Jump to content

Бицентрический четырехугольник

Поризм Понселе для бицентрических четырехугольников ABCD и EFGH.

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 ]

Правильный воздушный змей

Примерами бицентрических четырехугольников являются квадраты , прямоугольные воздушные змеи и равнобедренные касательные трапеции .

Характеристики [ править ]

Бицентрический четырехугольник ABCD и его контактный четырехугольник WXYZ.

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 ]

Бицентрический четырёхугольник ABCD с контактным четырёхугольником WXYZ . Анимацию смотрите здесь

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 ]

Бицентрический четырехугольник ABCD с центром I и центром описанной окружности O.

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 ]

  1. ^ 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 .
  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 .
  3. ^ Ленг, Гансонг (2016). Геометрические неравенства: в математических олимпиадах и олимпиадах . Шанхай: Издательство Восточно-Китайского педагогического университета. п. 22. ISBN  978-981-4704-13-7 .
  4. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Понселе Поперечный». Из MathWorld – веб-ресурса Wolfram, [2]
  5. ^ Jump up to: а б с д Йозефссон, Мартин (2010), «Характеристики бицентрических четырехугольников» (PDF) , Forum Geometricorum , 10 : 165–173 .
  6. ^ Альсина, Клауди; Нельсен, Роджер (2011). Иконы математики. Исследование двадцати ключевых изображений . Математическая ассоциация Америки. стр. 125–126. ISBN  978-0-88385-352-8 .
  7. ^ Jump up to: а б с Вайсштейн, Эрик, Бицентрический четырехугольник в MathWorld , [3] , по состоянию на 13 августа 2011 г.
  8. ^ Jump up to: а б с Йозефссон, Мартин (2010), «Расчеты касательных длин и хорд касания касательного четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 10 : 119–130 .
  9. ^ Jump up to: а б с д и ж г час Йозефссон, Мартин (2011), «Площадь бицентрического четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 11 : 155–164 .
  10. ^ Jump up to: а б Дарелл, К.В. и Робсон, А., Расширенная тригонометрия , Дувр, 2003, стр. 28, 30.
  11. ^ Jump up to: а б с Ю, Пол, Евклидова геометрия , [4] , 1998, стр. 158–164.
  12. ^ Лорд, Ник, «Четырехугольники с формулой площади». «, Математический вестник 96, июль 2012 г., 345–347.
  13. ^ Jump up to: а б с Йозефссон, Мартин (2012), «Максимальная площадь бицентрического четырехугольника» (PDF) , Forum Geometricorum , 12 : 237–241 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ Jump up to: а б с д и ж Неравенства, предложенные в Crux Mathematicum , 2007. [5]
  16. ^ Jump up to: а б Йозефссон, Мартин (2012), «Новое доказательство неравенства Юна для бицентрических четырехугольников» (PDF) , Forum Geometricorum , 12 : 79–82 .
  17. ^ М. Радич, З. Калиман и В. Кадум, «Условие того, что касательный четырехугольник также является хордальным», Mathematical Communications , 12 (2007) 33–52.
  18. ^ Поп, Овидиу Т., «Тождества и неравенства в четырехугольнике», Octogon Mathematical Magazine , Vol. 17, № 2, октябрь 2009 г., стр. 754–763.
  19. ^ 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]
  20. ^ Гесс, Альбрехт (2014), «Об окружности, содержащей центры касательных четырехугольников» (PDF) , Forum Geometricorum , 14 : 389–396 .
  21. ^ 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.
  22. ^ Салазар, Хуан Карлос (2006), «Теорема Фусса», Mathematical Gazette , 90 (июль): 306–307 .
  23. ^ Байерли, М.Е. (1909), «Внутри и описанный четырехугольник», Анналы математики , 10 : 123–128, doi : 10.2307/1967103 .
  24. ^ Калин, Овидиу, Евклидова и неевклидова геометрия: метрический подход , [8] , стр. 153–158.
  25. ^ Богомольный, Алекс, Коллинеарность в бицентрических четырехугольниках [9] , 2004.
  26. ^ Л.В. Нагараджан, Бицентрические многоугольники , 2014, [10] .
  27. ^ Математический крест 34 (2008) № 4, с. 242.
  28. ^ Алексей А. Заславский, Одно свойство двуцентральных четырехугольников, 2019, [11]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 172496671f92ad9d1389a0b058a602c7__1708640220
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/17/c7/172496671f92ad9d1389a0b058a602c7.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Bicentric quadrilateral - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)