Теорема Птолемея

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 ]
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:
Квадрат
[ редактировать ]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 ]
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 ]
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 ]
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 ]
Анимация здесь показывает наглядную демонстрацию теоремы Птолемея, основанной на работе Деррика и Херштейна (2012). [ 8 ]
Доказательство подобием треугольников.
[ редактировать ]
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
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 ]
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.
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 .
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 ]

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 ]
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 ]
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.
Сопутствующая теорема о соотношении диагоналей
[ 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 ]- ^ К. Птолемей, Альмагест , Книга 1, Глава 10.
- ^ Уилсон, Джим. «Теорема Птолемея». ссылка проверена 8 апреля 2009 г.
- ^ О вращениях небесных тел: Страница 37 . См. последние две строки этой страницы. Коперник называет теорему Птолемея «Второй теоремой».
- ^ 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».
- ^ 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».
- ^ Интересную статью о построении правильного пятиугольника и определении длины стороны можно найти по следующей ссылке [1]
- ^ О вращении небесных тел: Первая книга: Первая теорема
- ^ В. Деррик, Дж. Херштейн (2012) Доказательство без слов: теорема Птолемея, The College Mathematics Journal, т.43, №5, стр.386
- ^ Альсина, Клауди; Нельсен, Роджер Б. (2010), Очаровательные доказательства: путешествие в элегантную математику , Dolciani Mathematical Expositions, vol. 42, Математическая ассоциация Америки , с. 112, ISBN 9780883853481 .
- ^ 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).
- ^ Jump up to: а б «Синус, косинус и теорема Птолемея» .
- ^ 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.
- ^ Клауди Альсина, Роджер Б. Нельсен: Очаровательные доказательства: путешествие в элегантную математику . МАА, 2010, ISBN 9780883853481 , стр. 112–113.
Ссылки
[ редактировать ]- Коксетер, Х.С.М. и С.Л. Грейцер (1967) «Теорема Птолемея и ее расширения». §2.6 в книге «Возвращение к геометрии» , Математическая ассоциация Америки, стр. 42–43.
- Коперник (1543) De Revolutionibus Orbium Coelestium , английский перевод найден в книге «На плечах гигантов» (2002) под редакцией Стивена Хокинга , Penguin Books. ISBN 0-14-101571-3
- Амарасингхе, GWIS (2013) Краткое элементарное доказательство теоремы Птолемея , Глобальный журнал перспективных исследований классической и современной геометрии (GJARCMG) 2 (1): 20–25 (pdf).
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Доказательство теоремы Птолемея для циклического четырехугольника.
- MathPages – О теореме Птолемея
- Элерт, Гленн (1994). «Таблица аккордов Птолемея» . Электронный мир .
- Теорема Птолемея о разрубании узла
- Доказательство сложного угла при разрезании узла
- Теорема Птолемея. Архивировано 24 июля 2011 г. в Wayback Machine на PlanetMath.
- Неравенство Птолемея в MathWorld
- О революциях небесных сфер в Гарварде.
- Глубокие тайны: Великая пирамида, золотое сечение и королевский локоть
- Теорема Птолемея Джея Варендорфа, Демонстрационный проект Вольфрама .
- Книга XIII . «Начал» Евклида
- Чудесное доказательство (теоремы Птолемея) Звезделины Станковой, числофила.