Jump to content

Теорема Птолемея

Теорема Птолемея представляет собой соотношение между этими длинами в вписанном четырехугольнике.

В евклидовой геометрии теорема Птолемея представляет собой соотношение между четырьмя сторонами и двумя диагоналями вписанного четырехугольника (четырехугольника, вершины которого лежат на общей окружности). Теорема названа в честь греческого астронома и математика Птолемея (Клавдия Птолемея). [ 1 ] Птолемей использовал эту теорему для создания своей таблицы хорд , тригонометрической таблицы, которую он применил в астрономии.

Если вершины вписанного четырехугольника расположены по порядку A , B , C и D , то теорема утверждает, что:

Устно это отношение может быть выражено следующим образом:

Если четырёхугольник вписанный , то произведение длин его диагоналей равно сумме произведений длин пар противоположных сторон.

Более того, верно и обратное утверждение теоремы Птолемея:

В четырехугольнике, если сумма произведений длин двух его пар противоположных сторон равна произведению длин его диагоналей, то четырехугольник можно вписать в окружность, т. е. он является вписанным четырехугольником .

Следствия о вписанных многоугольниках

[ редактировать ]

Равносторонний треугольник

[ редактировать ]
Равносторонний треугольник

Теорема Птолемея дает в качестве следствия красивую теорему [ 2 ] относительно равностороннего треугольника, вписанного в окружность.

Дан равносторонний треугольник, вписанный в окружность, и точка на этой окружности.

Расстояние от точки до самой дальней вершины треугольника представляет собой сумму расстояний от точки до двух ближайших вершин.

Доказательство: следует непосредственно из теоремы Птолемея:

Любой квадрат можно вписать в круг, центром которого является центр квадрата. Если общая длина четырех его сторон равна тогда длина диагонали равна согласно теореме Пифагора , и соотношение Птолемея, очевидно, выполняется.

Прямоугольник

[ редактировать ]
Теорема Пифагора: «Оно очевидно» : Коперник

В более общем смысле, если четырехугольник представляет собой прямоугольник со сторонами a и b и диагональю d, то теорема Птолемея сводится к теореме Пифагора. В этом случае центр круга совпадает с точкой пересечения диагоналей. Тогда произведение диагоналей равно d 2 , правая часть соотношения Птолемея представляет собой сумму a 2 + б 2 .

Коперник, который широко использовал теорему Птолемея в своих тригонометрических работах, называет этот результат «поризмом» или самоочевидным следствием:

Более того, ясно ( manifestum est ), что если дана хорда, стягивающая дугу, то можно найти и ту хорду, которая стягивает остальную часть полукруга. [ 3 ]

Пентагон

[ редактировать ]
Золотое сечение следует из этого применения теоремы Птолемея.

Более интересный пример — соотношение между длиной a стороны и (общей) длиной b пяти хорд правильного пятиугольника. Заполняя квадрат , отношение дает золотое сечение : [ 4 ]

Сторона десятиугольника

[ редактировать ]
Сторона вписанного десятиугольника

Если теперь диаметр AF провести пополам DC так, что DF и CF являются сторонами c вписанного десятиугольника, теорему Птолемея можно снова применить - на этот раз к вписанному четырехугольнику ADFC с диаметром d в качестве одной из его диагоналей:

где это золотое сечение.
[ 5 ]

откуда сторона вписанного десятиугольника получается через диаметр круга. Теорема Пифагора, примененная к прямоугольному треугольнику AFD, дает «b» в терминах диаметра и «а» в виде стороны пятиугольника. [ 6 ] после этого рассчитывается как

Как писал Коперник (вслед за Птолемеем):

«Даны диаметр круга, даны также стороны треугольника, четырехугольника, пятиугольника, шестиугольника и десятиугольника, которые описывает тот же круг». [ 7 ]

Доказательства

[ редактировать ]

Визуальное доказательство

[ редактировать ]
Анимированное визуальное доказательство теоремы Птолемея, основанное на Деррике и Херштейне (2012).

Анимация здесь показывает наглядную демонстрацию теоремы Птолемея, основанной на работе Деррика и Херштейна (2012). [ 8 ]

Доказательство подобием треугольников.

[ редактировать ]
Конструкции доказательства теоремы Птолемея.

Пусть ABCD — вписанный четырехугольник . На хорде BC вписанные углы ∠BAC = ∠BDC, а на AB ∠ADB = ∠ACB. Построим K на AC так, чтобы ∠ABK = ∠CBD; поскольку ∠ABK + ∠CBK = ∠ABC = ∠CBD + ∠ABD, ∠CBK = ∠ABD.

Итак, по общим углам △ABK подобен △DBC, а △ABD подобен △KBC. Таким образом, AK/AB = CD/BD и CK/BC = DA/BD; эквивалентно, AK⋅BD = AB⋅CD и CK⋅BD = BC⋅DA. Добавляя два равенства, мы получаем AK⋅BD + CK⋅BD = AB⋅CD + BC⋅DA, а факторизация дает (AK+CK)·BD = AB⋅CD + BC⋅DA. Но AK+CK = AC, поэтому AC⋅BD = AB⋅CD + BC⋅DA, QED. [ 9 ]

Написанное доказательство справедливо только для простых вписанных четырехугольников. Если четырехугольник самопересекающийся, то K будет находиться вне отрезка AC. Но в данном случае AK−CK = ±AC, что дает ожидаемый результат.

Доказательство тригонометрическими тождествами.

[ редактировать ]

Пусть вписанные углы, образуемые , и быть, соответственно, , и , а радиус круга будет , тогда мы имеем , , , , и , а исходное равенство, которое необходимо доказать, преобразуется в вид

откуда фактор исчезло, разделив на него обе части уравнения.

Теперь, используя формулы суммы, и , легко показать, что обе части приведенного выше уравнения равны

КЭД

Вот еще одно, возможно, более наглядное доказательство с использованием элементарной тригонометрии. Определить новый четырехугольник вписан в тот же круг, где такие же как в , и расположен в новой точке того же круга, определяемой формулой , . (Изображение треугольник перевернуто, так что вершина перемещается в вершину и вершина перемещается в вершину . Вертекс теперь будет находиться в новой точке D' на окружности.) Затем, имеет одинаковые длины ребер и, следовательно, одинаковые вписанные углы, образуемые соответствующие ребра, так как , только в другом порядке. То есть, , и , соответственно, и . Также, и имеют одинаковую площадь. Затем,

КЭД

Доказательство обращением

[ редактировать ]
Доказательство теоремы Птолемея методом обращения окружности.

Выберите вспомогательный круг радиуса с центром в точке D, относительно которой описанная окружность ABCD переворачивается в прямую (см. рисунок). Затем Затем и может быть выражено как , и соответственно. Умножив каждое слагаемое на и используя дает равенство Птолемея.

КЭД

Обратите внимание, что если четырехугольник не является вписанным, то A', B' и C' образуют треугольник и, следовательно, A'B'+B'C' > A'C', что дает нам очень простое доказательство неравенства Птолемея, которое представлено ниже. .

Доказательство с использованием комплексных чисел

[ редактировать ]

Вложим ABCD в комплексную плоскость. путем выявления как четыре различных комплексных числа . Определить перекрестное соотношение

.

Затем

с равенством тогда и только тогда, когда перекрестное отношение является положительным действительным числом. Это доказывает неравенство Птолемея в целом, поскольку остается только показать, что лежат последовательно расположенные по окружности (возможно, бесконечного радиуса, т.е. по линии) в тогда и только тогда, когда .

Из полярной формы комплексного числа , следует

причем последнее равенство выполняется тогда и только тогда, когда ABCD является вписанным, поскольку четырехугольник является вписанным тогда и только тогда, когда сумма противоположных углов равна .

КЭД

Обратите внимание, что это доказательство эквивалентно выполнено с учетом того, что цикличность ABCD, т. е. дополнительность и , эквивалентно условию

;

в частности, происходит ротация в котором это равно 0 (т.е. все три произведения являются положительными действительными числами), и согласно теореме Птолемея

тогда непосредственно устанавливается из простого алгебраического тождества

Следствия

[ редактировать ]
Следствие 1: Теорема Пифагора

В случае круга единичного диаметра стороны любого вписанного четырехугольника ABCD численно равны синусам углов и которые они скрывают. Точно так же диагонали равны синусу суммы любой пары углов, на которые они опираются. Тогда мы можем записать теорему Птолемея в следующей тригонометрической форме:

Применение определенных условий к стягиваемым углам и можно вывести ряд важных следствий, используя вышеизложенное в качестве отправной точки. В дальнейшем важно иметь в виду, что сумма углов .

Следствие 1. Теорема Пифагора.

[ редактировать ]

Позволять и . Затем (поскольку противоположные углы вписанного четырехугольника являются дополнительными). Затем: [ 10 ]

Следствие 2. Закон косинусов.

[ редактировать ]
Следствие 2: закон косинусов

Позволять . Прямоугольник из следствия 1 теперь представляет собой симметричную трапецию с равными диагоналями и парой равных сторон. Параллельные стороны отличаются по длине на единицы, где:

В этом случае будет проще вернуться к стандартной формулировке теоремы Птолемея:

Правило косинусов треугольника ABC.

Следствие 3. Сложный угол синус (+)

[ редактировать ]

Позволять

Затем

Поэтому,

Формула синуса составного угла (+). [ 11 ]

Следствие 4. Синус сложного угла (−)

[ редактировать ]

Позволять . Затем . Следовательно,

Формула синуса составного угла (-). [ 11 ]

Этот вывод соответствует третьей теореме как записано Коперником вслед за Птолемеем в «Альмагесте» . В частности, если заданы стороны пятиугольника (стягивающего 36° по окружности) и шестиугольника (стягивающего 30° по окружности), можно вычислить хорду, стягивающую 6°. Это был решающий шаг в древнем методе расчета таблиц аккордов. [ 12 ]

Следствие 5. Сложный угол косинус (+)

[ редактировать ]

Это следствие является ядром Пятой теоремы , записанной Коперником вслед за Птолемеем в «Альмагесте».

Позволять . Затем . Следовательно

Формула косинуса составного угла (+)

Несмотря на недостаток ловкости наших современных тригонометрических обозначений, из приведенных выше следствий должно быть ясно, что в теореме Птолемея (или, проще говоря, Второй теореме ) древний мир имел в своем распоряжении чрезвычайно гибкий и мощный тригонометрический инструмент, который позволял познавать те раз, чтобы составить точные таблицы аккордов (соответствующие таблицам синусов) и использовать их в своих попытках понять и нанести на карту космос, каким они его видели. Поскольку таблицы аккордов были составлены Гиппархом за три столетия до Птолемея, мы должны предположить, что он знал о «Второй теореме» и ее производных. Следуя по следам древних астрономов, история записывает звездный каталог Тимохариса Александрийского. Если, что кажется вероятным, составление таких каталогов требовало понимания «Второй теоремы», то истинные истоки последней впоследствии исчезают в тумане древности, но не может быть неразумным предполагать, что астрономы, архитекторы и инженеры-строители Древний Египет, возможно, имел некоторые знания об этом.

Неравенство Птолемея

[ редактировать ]
Это не вписанный четырёхугольник. Равенство здесь никогда не выполняется и является неравным в направлении, указанном неравенством Птолемея.

Уравнение в теореме Птолемея никогда не верно для нециклических четырехугольников. Неравенство Птолемея является расширением этого факта и представляет собой более общую форму теоремы Птолемея. В нем говорится, что если задан четырехугольник ABCD , то

где равенство имеет место тогда и только тогда, когда четырехугольник вписанный . Этот частный случай эквивалентен теореме Птолемея.

[ редактировать ]

Теорема Птолемея дает произведение диагоналей (вписанного четырехугольника), зная стороны, следующая теорема дает то же самое для отношения диагоналей. [ 13 ]

Доказательство : Известно, что площадь треугольника вписан в окружность радиуса является:

Записав площадь четырехугольника как сумму двух треугольников, имеющих одну и ту же описанную окружность, мы получим два соотношения для каждого разложения.

Приравнивая, получаем заявленную формулу.

Следствие : Зная произведение и отношение диагоналей, мы выводим их непосредственные выражения:

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ К. Птолемей, Альмагест , Книга 1, Глава 10.
  2. ^ Уилсон, Джим. «Теорема Птолемея». ссылка проверена 8 апреля 2009 г.
  3. ^ О вращениях небесных тел: Страница 37 . См. последние две строки этой страницы. Коперник называет теорему Птолемея «Второй теоремой».
  4. ^ Предложение 8 в книге XIII « Начал» Евклида с помощью подобных треугольников доказывает тот же результат: а именно, что длина a (сторона пятиугольника) делит длину b (соединяющую альтернативные вершины пятиугольника) в «среднем и крайнем отношении».
  5. ^ И аналогичным образом предложение 9 в книге XIII « Начал» Евклида с помощью подобных треугольников доказывает, что длина c (сторона десятиугольника) делит радиус в «среднем и крайнем соотношении».
  6. ^ Интересную статью о построении правильного пятиугольника и определении длины стороны можно найти по следующей ссылке [1]
  7. ^ О вращении небесных тел: Первая книга: Первая теорема
  8. ^ В. Деррик, Дж. Херштейн (2012) Доказательство без слов: теорема Птолемея, The College Mathematics Journal, т.43, №5, стр.386
  9. ^ Альсина, Клауди; Нельсен, Роджер Б. (2010), Очаровательные доказательства: путешествие в элегантную математику , Dolciani Mathematical Expositions, vol. 42, Математическая ассоциация Америки , с. 112, ISBN  9780883853481 .
  10. ^ В De Revolutionibus Orbium Coelestium Коперник не ссылается на теорему Пифагора по имени, но использует термин «поризм» - слово, которое в этом конкретном контексте может показаться обозначающим наблюдение - или очевидное следствие - другой существующей теоремы. «Поризм» можно посмотреть на страницах 36 и 37 DROC (электронная копия Гарварда).
  11. ^ Jump up to: а б «Синус, косинус и теорема Птолемея» .
  12. ^ Чтобы понять Третью теорему, сравните диаграмму Коперника, показанную на странице 39 гарвардской копии De Revolutionibus, с диаграммой для вывода греха (AB), найденной на приведенной выше веб-странице.
  13. ^ Клауди Альсина, Роджер Б. Нельсен: Очаровательные доказательства: путешествие в элегантную математику . МАА, 2010, ISBN   9780883853481 , стр. 112–113.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 4289bbe6f8322dac14fe64c7fbd6badd__1719919440
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/42/dd/4289bbe6f8322dac14fe64c7fbd6badd.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Ptolemy's theorem - 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.)