Бицентрический четырехугольник

В евклидовой геометрии бицентрический четырёхугольник — это выпуклый четырёхугольник , имеющий как вписанную , так и описанную окружность . Радиусы и центры этих кругов называются внутренним радиусом и радиусом описанной окружности , а также центром и центром описанной окружности соответственно. Из определения следует, что вписанные четырехугольники обладают всеми свойствами как касательных четырехугольников , так и вписанных четырехугольников . Другие названия этих четырехугольников - четырехугольник, касающийся хорды. [1] и вписанный и описанный четырехугольник . Его также редко называют четырехугольником с двойным кругом. [2] и двухвписанный четырёхугольник . [3]
Если две окружности, одна внутри другой, являются вписанной и описанной окружностью вписанного четырехугольника, то каждая точка описанной окружности является вершиной вписанного четырехугольника, имеющего одинаковые вписанную и описанную окружности. [4] Это частный случай поризма Понселе , доказанный французским математиком Жаном-Виктором Понселе (1788–1867).
Особые случаи [ править ]

Примерами бицентрических четырехугольников являются квадраты , прямоугольные воздушные змеи и равнобедренные касательные трапеции .
Характеристики [ править ]

Выпуклый четырехугольник ABCD со сторонами a, b, c, d является бицентрическим тогда и только тогда, когда противоположные стороны удовлетворяют теореме Пито для касательных четырехугольников и свойству циклического четырехугольника, согласно которому противоположные углы являются дополнительными ; то есть,
Три другие характеристики касаются точек, которых вписанная окружность в касательного четырехугольника касается сторон. Если вписанная окружность касается сторон AB, BC, CD, DA в точках W, X, Y, Z соответственно, то касательный четырехугольник ABCD также является вписанным тогда и только тогда, когда выполняется любое из следующих трех условий: [5]
- WY перпендикулярен XZ
Первое из этих трех означает, что контактный четырехугольник WXYZ является ортодиагональным четырехугольником .
Если E, F, G, H — середины WX, XY, YZ, ZW соответственно, то касательный четырехугольник ABCD также является циклическим тогда и только тогда, когда четырехугольник EFGH является прямоугольником . [5]
Согласно другой характеристике, если I — центр касательного четырехугольника , где продолжения противоположных сторон пересекаются в точках J и K , то четырехугольник также является циклическим тогда и только тогда, когда ∠ JIK — прямой угол . [5]
Еще одним необходимым и достаточным условием является то, что касательный четырехугольник ABCD является циклическим тогда и только тогда, когда его линия Ньютона перпендикулярна линии Ньютона контактного четырехугольника WXYZ . (Линия Ньютона четырехугольника — это линия, определяемая серединами его диагоналей.) [5]
Строительство [ править ]

Существует простой способ построения вписанного четырехугольника:
Начинается с вписанной окружности вокруг Cr центра I радиусом r , друг к другу затем проводятся две перпендикулярные хорды WY и XZ в вписанной окружности Cr . а В концах хорд проведем касательные a, b, c, d к вписанной окружности. Они пересекаются в четырех точках A, B, C, D , которые являются вершинами вписанного четырехугольника. [6] Чтобы нарисовать описанную окружность, нарисуйте два серединных перпендикуляра p 1 , p 2 на сторонах вписанного четырехугольника a соответственно b . Биссектрисы p 1 , p 2 пересекаются в центре O описанной окружности C R на расстоянии x до центра I вписанной окружности C r . можно нарисовать вокруг центра O. Описанную окружность
Справедливость этой конструкции обусловлена тем, что в касательном четырехугольнике ABCD контактный четырехугольник WXYZ имеет перпендикулярные диагонали тогда и только тогда, когда касательный четырехугольник также является циклическим .
Площадь [ править ]
Формулы в виде четырех величин [ править ]
Площадь K . вписанного четырехугольника можно выразить через четыре величины четырехугольника несколькими различными способами Если стороны равны a, b, c, d , то площадь определяется выражением [7] [8] [9] [10] [11]
Это частный случай формулы Брахмагупты . Его также можно вывести непосредственно из тригонометрической формулы для площади касательного четырехугольника . Обратите внимание, что обратное неверно: некоторые четырехугольники, которые не являются бицентрическими, также имеют площадь [12] Одним из примеров такого четырехугольника является неквадратный прямоугольник .
Площадь также можно выразить через касательные длины e, f, g, h как [8] : стр. 128
Формула площади вписанного четырехугольника ABCD с инцентром I : [9]
Если вписанный четырехугольник имеет хорды касания k, l и диагонали p, q , то он имеет площадь [8] : стр.129
Если k, l — хорды касания, а m, n — бимедианы четырехугольника, то площадь можно вычислить по формуле [9]
Эту формулу нельзя использовать, если четырехугольник является прямым коршуном , поскольку знаменатель в этом случае равен нулю.
Если M, N — середины диагоналей, а E, F — точки пересечения продолжений противоположных сторон, то площадь вписанного четырехугольника определяется выражением
где I — центр вписанной окружности. [9]
Формулы в трех величинах [ править ]
Площадь вписанного четырехугольника можно выразить через две противоположные стороны и угол θ между диагоналями согласно формуле [9]
Через два смежных угла и радиус r вписанной окружности площадь определяется выражением [9]
Площадь выражается через радиус описанной окружности R и внутренний радиус r как
где θ — любой угол между диагоналями. [13]
Если M, N — середины диагоналей, а E, F — точки пересечения продолжений противоположных сторон, то площадь также можно выразить как
где Q — основание перпендикуляра к линии EF, проходящей через центр вписанной окружности. [9]
Неравенства [ править ]
Если r и R — внутренний радиус и описанный радиус соответственно, то площадь K удовлетворяет неравенствам [14]
Равенство обеих сторон существует только в том случае, если четырехугольник является квадратом .
Другое неравенство для площади: [15] : стр.39, #1203
где r и R — внутренний радиус и описанный радиус соответственно.
Аналогичное неравенство, дающее более точную верхнюю границу площади, чем предыдущее: [13]
при этом равенство выполняется тогда и только тогда, когда четырехугольник является прямым воздушным змеем .
Кроме того, со сторонами a, b, c, d и полупериметром s :
- [15] : стр.39, #1203
- [15] : стр.39, #1203
- [15] : стр.39, #1203
Формулы углов [ править ]
Если a, b, c, d — длины сторон AB, BC, CD, DA соответственно в вписанном четырехугольнике ABCD , то углы его вершины можно вычислить с помощью касательной функции : [9]
Используя те же обозначения, для функций синуса и косинуса справедливы следующие формулы: [16]
Угол θ между диагоналями можно рассчитать по формуле [10]
Внутренний и описанный радиус [ править ]
радиус Внутренний r вписанного четырехугольника определяется сторонами a, b, c, d согласно [7]
Радиус описанной окружности R дан как частный случай формулы Парамешвары . Это [7]
Внутренний радиус также может быть выражен через последовательные длины касательных e, f, g, h в соответствии с [17] : с. 41
Эти две формулы на самом деле являются необходимыми и достаточными условиями для того, чтобы касательный четырехугольник с вписанным радиусом r был вписанным .
Четыре стороны a, b, c, d вписанного четырехугольника являются четырьмя решениями уравнения четвертой степени
где s — полупериметр, а r и R — внутренний радиус и описанный радиус соответственно. [18] : с. 754
Если существует вписанный четырехугольник с вписанным радиусом r, которого касательные длины равны e, f, g, h , то существует вписанный четырехугольник с вписанным радиусом r. v чьи касательные длины равны где v может быть любым действительным числом . [19] : стр. 9–10.
Бицентрический четырехугольник имеет больший внутренний радиус, чем любой другой касательный четырехугольник, имеющий ту же последовательность длин сторон. [20] : стр.392–393.
Неравенства [ править ]
Радиус описанной окружности R и внутренний радиус r удовлетворяют неравенству
что было доказано Л. Фейешем Тотом в 1948 году. [19] Оно справедливо только тогда, когда два круга концентричны (имеют один и тот же центр); тогда четырехугольник является квадратом . Неравенство можно доказать несколькими различными способами, один из которых — с использованием двойного неравенства для указанной выше области.
Расширением предыдущего неравенства является [2] [21] : с. 141
где существует равенство с обеих сторон тогда и только тогда, когда четырехугольник является квадратом . [16] : с. 81
Полупериметр s условию вписанного четырехугольника удовлетворяет [19] : стр. 13
где r и R — внутренний радиус и описанный радиус соответственно.
Более того, [15] : стр.39, #1203
и
- [15] : стр.62, #1599
Расстояние между центром и центром описанной окружности [ править ]

Фусса Теорема
Теорема Фусса дает связь между вписанным радиусом r , радиусом описанной окружности R и расстоянием x между центром I и центром описанной окружности O для любого бицентрического четырехугольника. Отношение [1] [11] [22]
или эквивалентно
Он был выведен Николаусом Фуссом (1755–1826) в 1792 году. Решение для x дает
Теорема Фусса, которая является аналогом теоремы Эйлера для треугольников для вписанных четырехугольников, гласит, что если четырехугольник является вписанным, то две связанные с ним окружности связаны приведенными выше уравнениями. На самом деле справедливо и обратное: для двух окружностей (одна внутри другой) с радиусами R и r и расстоянием x между их центрами, удовлетворяющими условию теоремы Фусса, существует выпуклый четырехугольник, вписанный в один из них и касающийся другого. [23] (и тогда по теореме о замыкании Понселе их существует бесконечно много).
Применение к выражению теоремы Фусса для x через r и R — это другой способ получить упомянутое выше неравенство Обобщение – это [19] : стр.5
Личность Карлица [ править ]
Другая формула для расстояния x между центрами вписанной и описанной окружностей принадлежит американскому математику Леонарду Карлитцу (1907–1999). В нем говорится, что [24]
где r и R — внутренний радиус и описанный радиус соответственно, а
где a, b, c, d — стороны вписанного четырехугольника.
Неравенства для касательных длин и сторон [ править ]
Для касательных длин e, f, g, h выполняются следующие неравенства: [19] : стр.3
и
где r — внутренний радиус, R — радиус описанной окружности, а x — расстояние между центром и центром описанной окружности. Стороны a, b, c, d удовлетворяют неравенствам [19] : стр.5
и
Другие свойства инцентра [ править ]
Центр описанной окружности , центр инцентра и пересечение диагоналей в двухцентровом четырехугольнике коллинеарны . [25]
Существует следующее равенство, связывающее четыре расстояния между центром I и вершинами вписанного четырехугольника ABCD : [26]
где r — внутренний радиус.
Если P — пересечение диагоналей в бицентрическом четырёхугольнике ABCD с центром I , то [27]
Свойства диагоналей [ править ]
Длины диагоналей в вписанном четырехугольнике можно выразить через стороны или длины касательных , которые представляют собой формулы, справедливые для вписанного четырехугольника и касательного четырехугольника соответственно.
В вписанном четырехугольнике с диагоналями p, q справедливо следующее тождество: [11]
где r и R — внутренний радиус и описанный радиус соответственно. Это равенство можно переписать как [13]
или, решив его как квадратное уравнение относительно произведения диагоналей, в виде
Неравенство для произведения диагоналей p, q в вписанном четырехугольнике: [14]
где a, b, c, d — стороны. Это было доказано Мюрреем С. Кламкиным в 1967 году.
Четыре инцентра лежат на окружности [ править ]
Пусть ABCD — вписанный четырёхугольник, а O — центр описанной окружности. Тогда центры четырех треугольников △ OAB , △ OBC , △ OCD , △ ODA лежат на окружности. [28]
См. также [ править ]

Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: а б Дорри, Генрих (1965). 100 великих задач элементарной математики: их история и решения . Нью-Йорк: Дувр. стр. 188–193. ISBN 978-0-486-61348-2 .
- ^ Jump up to: а б Юн, Чжан, «Возвращение к неравенству Эйлера», Mathematical Spectrum , том 40, номер 3 (май 2008 г.), стр. 119–121. Первая страница доступна по адресу [1]. Архивировано 4 марта 2016 г. на Wayback Machine .
- ^ Ленг, Гансонг (2016). Геометрические неравенства: в математических олимпиадах и олимпиадах . Шанхай: Издательство Восточно-Китайского педагогического университета. п. 22. ISBN 978-981-4704-13-7 .
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Понселе Поперечный». Из MathWorld – веб-ресурса Wolfram, [2]
- ^ Jump up to: а б с д Йозефссон, Мартин (2010), «Характеристики бицентрических четырехугольников» (PDF) , Forum Geometricorum , 10 : 165–173 .
- ^ Альсина, Клауди; Нельсен, Роджер (2011). Иконы математики. Исследование двадцати ключевых изображений . Математическая ассоциация Америки. стр. 125–126. ISBN 978-0-88385-352-8 .
- ^ Jump up to: а б с Вайсштейн, Эрик, Бицентрический четырехугольник в MathWorld , [3] , по состоянию на 13 августа 2011 г.
- ^ Jump up to: а б с Йозефссон, Мартин (2010), «Расчеты касательных длин и хорд касания касательного четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 10 : 119–130 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Йозефссон, Мартин (2011), «Площадь бицентрического четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 11 : 155–164 .
- ^ Jump up to: а б Дарелл, К.В. и Робсон, А., Расширенная тригонометрия , Дувр, 2003, стр. 28, 30.
- ^ Jump up to: а б с Ю, Пол, Евклидова геометрия , [4] , 1998, стр. 158–164.
- ^ Лорд, Ник, «Четырехугольники с формулой площади». «, Математический вестник 96, июль 2012 г., 345–347.
- ^ Jump up to: а б с Йозефссон, Мартин (2012), «Максимальная площадь бицентрического четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 12 : 237–241 .
- ^ Jump up to: а б Альсина, Клауди; Нельсен, Роджер (2009). Когда меньше значит больше: визуализация базового неравенства . Математическая ассоциация Америки. стр. 64–66 . ISBN 978-0-88385-342-9 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Неравенства, предложенные в Crux Mathematicum , 2007. [5]
- ^ Jump up to: а б Йозефссон, Мартин (2012), «Новое доказательство неравенства Юна для бицентрических четырехугольников» (PDF) , Forum Geometricorum , 12 : 79–82 .
- ^ М. Радич, З. Калиман и В. Кадум, «Условие того, что касательный четырехугольник также является хордальным», Mathematical Communications , 12 (2007) 33–52.
- ^ Поп, Овидиу Т., «Тождества и неравенства в четырехугольнике», Octogon Mathematical Magazine , Vol. 17, № 2, октябрь 2009 г., стр. 754–763.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Радич, Мирко, «Некоторые неравенства, касающиеся бицентрических четырехугольников, шестиугольников и восьмиугольников», Журнал неравенств в чистой и прикладной математике , том 6, выпуск 1, 2005 г., [6]
- ^ Гесс, Альбрехт (2014), «Об окружности, содержащей центры касательных четырехугольников» (PDF) , Forum Geometricorum , 14 : 389–396 .
- ^ Шаттак, Марк, «Геометрическое неравенство для циклических четырехугольников», Forum Geometricorum 18, 2018, 141-154. [7] В этой статье также приводятся различные неравенства в терминах длин дуг, опирающихся на стороны вписанного четырехугольника.
- ^ Салазар, Хуан Карлос (2006), «Теорема Фусса», Mathematical Gazette , 90 (июль): 306–307 .
- ^ Байерли, М.Е. (1909), «Внутри и описанный четырехугольник», Анналы математики , 10 : 123–128, doi : 10.2307/1967103 .
- ^ Калин, Овидиу, Евклидова и неевклидова геометрия: метрический подход , [8] , стр. 153–158.
- ^ Богомольный, Алекс, Коллинеарность в бицентрических четырехугольниках [9] , 2004.
- ^ Л.В. Нагараджан, Бицентрические многоугольники , 2014, [10] .
- ^ Математический крест 34 (2008) № 4, с. 242.
- ^ Алексей А. Заславский, Одно свойство двуцентральных четырехугольников, 2019, [11]