Тангенциальный четырехугольник
В евклидовой геометрии ( касательный четырехугольник иногда просто касательный четырехугольник ) или описанный четырехугольник — это выпуклый четырехугольник , все стороны которого могут касаться одной окружности внутри четырехугольника. Эта окружность называется вписанной в четырехугольник или вписанной окружностью, ее центр — вписанная окружность , а радиус — вписанный радиус . Поскольку эти четырехугольники можно нарисовать вокруг вписанных ими окружностей или описать их, их также называют описанными четырехугольниками , описанными четырехугольниками и описанными четырехугольниками . [1] Касательные четырехугольники являются частным случаем касательных многоугольников .
Другие менее часто используемые названия для этого класса четырехугольников — вписываемый четырехугольник , вписываемый четырехугольник , вписываемый четырехугольник , описанный четырехугольник и социклический четырехугольник . [1] [2] Из-за риска путаницы с четырехугольником, имеющим описанную окружность, который называется вписанным четырехугольником или вписанным четырехугольником, предпочтительно не использовать ни одно из последних пяти названий. [1]
Во всех треугольниках может быть вписанная окружность, но не во всех четырехугольниках. Примером четырехугольника, который не может быть касательным, является неквадратный прямоугольник . раздела В приведенных ниже характеристиках указано, каким необходимым и достаточным условиям должен удовлетворять четырехугольник, чтобы иметь возможность иметь вписанную окружность.
Особые случаи [ править ]
Примерами тангенциальных четырехугольников являются воздушные змеи , в состав которых входят ромбы , которые, в свою очередь, включают квадраты . Воздушные змеи представляют собой в точности касательные четырехугольники, которые также являются ортодиагональными . [3] Правильный кайт — это кайт с описанной окружностью . Если четырехугольник одновременно является касательным и вписанным , он называется бицентрическим четырехугольником , а если он одновременно является касательным и трапецией , он называется касательной трапецией .
Характеристики [ править ]
В касательном четырехугольнике четыре биссектрисы встречаются в центре вписанной окружности. И наоборот, выпуклый четырехугольник, в котором четыре биссектрисы пересекаются в одной точке, должен быть касательным, а общая точка является центром. [4]
Согласно теореме Пито , две пары противоположных сторон касательного четырехугольника в сумме дают одну и ту же общую длину, которая равна полупериметру s четырехугольника :
И наоборот, выпуклый четырехугольник, в котором a + c = b + d, должен быть касательным. [1] : стр.65 [4]
Если противоположные стороны в выпуклом четырехугольнике ABCD (который не является трапецией ) пересекаются в точках E и F , то он является касательным тогда и только тогда, когда любой из [4]
или
Другое необходимое и достаточное условие состоит в том, что выпуклый четырехугольник ABCD является касательным тогда и только тогда, когда вписанные окружности в двух треугольниках ABC и ADC касаются . друг друга [1] : стр.66
Характеристика углов, образованных диагональю BD и четырьмя сторонами четырехугольника ABCD, принадлежит Иосифеску. В 1954 году он доказал, что выпуклый четырёхугольник имеет вписанную окружность тогда и только тогда, когда [5]
Далее, выпуклый четырехугольник с последовательными сторонами a , b , c , d является касательным тогда и только тогда, когда
где Ra и , Rb Rc , a Rd , , соответственно — радиусы окружностей, касающихся снаружи сторон , b , c протяженность d , двух соседних сторон для каждой стороны. [6] : стр.72
Известны еще несколько характеристик четырех подтреугольников, образованных диагоналями.
Точки контакта и длины касательных [ править ]
Вписанная окружность касается каждой стороны в одной точке контакта . Эти четыре точки определяют новый четырехугольник внутри исходного четырехугольника: контактный четырехугольник, который является циклическим, поскольку он вписан во вписанную окружность исходного четырехугольника.
Восемь касательных длин ( e , f , g , h на рисунке справа) касательного четырехугольника — это отрезки прямой от вершины до точек контакта. Из каждой вершины есть две конгруэнтные касательные длины.
Две хорды касания ( k и l на рисунке) касательного четырехугольника представляют собой отрезки, соединяющие точки контакта на противоположных сторонах. Это также диагонали контактного четырехугольника.
Площадь [ править ]
Нетригонометрические формулы [ править ]
Площадь K касательного четырехугольника определяется выражением
где s — полупериметр , а r — внутренний радиус . Другая формула [7]
что дает площадь через диагонали p , q и стороны a , b , c , d касательного четырехугольника.
Площадь также можно выразить через четыре касательных длины . Если это e , f , g , h , то касательный четырехугольник имеет площадь [3]
Кроме того, площадь касательного четырехугольника можно выразить через стороны a, b, c, d и последовательные длины касательных e, f, g, h как [3] : стр. 128
Поскольку eg = fh тогда и только тогда, когда касательный четырехугольник также является циклическим и, следовательно, бицентрическим, [8] это показывает, что максимальная площадь происходит тогда и только тогда, когда касательный четырехугольник является бицентрическим.
Тригонометрические формулы [ править ]
Тригонометрическая d формула площади через стороны a , b , c , и два противоположных угла: [7] [9] [10] [11]
Для заданных длин сторон площадь максимальна , если четырехугольник также является вписанным и, следовательно, является вписанным четырехугольником . Затем так как противоположные углы являются дополнительными углами . Это можно доказать и другим способом, используя исчисление . [12]
Другая формула площади касательного четырехугольника ABCD , включающего два противоположных угла: [10] : стр. 19
где я - центр.
Фактически площадь можно выразить через две смежные стороны и два противоположных угла: [7]
Еще одна формула площади: [7]
где θ — любой из углов между диагоналями. Эту формулу нельзя использовать, если касательный четырехугольник представляет собой воздушный змей, поскольку тогда θ равен 90 ° и функция тангенса не определена.
Неравенства [ править ]
Как косвенно отмечено выше, площадь касательного четырёхугольника со сторонами a , b , c , d удовлетворяет условию
с равенством тогда и только тогда, когда это вписанный четырехугольник .
По Т. А. Ивановой (1976 г.), полупериметр s касательного четырехугольника удовлетворяет условию
где r — внутренний радиус. Равенство существует тогда и только тогда, когда четырехугольник является квадратом . [13] Это означает, что для площади K = rs имеет место неравенство
с равенством тогда и только тогда, когда касательный четырехугольник является квадратом.
Свойства раздела [ править ]
Четыре отрезка между центром вписанной окружности и точками, где она касается четырехугольника, разделяют четырехугольник на четыре правильных воздушных змея .
Если линия разрезает касательный четырехугольник на два многоугольника с равными площадями и равными периметрами , то эта линия проходит через центр . [4]
Инрадиус [ править ]
Внутренний радиус в касательном четырехугольнике с последовательными сторонами a , b , c , d определяется выражением [7]
где K — площадь четырехугольника, а s — его полупериметр. Для касательного четырехугольника с заданными сторонами входящий радиус максимален , когда четырехугольник также является вписанным (и, следовательно, вписанным четырехугольником ).
С точки зрения касательных длин вписанная окружность имеет радиус [8] :Лемма2 [14]
Внутренний радиус также можно выразить через расстояния от центра I до вершин касательного четырехугольника ABCD . Если u = AI , v = BI , x = CI и y = DI , то
где . [15]
окружности Если вписанные в треугольники ABC , BCD , CDA , DAB имеют радиусы соответственно, тогда радиус касательного четырехугольника ABCD определяется выражением
где . [16]
Формулы углов [ править ]
Если e , f , g и h — длины касательных от вершин A , B , C и D соответственно к точкам, где вписанная окружность касается сторон касательного четырехугольника ABCD , то углы четырехугольника можно вычислить по формуле [3]
Угол между хордами касания k и l определяется выражением [3]
Диагонали [ править ]
Если e , f , g и h — касательных длины A , B , C и D соответственно к точкам, где вписанная окружность касается сторон касательного четырехугольника ABCD , то длины диагоналей p = AC и q = БД являются [8] :Лемма3
Касательные аккорды [ править ]
Если e , f , g и h — касательные длины касательного четырехугольника, то длины касательных хорд равны [3]
где хорда касания длины k соединяет стороны длин a = e + f и c = g + h , а хорда длины l соединяет стороны длин b = f + g и d = h + e . Квадрат отношения хорд касания удовлетворяет [3]
Две касательные хорды
- перпендикулярны тогда и только тогда , когда касательный четырехугольник также имеет описанную окружность (он бицентричен ). [3] : стр.124
- имеют равные длины тогда и только тогда, когда касательный четырехугольник является воздушным змеем . [17] : стр.166
Хорда касания между сторонами AB и CD в касательном четырёхугольнике ABCD длиннее хорды между сторонами BC и DA тогда и только тогда, когда бимедиана между сторонами AB и CD короче, чем хорда между сторонами BC и DA . [18] : стр. 162
Если касательный четырехугольник ABCD имеет точки касания W на AB и Y на CD , и если хорда касания WY пересекает диагональ BD в точке M , то отношение длин касательных равно отношению отрезков диагонали BD . [19]
Коллинеарные точки [ править ]
Если M 1 и M 2 являются серединами диагоналей AC и BD соответственно в касательном четырехугольнике ABCD с центром I , и если пары противоположных сторон встречаются в точках J и K , причем M 3 является серединой JK , то точки M 3 , M1 одной , I и M2 лежат на прямой . [4] : стр.42 Линия, содержащая их, является линией Ньютона четырехугольника.
Если продолжения противоположных сторон касательного четырехугольника пересекаются в точках J и K , а продолжения противоположных сторон в его контактном четырехугольнике пересекаются в точках L и M , то четыре точки J , L , K и M лежат на одной прямой. [20] : Кор.3
Если вписанная окружность касается сторон AB , BC , CD , DA в точках T 1 , T 2 , T 3 , T 4 соответственно и если N 1 , N 2 , N 3 , N 4 являются изотомическими сопряжениями этих точек с относительно соответствующих сторон (т. е. AT 1 = BN 1 и т. д.), то точка Нагеля касательного четырехугольника определяется как пересечение прямых N 1 N 3 и N 2 N 4 . Обе эти прямые делят периметр четырехугольника на две равные части. Что еще более важно, точка Нагеля N , «центр тяжести площади» G и центр тяжести I лежат на одной прямой в этом порядке, и NG = 2 GI . Эта линия называется линией Нагеля касательного четырехугольника. [21]
касательном четырехугольнике ABCD с центром I и диагональю, пересекающейся в точке P , пусть H X , HY W , H Z , H В будут ортоцентрами треугольников AIB , BIC , CID , DIA . Тогда точки P , H X , HY W , H Z , H лежат на одной прямой. [10] : стр. 28
Параллельные и перпендикулярные линии [ править ]
Две диагонали и две хорды касания совпадают . [11] [10] : стр. 11 Один из способов увидеть это — это предельный случай теоремы Брианшона , которая утверждает, что шестиугольник, все стороны которого касаются одного конического сечения, имеет три диагонали, которые пересекаются в одной точке. Из касательного четырехугольника можно сформировать шестиугольник с двумя углами 180 °, разместив две новые вершины в двух противоположных точках касания; все шесть сторон этого шестиугольника лежат на прямых, касающихся вписанной окружности, поэтому его диагонали сходятся в одной точке. Но две из этих диагоналей такие же, как диагонали касательного четырехугольника, а третья диагональ шестиугольника есть линия, проходящая через две противоположные точки касания. Повторение того же рассуждения с двумя другими точками касания завершает доказательство результата.
Если продолжения противоположных сторон касательного четырехугольника пересекаются в точках J и K , а диагонали пересекаются в точке P , то JK перпендикулярен продолжению IP , где I — центр. [20] : Кор.4
Инцентр [ править ]
Центр касательного четырехугольника лежит на его линии Ньютона (соединяющей середины диагоналей). [22] : Тэм. 3
Отношение двух противоположных сторон в касательном четырехугольнике можно выразить через расстояния между центром I и вершинами согласно формуле [10] : стр. 15
Произведение двух смежных сторон касательного четырехугольника ABCD с центром I удовлетворяет условию [23]
Если I — центр касательного четырехугольника ABCD , то [10] : стр. 16
Центр I в касательном четырехугольнике ABCD совпадает с «центроидом вершины» четырехугольника тогда и только тогда, когда [10] : стр. 22
Если M p и M q — середины диагоналей AC и BD соответственно в касательном четырехугольнике ABCD с центром I , то [10] : стр. 19 [24]
где e , f , g и h — касательные длины в точках A , B , C и D соответственно. Объединив первое равенство с предыдущим свойством, «центр тяжести вершины» касательного четырехугольника совпадает с центром в том и только в том случае, если центр является серединой отрезка, соединяющего середины диагоналей.
Если четырехзвенную связь выполнить в виде касательного четырехугольника, то она останется касательной, как бы ни изгибалась связь, при условии, что четырехугольник останется выпуклым. [25] [26] (Так, например, если квадрат деформировать в ромб, он останется касательным, хотя и к меньшей вписанной окружности). Если одну сторону удерживать в фиксированном положении, то при изгибе четырехугольника центр очерчивает окружность радиуса где a,b,c,d — стороны последовательности, а s — полупериметр.
Характеристики четырех подтреугольников [ править ]
В непересекающихся треугольниках APB , BPC , CPD , DPA, образованных диагоналями выпуклого четырехугольника ABCD , где диагонали пересекаются в точке P , существуют следующие характеристики касательных четырехугольников.
Пусть r1 r3 , r2 треугольниках , , и и r4 соответственно радиусы вписанных окружностей в APB BPC , CPD DPA обозначают четырех . Чао и Симеонов доказали, что четырехугольник касается касательной тогда и только тогда, когда [27]
Эта характеристика уже была доказана пятью годами ранее Вайнштейном. [17] : стр.169 [28] Аналогичную характеристику при решении его задачи дали Васильев и Сендеров. Если h 1 , h 2 , h 3 и h 4 обозначают высоты в одних и тех же четырех треугольниках (от пересечения диагоналей до сторон четырехугольника), то четырехугольник является касательным тогда и только тогда, когда [5] [28]
аналогичная характеристика касается эксрадиусов ra в , r b , rc rd и . Другая тех же четырех треугольниках (каждая из четырех вписанных окружностей касается одной стороны четырехугольника и продолжений его диагоналей) Четырехугольник является касательным тогда и только тогда, когда [1] : стр.70
Если R1 , , R2 окружностей , R3 и и R4 тогда обозначают радиусы описанных треугольников APB , BPC , CPD когда DPA соответственно , то четырехугольник ABCD является касательным тогда и только [29] : стр. 23–24.
В 1996 году Вайнштейн, вероятно, был первым, кто доказал еще одну красивую характеристику касательных четырехугольников, которая позже появилась в нескольких журналах и на веб-сайтах. [1] : стр. 72–73. Он утверждает, что когда выпуклый четырехугольник делится своими двумя диагоналями на четыре непересекающихся треугольника, то центры четырех треугольников лежат на одной окружности тогда и только тогда, когда четырехугольник является касательным. Фактически центры образуют ортодиагональный вписанный четырехугольник . [1] : стр.74 Связанный с этим результат состоит в том, что вписанные окружности можно заменить на вписанные в одни и те же треугольники (касательные к сторонам четырехугольника и продолжениям его диагоналей). Таким образом, выпуклый четырехугольник является касательным тогда и только тогда, когда эксцентры в этих четырех вписанных окружностях являются вершинами вписанного четырехугольника . [1] : с. 73
Выпуклый четырехугольник ABCD с диагоналями, пересекающимися в точке P , является касательным тогда и только тогда, когда четыре эксцентра в треугольниках APB , BPC , CPD и DPA , противоположные вершинам B и D, лежат на одной окружности. [1] : с. 79 Если R a , R b , R c и R d являются эксрадиусами в треугольниках APB , BPC , CPD и DPA соответственно напротив вершин B и D , то еще одно условие состоит в том, что четырехугольник является касательным тогда и только тогда, когда [1] : с. 80
Далее, выпуклый четырехугольник ABCD с диагоналями, пересекающимися в точке P, является касательным тогда и только тогда, когда [5]
где ∆( APB ) — площадь треугольника APB .
Обозначим отрезки, на которые диагональное пересечение P делит диагональ AC , как AP = p 1 и PC = p 2 , и аналогично P делит диагональ BD на отрезки BP = q 1 и PD = q 2 . Тогда четырёхугольник является касательным тогда и только тогда, когда верно любое из следующих равенств: [30]
или [1] : с. 74
или [1] : с. 77
при которых касательный четырехугольник может быть другим типом четырехугольника Условия ,
Ромб [ править ]
Касательный четырехугольник является ромбом тогда и только тогда, когда его противоположные углы равны. [31]
Кайт [ править ]
Касательный четырехугольник является воздушным змеем тогда и только тогда, когда выполняется любое из следующих условий: [17]
- Площадь равна половине произведения диагоналей .
- Диагонали перпендикулярны .
- Два отрезка линии, соединяющие противоположные точки касания, имеют одинаковую длину.
- Одна пара противоположных касательных имеет одинаковую длину.
- Бимедианы имеют одинаковую длину.
- Произведения противоположных сторон равны.
- Центр вписанной окружности лежит на диагонали, которая является осью симметрии.
Бицентрический четырёхугольник [ править ]
Если вписанная окружность касается сторон AB , BC , CD , DA в точках W , X , Y , Z соответственно, то касательный четырехугольник ABCD также является циклическим (и, следовательно, бицентрическим ) тогда и только тогда, когда выполняется любое из следующих условий: [2] [3] : стр.124 [20]
- WY перпендикулярен XZ
Первое из этих трех означает, что контактный четырехугольник WXYZ является ортодиагональным четырехугольником .
Касательный четырехугольник является бицентрическим тогда и только тогда, когда его внутренний радиус больше, чем у любого другого касательного четырехугольника, имеющего ту же последовательность длин сторон. [32] : стр.392–393.
Тангенциальная трапеция [ править ]
Если вписанная окружность касается сторон AB и CD в точках W и Y соответственно, то касательный четырехугольник ABCD также является трапецией с параллельными сторонами AB и CD тогда и только тогда, когда [33] : Тэм. 2
а AD и BC — параллельные стороны трапеции тогда и только тогда, когда
См. также [ править ]
- Описанный круг
- Экстангенциальный четырехугольник
- Тангенциальный треугольник
- Тангенциальный многоугольник
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м Йозефссон, Мартин (2011), «Дополнительные характеристики касательных четырехугольников» (PDF) , Forum Geometricorum , 11 : 65–82 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Брайант, Виктор; Дункан, Джон (2010), «Колеса внутри колес», The Mathematical Gazette , 94 (ноябрь): 502–505 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час я Йозефссон, Мартин (2010), «Расчеты касательных длин и хорд касания касательного четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 10 : 119–130 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и Андрееску, Титу; Энеску, Богдан (2006), Сокровища математической олимпиады , Биркхойзер, стр. 64–68 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Минкулете, Никусор (2009), «Характеристики касательного четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 9 : 113–118 .
- ^ Йозефссон, Мартин (2012), «Подобные метрические характеристики тангенциальных и экстангенциальных четырехугольников» (PDF) , Forum Geometricorum , 12 : 63–77
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и Дарелл, резюме; Робсон, А. (2003), Расширенная тригонометрия , перепечатка в Дувре, стр. 28–30 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Хаджа, Моваффак (2008), «Условие того, что описанный четырехугольник является циклическим» (PDF) , Forum Geometricorum , 8 : 103–106 .
- ^ Сиддонс, AW; Хьюз, RT (1929), Тригонометрия , Кембриджский университет. Пресс, с. 203 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час Гринберг, Дарий, Еще раз о описанных четырехугольниках , 2008 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Ю, Пол, Евклидова геометрия , [1] , 1998, стр. 156–157.
- ^ Хойт, Джон П. (1986), «Максимизация площади трапеции», American Mathematical Monthly , 93 (1): 54–56, doi : 10.2307/2322549 .
- ^ Сообщение в «Искусстве решения проблем» , 2012 г.
- ^ Хойт, Джон П. (1984), «Quickies, Q694», журнал Mathematics Magazine , 57 (4): 239, 242 .
- ^ Йозефссон, Мартин (2010), «О радиусе касательного четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 10 : 27–34 .
- ^ Богомольный, Александр (2016), Отношение Inradii в неписуемом четырехугольнике, Cut-the-knot , [2] .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Йозефссон, Мартин (2011), «Когда касательный четырехугольник становится воздушным змеем?» (PDF) , Forum Geometricorum , 11 : 165–174 .
- ^ Йозефссон, Мартин (2011), «Площадь бицентрического четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 11 : 155–164 .
- ^ Гутьеррес, Антонио, «Описанный четырехугольник, диагональ, хорда, пропорция», [3] , по состоянию на 9 апреля 2012 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Йозефссон, Мартин (2010), «Характеристики бицентрических четырехугольников» (PDF) , Forum Geometricorum , 10 : 165–173 .
- ^ Мякишев, Алексей (2006), «О двух замечательных прямых, относящихся к четырехугольнику» (PDF) , Forum Geometricorum , 6 : 289–295 .
- ^ Дергиадес, Николаос; Христодулу, Димитрис М. (2017), «Два центра произвольного выпуклого четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 17 : 245–254 .
- ^ Андрееску, Титу; Фэн, Цуминг (2005), 103 задачи тригонометрии из тренинга группы IMO США , Биркхойзер, стр. 176–177 .
- ^ «Определить соотношение OM/ON», Сообщение в «Искусстве решения проблем» , 2011 г.
- ^ Бартон, Хелен (1926), «О круге, прикрепленном к складной четырехбалочной системе», American Mathematical Monthly , 33 (9): 462–465, doi : 10.2307/2299611 , JSTOR 2299611 .
- ^ Богомольный, Александр, «Когда четырехугольник неписпиален?», Интерактивный математический сборник и головоломки , [4] .
- ^ Чао, У Вэй; Симеонов, Пламен (2000), «Когда в четырехугольники есть вписанные круги (решение задачи 10698)», American Mathematical Monthly , 107 (7): 657–658, doi : 10.2307/2589133 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Vaynshtejn, I.; Vasilyev, N.; Senderov, V. (1995), "(Solution to problem) M1495", Kvant (6): 27–28.
- ^ Йозефссон, Мартин (2012), «Характеристики ортодиагональных четырехугольников» (PDF) , Forum Geometricorum , 12 : 13–25 .
- ^ Хен, Ларри (2011), «Новая формула, касающаяся диагоналей и сторон четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 11 : 211–212 .
- ^ Де Вильерс, Майкл (2011), «Равноугольные циклические и равносторонние описанные многоугольники», Mathematical Gazette , 95 (март): 102–107 .
- ^ Гесс, Альбрехт (2014), «Об окружности, содержащей центры касательных четырехугольников» (PDF) , Forum Geometricorum , 14 : 389–396 .
- ^ Йозефссон, Мартин (2014), «Возврат к диагональному треугольнику» (PDF) , Forum Geometricorum , 14 : 381–385 .