Высота (треугольник)
В геометрии высота отрезок треугольника вершине — это , проходящий через вершину и перпендикулярный прямой, содержащей сторону, противоположную . Эта линия, содержащая противоположную сторону, называется расширенным основанием высоты. Пересечение расширенного основания и высоты называется подножием высоты . Длина высоты, часто называемая просто «высотой», представляет собой расстояние между расширенным основанием и вершиной. Процесс рисования высоты от вершины до подножия известен как понижение высоты в этой вершине. Это частный случай ортогональной проекции .
Высоты можно использовать при вычислении площади треугольника : половина произведения длины высоты на длину ее основания равна площади треугольника. Таким образом, наибольшая высота перпендикулярна наименьшей стороне треугольника. Высоты также связаны со сторонами треугольника через тригонометрические функции .
В равнобедренном треугольнике (треугольнике с двумя конгруэнтными сторонами) высота, имеющая неравную сторону в качестве основания, будет иметь середину этой стороны в качестве основания. Также высота, имеющая в качестве основания несовпадающую сторону, будет биссектрисой угла при вершине.
Обычно высоту обозначают буквой h (как и высота ), к которой часто добавляется название стороны, к которой относится высота.
В прямоугольном треугольнике высота, проведенная к гипотенузе c, делит гипотенузу на два отрезка длиной p и q . Если мы обозначим длину высоты через h c , мы получим соотношение
В остроугольных треугольниках все основания высот лежат на сторонах треугольника (не вытянуты). В тупоугольном треугольнике (с тупым углом ) основание высоты, ведущей к тупоугольной вершине, попадает во внутреннюю часть противоположной стороны, а основания высот, ведущих к остроугольным вершинам, приходятся на противоположную протяженную сторону. , вне треугольника. Это показано на соседней диаграмме: в этом тупоугольном треугольнике высота, опущенная перпендикулярно верхней вершине, имеющей острый угол, пересекает вытянутую горизонтальную сторону снаружи треугольника.
Ортоцентр [ править ]
Три (возможно, расширенные) высоты пересекаются в одной точке, называемой ортоцентром треугольника, обычно H. обозначаемой [1] [2] Ортоцентр лежит внутри треугольника тогда и только тогда, когда треугольник остроугольный. Если один угол прямой, то ортоцентр совпадает с вершиной под прямым углом. [2]
Пусть A, B, C обозначают вершины, а также углы треугольника, и пусть быть длинами сторон. Ортоцентр имеет трилинейные координаты. [3]
Поскольку все барицентрические координаты положительны для точки внутри треугольника, но по крайней мере одна отрицательна для точки снаружи, а две барицентрические координаты равны нулю для точки вершины, барицентрические координаты, заданные для ортоцентра, показывают, что ортоцентр находится внутри остроугольного треугольника , в прямоугольной вершине прямоугольного треугольника и снаружи тупоугольного треугольника .
Пусть на комплексной плоскости точки A, B, C обозначают числа z A , z B , z C и предположим, что центр описанной окружности треугольника △ ABC расположен в начале координат плоскости. Тогда комплексное число
представлена точкой H , а именно высотой треугольника △ ABC . [4] следующие характеристики ортоцентра H с помощью свободных векторов Отсюда непосредственно можно установить :
Первое из предыдущих векторных тождеств также известно как проблема Сильвестра , предложенная Джеймсом Джозефом Сильвестром . [5]
Свойства [ править ]
Пусть D, E, F обозначают основания высот из A, B, C соответственно. Затем:
- Произведение длин отрезков, на которые ортоцентр делит высоту, одинаково для всех трех высот: [6] [7]
- Круг с центром в точке H треугольника и радиусом, равным квадратному корню из этой константы, является полярным кругом . [8]
- Сумма отношений по трем высотам расстояния ортоцентра от основания к длине высоты равна 1: [9] (Это свойство и следующее являются применением более общего свойства любой внутренней точки и трех проходящих через нее цевианов .)
- Сумма отношений по трем высотам расстояния ортоцентра от вершины к длине высоты равна 2: [9]
- Изогонально сопряженный ортоцентру является центром описанной окружности треугольника. [10]
- Изотомно -сопряженная ортоцентра является симмедианной точкой антикомплементарного треугольника . [11]
- Четыре точки на плоскости, одна из которых является ортоцентром треугольника, образованного тремя другими, называется ортоцентрической системой или ортоцентрическим четырехугольником.
Связь с окружностями и кониками [ править ]
Обозначим окружности треугольника через R. радиус описанной Затем [12] [13]
Кроме того, обозначая r треугольника как радиус вписанной окружности , ra снова , r b , rc как радиусы его окружностей , а R как радиус описанной окружности, справедливы следующие соотношения относительно расстояний ортоцентра от вершины: [14]
Если какая-либо высота, например AD , продлена до пересечения описанной окружности в точке P , так что AD является хордой описанной окружности, то основание D делит отрезок HP пополам : [7]
Через ортоцентр проходят директрисы касающихся всех парабол, снаружи одной стороны треугольника и касательных продолжений других сторон. [15]
Окружная коническая , проходящая через ортоцентр треугольника, представляет собой прямоугольную гиперболу . [16]
Отношение к другим центрам, девятиконечный круг [ править ]
Ортоцентр H , центроид G , центр описанной окружности O и центр N девятиточечного круга лежат на одной линии, известной как линия Эйлера . [17] Центр девятиточечного круга находится в середине линии Эйлера, между ортоцентром и центром описанной окружности, а расстояние между центроидом и центром описанной окружности составляет половину расстояния между центроидом и ортоцентром: [18]
Ортоцентр находится ближе к центру I, чем к центроиду, а ортоцентр находится дальше, чем центр тяжести от центроида:
С точки зрения сторон a , b , c , внутреннего радиуса r и описанного радиуса R , [19] [20] : с. 449
Ортогональный треугольник [ править ]
Если треугольник △ ABC косоугольный ортическим (не содержит прямого угла), педальный треугольник ортоцентра исходного треугольника называется треугольником или треугольником высот . То есть основания высот косоугольного треугольника образуют ортогональный треугольник △ DEF . Кроме того, инцентр (центр вписанной окружности) прямоугольного треугольника △ DEF является ортоцентром исходного треугольника △ ABC . [21]
Трилинейные координаты вершин прямоугольного треугольника имеют вид
Расширенные стороны ортического треугольника встречаются с противоположными расширенными сторонами его опорного треугольника в трех коллинеарных точках . [22] [23] [21]
В любом остроугольном треугольнике вписанный треугольник с наименьшим периметром является ортогональным треугольником. [24] Это решение проблемы Фаньяно , поставленной в 1775 году. [25] Стороны прямоугольного треугольника параллельны касательным к описанной окружности в вершинах исходного треугольника. [26]
Ортический треугольник остроугольного треугольника дает треугольный путь света. [27]
Касательные линии девятиточечной окружности в серединах сторон △ ABC параллельны сторонам прямоугольного треугольника, образуя треугольник, аналогичный прямоугольному треугольнику. [28]
Ортогональный треугольник тесно связан с касательным треугольником , построенным следующим образом: пусть L A — прямая, касающаяся описанной окружности треугольника △ ABC в вершине A , и определим L B , L C аналогично. Позволять Тангенциальный треугольник — это △ A"B"C" , стороны которого являются касательными к треугольнику △ ABC , описанному в его вершинах; он гомотетичен прямоугольному треугольнику. Центр описанной окружности тангенциального треугольника и центр подобия треугольника Ортогональный и касательный треугольники лежат на прямой Эйлера . [20] : с. 447
Трилинейные координаты вершин касательного треугольника имеют вид
Подробнее об ортогональном треугольнике смотрите здесь .
Некоторые дополнительные теоремы о высоте
Высота по сторонам [ править ]
Для любого треугольника со сторонами a, b, c и полупериметром высота со стороны a (основания) определяется выражением
Это следует из объединения формулы Герона для площади треугольника через стороны с формулой площади где за основание принимается сторона а, а за высоту — высота от вершины А (противоположной стороны а ).
Заменив a на b или c высот hb и можно использовать для определения hc , это уравнение также соответственно.
Теоремы об радиусе [ править ]
Рассмотрим произвольный треугольник со сторонами a, b, c и соответствующимивысоты h a , h b , h c . Высоты и вписанной окружности радиус r связаны соотношением [29] : Лемма 1
Теорема радиусе о
Обозначая высоту одной стороны треугольника как h a , двух других сторон как b и c треугольника , а радиус описанной окружности (радиус описанной окружности треугольника) как R , высота определяется выражением [30]
Внутренняя точка [ править ]
Если p 1 , p 2 , p 3 – расстояния по перпендикуляру от любой точки P до сторон, а h 1 , h 2 , h 3 – высоты до соответствующих сторон, то [31]
Теорема площади о
Обозначая высоты любого треугольника со сторон a, b, c соответственно как ha , hb и , hc обозначая полусумму обратных высот как у нас есть [32]
Общие сведения о высоте [ править ]
Если E — любая точка на высоте AD любого треугольника △ ABC , то [33] : 77–78
Неравенство треугольника [ править ]
Поскольку площадь треугольника равна , неравенство треугольника подразумевает [34]
- .
Особые случаи [ править ]
Равносторонний треугольник [ править ]
Из любой точки P внутри равностороннего треугольника сумма перпендикуляров к трем сторонам равна высоте треугольника. Это теорема Вивиани .
Прямоугольный треугольник [ править ]
В прямоугольном треугольнике с катетами a и b и гипотенузой c каждый катет также является высотой: и . Третью высоту можно найти по соотношению [35] [36]
Это также известно как обратная теорема Пифагора .
Обратите внимание, в частности:
История [ править ]
Теорема о том, что три высоты треугольника совпадают (в ортоцентре), прямо не сформулирована в сохранившихся греческих математических текстах, но используется в Книге лемм (предложение 5), приписываемой Архимеду (3 век до н. э.), со ссылкой на « комментарий к трактату о прямоугольных треугольниках», произведение не сохранилось. О нем упоминал и Папп ( Математический сборник , VII, 62; ок. 340). [37] Теорема была сформулирована и явно доказана ан-Насави в его (11 веке) комментарии к Книге лемм и приписана аль-Кухи ( 10 век ). [38]
Это доказательство на арабском языке было переведено как часть латинского издания Книги лемм (начало 17 века) , но не было широко известно в Европе, поэтому теорема была доказана еще несколько раз в 17–19 веках. Самуэль Маруа доказал это в своей «Геометрии» (1619 г.), а Исаак Ньютон доказал это в неоконченном трактате «Геометрия кривых линий» ( ок. 1680 г.). [37] Позже Уильям Чаппл доказал это в 1749 году. [39]
Особенно элегантное доказательство принадлежит Франсуа-Жозефу Сервуа (1804 г.) и независимо Карлу Фридриху Гауссу (1810 г.): проведите линию, параллельную каждой стороне треугольника, через противоположную точку и сформируйте новый треугольник из пересечений этих трех линий. . Тогда исходный треугольник является медиальным треугольником нового треугольника, а высоты исходного треугольника являются серединными перпендикулярами нового треугольника и, следовательно, совпадают (в центре описанной окружности нового треугольника). [40]
См. также [ править ]
Примечания [ править ]
- ^ Смарт 1998 , с. 156
- ^ Перейти обратно: а б Berele & Goldman 2001 , p. 118
- ^ Энциклопедия центров треугольников Кларка Кимберлинга «Энциклопедия центров треугольников» . Архивировано из оригинала 19 апреля 2012 г. Проверено 19 апреля 2012 г.
- ^ Андрееску, Титу; Андрика, Дорин , «Комплексные числа от А до...Я». Биркхойзер, Бостон, 2006 г., ISBN 978-0-8176-4326-3 , стр. 90, предложение 3
- ^ Дорри, Генрих, «100 великих задач элементарной математики. Их история и решение». Dover Publications, Inc., Нью-Йорк, 1965 г., ISBN 0-486-61348-8 , стр. 142
- ^ Джонсон 2007 , с. 163, статья 255
- ^ Перейти обратно: а б " "Ортоцентр треугольника" " . Архивировано из оригинала 5 июля 2012 г. Проверено 4 мая 2012 г.
- ^ Джонсон 2007 , с. 176, статья 278
- ^ Перейти обратно: а б Панапои, Ронначай, «Некоторые свойства ортоцентра треугольника» , Университет Джорджии .
- ^ Смарт 1998 , с. 182
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Изотомное сопряжение» Из MathWorld - веб-ресурса Wolfram. http://mathworld.wolfram.com/IsotomicConjugate.html
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Ортоцентр». Из MathWorld — веб-ресурса Wolfram.
- ^ Альтшиллер-Суд 2007 , с. 102
- ^ Белл, Эми, «Теорема Хансена о прямоугольном треугольнике, ее обращение и обобщение», Forum Geometricorum 6, 2006, 335–342.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Парабола Киперта». Из MathWorld — веб-ресурса Wolfram. http://mathworld.wolfram.com/KiepertParabola.html
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Джерабек Гипербола». Из MathWorld — веб-ресурса Wolfram. http://mathworld.wolfram.com/JerabekHyperbola.html
- ^ Berele & Goldman 2001 , p. 123
- ^ Berele & Goldman 2001 , pp. 124-126
- ^ Мари-Николь Гра, «Расстояния между центром описанной окружности треугольника касания и классическими центрами», Forum Geometricorum 14 (2014), 51-61. http://forumgeom.fau.edu/FG2014volume14/FG201405index.html
- ^ Перейти обратно: а б Смит, Джефф, и Леверша, Джерри, «Эйлер и геометрия треугольника», Mathematical Gazette 91, ноябрь 2007 г., 436–452.
- ^ Перейти обратно: а б Уильям Х. Баркер, Роджер Хоу (2007). «§ VI.2: Классические совпадения» . Непрерывная симметрия: от Евклида до Клейна . Американское математическое общество. п. 292. ИСБН 978-0-8218-3900-3 . См. также: Следствие 5.5, с. 318.
- ^ Джонсон 2007 , с. 199, статья 315
- ^ Альтшиллер-Суд 2007 , с. 165
- ^ Джонсон 2007 , с. 168, статья 264
- ^ Berele & Goldman 2001 , pp. 120-122
- ^ Джонсон 2007 , с. 172, раздел 270с
- ^ Брайант В. и Брэдли Х., «Треугольные световые маршруты», Mathematical Gazette 82, июль 1998 г., 298–299.
- ^ Кей, Дэвид К. (1993), Геометрия колледжа / подход к открытиям , HarperCollins, стр. 6, ISBN 0-06-500006-4
- ^ Дорин Андрика и Дэн Штефан Маринеску. «Новые интерполяционные неравенства для Эйлера R ≥ 2r». Forum Geometricorum , Том 17 (2017), стр. 149–156. http://forumgeom.fau.edu/FG2017volume17/FG201719.pdf
- ^ Джонсон 2007 , с. 71, статья 101а
- ^ Джонсон 2007 , с. 74, раздел 103в
- ^ Митчелл, Дуглас В., «Формула типа Герона для обратной площади треугольника», Mathematical Gazette 89, ноябрь 2005 г., 494.
- ^ Альфред С. Посаментье и Чарльз Т. Салкинд, «Сложные проблемы геометрии» , Dover Publishing Co., второе исправленное издание, 1996 г.
- ^ Митчелл, Дуглас В., «Формула типа Герона для обратной площади треугольника», Mathematical Gazette 89 (ноябрь 2005 г.), 494.
- ^ Воулс, Роджер, "Целочисленные решения », « Математический вестник» 83, июль 1999 г., стр. 269–271.
- ^ Ричиник, Дженнифер, «Перевернутая теорема Пифагора», Mathematical Gazette 92, июль 2008 г., 313–317.
- ^ Перейти обратно: а б Ньютон, Исаак (1971). «3.1 «Геометрия кривых линий» » . В Уайтсайде, Дерек Томас (ред.). Математические статьи Исаака Ньютона . Том. 4. Издательство Кембриджского университета. стр. 454–455. Обратите внимание на сноски Уайтсайда 90–92, стр. 454–456.
- ^ Хаджа, Моваффак; Мартини, Хорст (2013). «Совпадение высот треугольника» (PDF) . Математический семестр . 60 (2): 249–260. дои : 10.1007/s00591-013-0123-z .
Хогендейк, Ян П. (2008). «Две красивые геометрические теоремы Абу Сала Кухи в голландском переводе 17 века» . Тарикх-е Эльм: Иранский журнал истории науки . 6 :1–36. - ^ Дэвис, Томас Стивенс (1850). «XXIV. Геометрия и геометры» (PDF) . Философский журнал . 3. 37 (249): 198–212. дои : 10.1080/14786445008646583 . Сноска на стр. 207–208 . Цитата: Богомольный, Александр (2010). «Возможно, первое доказательство совпадения высот» . Разрезать узел . Проверено 17 ноября 2019 г.
- ^ Сервуа, Франсуа-Жозеф (1804 г.). решения различных практических задач по геометрии ( Малоизвестные на французском языке). Дьяволи, Мец и Курсье. п. 15.
Гаусс, Карл Фридрих (1810). «Дополнения». Геометрия позиции . Карно, Лазар (на немецком языке). Перевод Шумахера. переиздано в Гаусс, Карл Фридрих (1873). «Дополнения» . Фабрики . Том 4. Геттингенская академия наук. п. 396.
Видеть Маккей, Джон Стерджен (1883). «Треугольник и шесть вписанных в него окружностей §5. Ортоцентр» . Труды Эдинбургского математического общества . 1 :60–96. дои : 10.1017/S0013091500036762 .
Ссылки [ править ]
- Альтшиллер-Корт, Натан (2007) [1952], Колледж геометрии , Дувр
- Береле, Аллан; Гольдман, Джерри (2001), Геометрия: теоремы и конструкции , Прентис Холл, ISBN 0-13-087121-4
- Богомольный, Александр . «Существование Ортоцентра» . Разрежьте узел . Проверено 17 декабря 2022 г.
- Джонсон, Роджер А. (2007) [1960], Расширенная евклидова геометрия , Дувр, ISBN 978-0-486-46237-0
- Смарт, Джеймс Р. (1998), Современная геометрия (5-е изд.), Брукс/Коул, ISBN 0-534-35188-3
Внешние ссылки [ править ]
- Вайсштейн, Эрик В. «Высота» . Математический мир .
- Ортоцентр треугольника С интерактивной анимацией
- Анимированная демонстрация построения ортоцентра Циркуль и линейка.
- «Проблема Фаньяно» , Джей Варендорф, Демонстрационный проект Вольфрама .