Высота (треугольник)

Три высоты треугольника пересекаются в ортоцентре, который для остроугольного треугольника находится внутри треугольника.

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.

Высоту принято обозначать буквой h (как и высота ), к которой часто добавляется название стороны, к которой относится высота.

Высота прямоугольного треугольника от его прямого угла до гипотенузы есть среднее геометрическое длин отрезков, на которые разбита гипотенуза. Используя теорему Пифагора о 3 треугольниках со сторонами ( p + q , r , s ) , ( r , p , h ) и ( s , h , q ) ,

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

( Теорема о среднем геометрическом ; см. Особые случаи , обратная теорема Пифагора )
В прямоугольном треугольнике высота каждого острого угла совпадает с катетом и пересекает противоположную сторону (основание находится в) вершине прямоугольного угла, которая является ортоцентром.

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 высоты, пересекающиеся в ортоцентре

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]

и барицентрические координаты

Поскольку все барицентрические координаты положительны для точки внутри треугольника, но по крайней мере одна отрицательна для точки снаружи, а две из барицентрических координат 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 посредством 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 вершины к длине высоты равна 2: [9]

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 ]

Треугольник abc (соответственно DEF в тексте) является ортогональным треугольником ABC.

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 ортический и касательный треугольники лежат на прямой Эйлера . [20] : с. 447

Трилинейные координаты вершин касательного треугольника имеют вид

Опорный треугольник и его ортогональный треугольник являются ортологическими треугольниками .

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 стороне а ).

Заменяя 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 ]

Сравнение обратной теоремы Пифагора с теоремой Пифагора

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 арабский язык 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 ]

  1. ^ Смарт 1998 , с. 156
  2. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Berele & Goldman 2001 , p. 118
  3. ^ Энциклопедия центров треугольников Кларка Кимберлинга «Энциклопедия центров треугольников» . Архивировано из оригинала 19 апреля 2012 г. Проверено 19 апреля 2012 г.
  4. ^ Андрееску, Титу; Андрика, Дорин , «Комплексные числа от А до...Я». Биркхойзер, Бостон, 2006 г., ISBN   978-0-8176-4326-3 , стр. 90, предложение 3
  5. ^ 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
  6. ^ Джонсон 2007 , с. 163, статья 255
  7. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б " "Ортоцентр треугольника" " . Архивировано из оригинала 5 июля 2012 г. Проверено 4 мая 2012 г.
  8. ^ Джонсон 2007 , с. 176, статья 278
  9. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Панапои, Ронначай, «Некоторые свойства ортоцентра треугольника» , Университет Джорджии .
  10. ^ Смарт 1998 , с. 182
  11. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Изотомное сопряжение» Из MathWorld - веб-ресурса Wolfram. http://mathworld.wolfram.com/IsotomicConjugate.html
  12. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Ортоцентр». Из MathWorld — веб-ресурса Wolfram.
  13. ^ Альтшиллер-Суд 2007 , с. 102
  14. ^ Белл, Эми, «Теорема Хансена о прямоугольном треугольнике, ее обращение и обобщение», Forum Geometricorum 6, 2006, 335–342.
  15. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Парабола Киперта». Из MathWorld — веб-ресурса Wolfram. http://mathworld.wolfram.com/KiepertParabola.html
  16. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Джерабек Гипербола». Из MathWorld — веб-ресурса Wolfram. http://mathworld.wolfram.com/JerabekHyperbola.html
  17. ^ Berele & Goldman 2001 , p. 123
  18. ^ Berele & Goldman 2001 , pp. 124-126
  19. ^ 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
  20. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Смит, Джефф, и Леверша, Джерри, «Эйлер и геометрия треугольника», Mathematical Gazette 91, ноябрь 2007 г., стр. 436–452.
  21. ^ Jump up to: 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.
  22. ^ Джонсон 2007 , с. 199, статья 315
  23. ^ Альтшиллер-Суд 2007 , с. 165
  24. ^ Джонсон 2007 , с. 168, статья 264
  25. ^ Berele & Goldman 2001 , pp. 120-122
  26. ^ Джонсон 2007 , с. 172, раздел 270с
  27. ^ Брайант В. и Брэдли Х., «Треугольные световые маршруты», Mathematical Gazette 82, июль 1998 г., 298–299.
  28. ^ Кей, Дэвид К. (1993), Геометрия колледжа / Подход к открытиям , HarperCollins, стр. 6, ISBN  0-06-500006-4
  29. ^ 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
  30. ^ Джонсон 2007 , с. 71, статья 101а
  31. ^ Джонсон 2007 , с. 74, раздел 103в
  32. ^ Митчелл, Дуглас В., «Формула типа Герона для обратной площади треугольника», Mathematical Gazette 89, ноябрь 2005 г., 494.
  33. ^ Альфред С. Посаментье и Чарльз Т. Салкинд, «Сложные проблемы геометрии» , Dover Publishing Co., второе исправленное издание, 1996 г.
  34. ^ Митчелл, Дуглас В., «Формула типа Герона для обратной площади треугольника», Mathematical Gazette 89 (ноябрь 2005 г.), 494.
  35. ^ Воулс, Роджер, "Целочисленные решения », « Математический вестник» 83, июль 1999 г., стр. 269–271.
  36. ^ Ричиник, Дженнифер, «Перевернутая теорема Пифагора», Mathematical Gazette 92, июль 2008 г., 313–317.
  37. ^ Jump up to: 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.
  38. ^ 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.
  39. ^ 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.
  40. ^ 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 ]

Внешние ссылки [ править ]