Центр треугольника
В геометрии или центр треугольника центр треугольника — это точка в , плоскости треугольника которая в некотором смысле находится в середине треугольника. Например, центроид , описанный центр , инцентр и ортоцентр были знакомы древним грекам и их можно получить путем простых построений .
Каждый из этих классических центров обладает тем свойством, что он инвариантен (точнее, эквивариантен ) относительно преобразований подобия . Другими словами, для любого треугольника и любого преобразования подобия (например вращения , отражения , , расширения или перемещения ) центр преобразованного треугольника является той же точкой, что и преобразованный центр исходного треугольника.Эта инвариантность является определяющим свойством центра треугольника. Это исключает другие хорошо известные точки, такие как точки Брокара , которые не инвариантны при отражении и поэтому не могут квалифицироваться как центры треугольников.
В равностороннем треугольнике все центры треугольника совпадают в его центроиде. Однако во всех остальных треугольниках центры треугольников обычно занимают разные положения друг от друга. Определения и свойства тысяч центров треугольников собраны в Энциклопедии центров треугольников .
История
[ редактировать ]Хотя древние греки открыли классические центры треугольника, они не сформулировали никакого определения центра треугольника. несколько особых точек, связанных с треугольником, таких как точка Ферма , девятиточечный центр , точка Лемуана , точка Жергонна и точка Фейербаха После древних греков было обнаружено .
Во время возрождения интереса к геометрии треугольника в 1980-х годах было замечено, что эти особые точки имеют некоторые общие свойства, которые теперь составляют основу для формального определения центра треугольника. [1] [2] Кларка Кимберлинга содержит Энциклопедия центров треугольников аннотированный список из более чем 50 000 центров треугольников. [3] Каждая запись в Энциклопедии центров треугольников обозначается или где — позиционный индекс записи. Например, центр тяжести треугольника является второй записью и обозначается или .
Формальное определение
[ редактировать ]f Действительная функция трех действительных переменных a, b, c может обладать следующими свойствами:
- Однородность: для некоторой постоянной n и для всех t > 0 .
- Бисимметрия по второй и третьей переменным:
Если ненулевое f обладает обоими этими свойствами, оно называется функцией центра треугольника. Если f — функция центра треугольника, а a, b, c — длины сторон опорного треугольника, то точка, трилинейные координаты которой равны называется центром треугольника.
Это определение гарантирует, что центры подобных треугольников соответствуют критериям инвариантности, указанным выше. По соглашению указывается только первая из трех трилинейных координат центра треугольника, поскольку две другие получаются циклической перестановкой a , b, c . Этот процесс известен как цикличность . [4] [5]
Каждая функция центра треугольника соответствует уникальному центру треугольника. Это соответствие не является биективным . Разные функции могут определять один и тот же центр треугольника. Например, функции и оба соответствуют центроиду.Две функции центра треугольника определяют один и тот же центр треугольника тогда и только тогда, когда их отношение является функцией, симметричной относительно a, b, c .
Даже если функция центра треугольника четко определена везде, то же самое нельзя всегда сказать о связанном с ней центре треугольника. Например, пусть быть 0, если и оба рациональны, а 1 в противном случае. Тогда для любого треугольника с целыми сторонами соответствующий центр треугольника оценивается как 0:0:0, что не определено.
Домен по умолчанию
[ редактировать ]В некоторых случаях эти функции не определены на всем Например, трилинейки X 365 , которые являются 365-й записью в Энциклопедии центров треугольников , поэтому a, b, c не могут быть отрицательными. Кроме того, чтобы представить стороны треугольника, они должны удовлетворять неравенству треугольника . каждой функции Таким образом, на практике область определения ограничена областью . где Эта область T является областью применения всех треугольников и областью по умолчанию для всех функций на основе треугольников.
Другие полезные домены
[ редактировать ]Существуют различные случаи, когда может быть желательно ограничить анализ областью меньшего размера, T. чем Например:
- Центры X 3 , X 4 , X 22 , X 24 , X 40 относятся конкретно к остроугольным треугольникам , а именно к той области Т , где
- При различении точки Ферма и X 13 важна область треугольников с углом, превышающим 2π/3; другими словами, треугольники, для которых верно любое из следующих условий:
- Область, имеющая большую практическую ценность, поскольку она плотна в T , но исключает все тривиальные треугольники (т.е. точки) и вырожденные треугольники (т.е. прямые), представляет собой множество всех разносторонних треугольников. получают удалением плоскостей b = c , c = a , a = b из T. Его
Симметрия домена
[ редактировать ]Не каждое подмножество D ⊆ T является жизнеспособной областью. Чтобы поддерживать тест на бисимметрию, D должен быть симметричен относительно плоскостей b = c , c = a , a = b . Чтобы поддерживать цикличность, он также должен быть инвариантным относительно поворотов на 2π/3 вокруг прямой a = b = c . Самая простая область — это линия ( t , t , t ), которая соответствует множеству всех равносторонних треугольников .
Примеры
[ редактировать ]Вокруг центра
[ редактировать ]Точка совпадения серединных перпендикуляров сторон треугольника △ ABC является центром описанной окружности. Трилинейные координаты центра описанной окружности:
Позволять Можно показать, что f однороден: а также бисимметричный: поэтому f — функция центра треугольника. Поскольку соответствующий центр треугольника имеет те же трилинейки, что и центр описанной окружности, из этого следует, что центр описанной окружности является центром треугольника.
1-й изогонический центр
[ редактировать ]Пусть △ A'BC - равносторонний треугольник, имеющий основание BC и вершину A' на отрицательной стороне BC , и пусть △ AB'C и △ ABC' - равносторонние треугольники, построенные аналогичным образом на основе двух других сторон треугольника △ ABC . Тогда прямые AA', BB', CC' совпадают и точка совпадения является 1-м изогональным центром. Его трилинейные координаты:
Выразив эти координаты через a, b, c , можно убедиться, что они действительно удовлетворяют определяющим свойствам координат центра треугольника. Следовательно, 1-й изогонический центр также является центром треугольника.
Точка Ферма
[ редактировать ]Позволять
Тогда f бисимметрична и однородна, поэтому является функцией центра треугольника. При этом соответствующий центр треугольника совпадает с вершиной тупого угла, если любой угол вершины превышает 2π/3, и с 1-м центром изогоны в противном случае. Следовательно, этот центр треугольника есть не что иное, как точка Ферма .
Непримеры
[ редактировать ]Брокарские швы
[ редактировать ]Трилинейные координаты первой точки Брокара: Эти координаты удовлетворяют свойствам однородности и цикличности, но не бисимметрии. Таким образом, первая точка Брокара (вообще) не является центром треугольника. Вторая точка Брокара имеет трилинейные координаты: и аналогичные замечания применимы.
Первая и вторая точки Брокара являются одной из многих бицентрических пар точек. [6] пары точек, определенные из треугольника, со свойством, что пара (но не каждая отдельная точка) сохраняется при подобии треугольника. Некоторые бинарные операции, такие как средняя точка и трилинейное произведение, при применении к двум точкам Брокара, а также к другим бицентрическим парам, создают центры треугольников.
Некоторые известные центры треугольников
[ редактировать ]Классические центры треугольников
[ редактировать ]ссылка на ETC; Имя; Символ | Трилинейные координаты | Описание | ||
---|---|---|---|---|
х 1 | Инцентр | я | Пересечение биссектрис угла . Центр вписанной в треугольник окружности . | |
х 2 | центроид | Г | Пересечение медиан . Центр масс однородной треугольной пластинки . | |
х 3 | Вокруг центра | ТО | Пересечение серединных перпендикуляров сторон. треугольника Центр описанной окружности . | |
х 4 | Ортоцентр | ЧАС | Пересечение высот . | |
х 5 | Девятиочковый центр | Н | Центр круга, проходящий через середину каждой стороны, основание каждой высоты и середину между ортоцентром и каждой вершиной. | |
х 6 | Симмедианная точка | К | Пересечение симмедиан – отражение каждой медианы относительно соответствующей биссектрисы угла. | |
х 7 | точка Жергонна | Г е | Пересечение линий, соединяющих каждую вершину с точкой, где вписанная окружность касается противоположной стороны. | |
х 8 | точка Нагеля | Н а | Пересечение линий, соединяющих каждую вершину с точкой, где вписанная окружность касается противоположной стороны. | |
х 9 | центральная точка | М | Симмедианная точка внецентрального треугольника (и различные эквивалентные определения). | |
х 10 | Шпикер центр | С п | Инцентр медиального треугольника. Центр масс однородного треугольного каркаса. | |
х 11 | точка Фейербаха | Ф | Точка, в которой девятиточечная окружность касается вписанной окружности. | |
х 13 | Точка Ферма | Х | [а] | Точка, представляющая собой наименьшую возможную сумму расстояний от вершин. |
х 15 х 16 | Изодинамические точки | С С ′ | Центры инверсии , превращающие треугольник в равносторонний. | |
х 17 х 18 | очки Наполеона | Н Н ' | Пересечение линий, соединяющих каждую вершину с центром равностороннего треугольника, направленного наружу (первая точка Наполеона) или внутрь (вторая точка Наполеона), установленного на противоположной стороне. | |
х 99 | Точка Штайнера | С | Различные эквивалентные определения. |
Недавние центры треугольников
[ редактировать ]В следующей таблице более поздних центров треугольников не упоминается никаких конкретных обозначений для различных точек.Также для каждого центра указывается только первая трилинейная координата f(a,b,c). Остальные координаты можно легко получить, используя свойство цикличности трилинейных координат.
ссылка на ETC; Имя | Функция центра | Год описания | |
---|---|---|---|
х 21 | точка Шиффлера | 1985 | |
х 22 | Эксетер-Пойнт | 1986 | |
х 111 | Точка парирования | начало 1990-х | |
х 173 | Конгруэнтная точка изоселизатора | 1989 | |
х 174 | Yff центр конгруэнтности | 1987 | |
х 175 | Изопериметрическая точка | 1985 | |
х 179 | Первая точка Аджима-Малфатти | ||
х 181 | точка Аполлония | 1987 | |
х 192 | Равные параллели точки | 1961 | |
х 356 | Морли центр | 1978 [7] | |
х 360 | Хофштадтер нулевая точка | 1992 |
Общие классы центров треугольников
[ редактировать ]Кимберлинг центр
[ редактировать ]В честь Кларка Кимберлинга, создавшего онлайн-энциклопедию более чем 32 000 центров треугольников, центры треугольников, перечисленные в энциклопедии, называются центрами Кимберлинга . [8]
Центр полиномиального треугольника
[ редактировать ]Центр треугольника P называется полиномиальным центром треугольника , если трилинейные координаты P могут быть выражены в виде многочленов от a, b, c .
Центр правильного треугольника
[ редактировать ]Центр треугольника P называется точкой правильного треугольника , если трилинейные координаты P можно выразить в виде многочленов от △, a , b , c , где △ — площадь треугольника.
Центр большого треугольника
[ редактировать ]Центр треугольника P называется главным центром треугольника , если трилинейные координаты P можно выразить в виде где является функцией только угла X и не зависит ни от других углов, ни от длин сторон. [9]
Трансцендентальный центр треугольника
[ редактировать ]Центр треугольника P называется трансцендентным центром треугольника , если P не имеет трилинейного представления с использованием только алгебраических функций от a, b, c .
Разнообразный
[ редактировать ]Равнобедренные и равносторонние треугольники
[ редактировать ]Пусть f — функция центра треугольника. Если две стороны треугольника равны (скажем, a = b ), то поэтому две компоненты соответствующего центра треугольника всегда равны. Следовательно, все центры треугольников равнобедренного треугольника должны лежать на его оси симметрии . В равностороннем треугольнике все три компонента равны, поэтому все центры совпадают с центроидом. Итак, как и круг, равносторонний треугольник имеет единственный центр.
Эксцентры
[ редактировать ]Позволять
Легко видеть, что это функция центра треугольника, и (при условии, что треугольник разносторонний) соответствующий центр треугольника является эксцентром, противоположным наибольшему углу при вершине. Два других эксцентра можно выделить по аналогичным функциям. Однако, как указано выше, только один из эксцентров равнобедренного треугольника и ни один из эксцентров равностороннего треугольника никогда не может быть центром треугольника.
Биантисимметричные функции
[ редактировать ]Функция f является биоантисимметричной, если Если такая функция также ненулевая и однородная, то легко видеть, что отображение является функцией центра треугольника. Соответствующий центр треугольника В связи с этим в определение функции центра треугольника иногда включают ненулевые однородные биантисимметрические функции.
Новые центры из старых
[ редактировать ]Любую функцию центра треугольника f можно нормализовать , умножив ее на симметричную функцию a, b, c так, чтобы n = 0 . Нормализованная функция центра треугольника имеет тот же центр треугольника, что и исходная, а также более сильное свойство, которое Вместе с нулевой функцией нормированные функции центра треугольника образуют алгебру при сложении, вычитании и умножении. Это дает простой способ создания новых центров треугольников. Однако разные нормализованные функции центра треугольника часто определяют один и тот же центр треугольника, например f и
Неинтересные центры
[ редактировать ]Предположим, что a, b, c — вещественные переменные, и пусть α, β, γ — любые три действительные константы. Позволять
Тогда f — функция центра треугольника, а α : β : γ — соответствующий центр треугольника всякий раз, когда стороны опорного треугольника помечены так, что a < b < c . Таким образом, каждая точка потенциально является центром треугольника. Однако подавляющее большинство центров треугольников малоинтересны, как малоинтересны и большинство непрерывных функций.
Барицентрические координаты
[ редактировать ]Если f является функцией центра треугольника, то то же самое относится и к f , а соответствующий центр треугольника равен Поскольку это именно барицентрические координаты центра треугольника, соответствующего f, из этого следует, что центры треугольников с таким же успехом могли быть определены в терминах барицентриков, а не трилинейников. На практике переключиться с одной системы координат на другую несложно.
Двоичные системы
[ редактировать ]Помимо точки Ферма и первого изогонического центра, существуют и другие пары центров. Другая система образована Х 3 и центром касательного треугольника. Рассмотрим функцию центра треугольника, определяемую формулой:
Для соответствующего центра треугольника есть четыре различных возможности: Обратите внимание, что первый также является центром описанной окружности.
Обычный расчет показывает, что в каждом случае эти трилинейные линии представляют собой центр касательного треугольника. Итак, эта точка является центром треугольника, который является близким спутником центра описанной окружности.
Бисимметрия и инвариантность
[ редактировать ]Отражение треугольника меняет порядок его сторон на противоположный. На изображении координаты относятся к треугольнику ( c , b , a ) и (с использованием «|» в качестве разделителя) к отражению произвольной точки. является Если f - функция центра треугольника, отражение его центра треугольника равно что по бисимметрии совпадает с Поскольку это также центр треугольника, соответствующий f относительно треугольника ( c , b , a ) , бисимметрия гарантирует, что все центры треугольника инвариантны при отражении. Поскольку вращения и перемещения можно рассматривать как двойные отражения, они также должны сохранять центры треугольников. Эти свойства инвариантности обеспечивают обоснование такого определения.
Альтернативная терминология
[ редактировать ]Некоторые другие названия расширения — равномерное масштабирование , изотропное масштабирование , гомотетия и гомотетия .
Неевклидова и другие геометрии
[ редактировать ]Изучение центров треугольников традиционно связано с евклидовой геометрией , но центры треугольников также можно изучать в неевклидовой геометрии . [10] Центры треугольников, имеющие одинаковую форму как для евклидовой, так и для гиперболической геометрии, можно выразить с помощью гиротригонометрии . [11] [12] [13] В неевклидовой геометрии необходимо отказаться от предположения, что сумма внутренних углов треугольника равна 180 градусам.
Центры тетраэдров более высокой размерности или симплексов также могут быть определены по аналогии с двумерными треугольниками. [13]
Некоторые центры можно расширить до многоугольников с более чем тремя сторонами. многоугольника . Например, центроид можно найти для любого Некоторые исследования были проведены в центрах многоугольников, имеющих более трех сторон. [14] [15]
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ на самом деле 1-й изогонический центр, но также и точка Ферма всякий раз, когда A , B , C ≤ 2π/3
- ^ Кимберлинг, Кларк . «Центры треугольников» . Проверено 23 мая 2009 г.
В отличие от квадратов и кругов, треугольники имеют много центров. Древние греки нашли четыре: инцентр, центроид, описанный центр и ортоцентр. Пятый центр, обнаруженный гораздо позже, — это точка Ферма. После этого в литературу были добавлены точки, которые теперь называются центром девяти точек, симмедианной точкой, точкой Жергонна и точкой Фейербаха. В 1980-х годах было замечено, что эти особые точки имеют некоторые общие свойства, которые теперь составляют основу формального определения центра треугольника.
- ^ Кимберлинг, Кларк (11 апреля 2018 г.) [1994]. «Центральные точки и центральные линии в плоскости треугольника». Журнал «Математика» . 67 (3): 163–187. дои : 10.2307/2690608 . JSTOR 2690608 .
- ^ Кимберлинг, Кларк . «Это ЧАСТЬ 26: Центры X(50001) – X(52000)» . Энциклопедия центров треугольников . Проверено 17 июня 2022 г.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Центр Треугольник» . MathWorld – веб-ресурс Wolfram . Проверено 25 мая 2009 г.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Функция центра треугольника» . MathWorld – веб-ресурс Wolfram . Проверено 1 июля 2009 г.
- ^ Бицентрические пары точек , Энциклопедия центров треугольников, по состоянию на 2 мая 2012 г.
- ^ Окли, Клетус О.; Бейкер, Жюстин К. (ноябрь 1978 г.). «Теорема Морли о трисекторе» . Американский математический ежемесячник . 85 (9): 737–745. дои : 10.1080/00029890.1978.11994688 . ISSN 0002-9890 .
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Кимберлинг-центр» . MathWorld – веб-ресурс Wolfram . Проверено 25 мая 2009 г.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Центр большого треугольника» . MathWorld – веб-ресурс Wolfram . Проверено 25 мая 2009 г.
- ^ Рассел, Роберт А. (18 апреля 2019 г.). «Центры неевклидовых треугольников». arXiv : 1608.08190 [ math.MG ].
- ^ Унгар, Авраам А. (2009). «Гиперболические барицентрические координаты» (PDF) . Австралийский журнал математического анализа и приложений . 6 (1): 1–35. , статья №18
- ^ Унгар, Авраам А. (2010). Центры гиперболического треугольника: специальный релятивистский подход . Дордрехт: Спрингер. ISBN 978-90-481-8637-2 . OCLC 663096629 .
- ^ Jump up to: а б Унгар, Авраам Альберт (август 2010 г.). Барицентрическое исчисление в евклидовой и гиперболической геометрии . МИРОВАЯ НАУЧНАЯ. дои : 10.1142/7740 . ISBN 978-981-4304-93-1 .
- ^ Аль-Шариф, Абдулла; Хаджа, Моваффак; Красопулос, Панайотис Т. (ноябрь 2009 г.). «Совпадения центров плоских четырехугольников» . Результаты по математике . 55 (3–4): 231–247. дои : 10.1007/s00025-009-0417-6 . ISSN 1422-6383 . S2CID 122725235 .
- ^ Прието-Мартинес, Луис Фелипе; Санчес-Коус, Ракель (2 апреля 2021 г.). «Обобщение концепции Кимберлинга о центре треугольника для других многоугольников» . Результаты по математике . 76 (2): 81. arXiv : 2004.01677 . дои : 10.1007/s00025-021-01388-4 . ISSN 1420-9012 . S2CID 214795185 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Манфред Эверс, О центрах и центральных линиях треугольников в эллиптической плоскости.
- Манфред Эверс, О геометрии треугольника в эллиптической и расширенной гиперболической плоскости.
- Кларк Кимберлинг , Центры треугольника из Университета Эвансвилля
- Эд Пегг, Треугольные центры в 2D, 3D, сферическом и гиперболическом пространстве от Wolfram Research .
- Пол Ю, «Экскурсия по геометрии треугольника» Флориды , Атлантический университет .