (2010).
  26. A. Bogomolny, An Identity in (Cyclic) Quadrilaterals, Interactive Mathematics Miscellany and Puzzles , [1] Archivováno 28. května 2019 na Wayback Machine , zpřístupněno 18. března 2014.
  27. Siddons, Hughes, 1929 , str. 202.
  28. Durell a Robson 2003 , str. 31.
  29. Hoehn, 2000 , str. 69–70.
  30. Altshiller-Court, 2007 , s. 131.
  31. 1 2 3 Honsberger, 1995 , str. 35–39, 4.2 Cyklické čtyřúhelníky.
  32. Bradley, 2011 .
  33. Pozoruhodné body a čáry čtyřúhelníků// https://math.mosolymp.ru/upload/files/2018/khamovniki/geom-10/2018-04-17-Zam_pr_ch-ka.pdf
  34. Mongeův teorém// https://bambookes.ru/stuff/reshenie_zadach/geometrija/4-1-0-8264
  35. Kolem problému Archiméda. Archivováno 29. dubna 2016 na Wayback Machine 7, Obr. 11, důsledek, str. 5
  36. Buchholz, MacDougall, 1999 , str. 263–9.
  37. Šastrý, 2002 , str. 167–173.
  38. Posamentier, Salkind, 1970 , str. 104–5.
  39. 1 2 3 4 Altshiller-Court, 2007 , str. 131,137-8.

Literatura

Externí odkazy