Inskriven fyrhörning

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 19 september 2022; kontroller kräver 9 redigeringar .

En inskriven fyrhörning är en fyrhörning vars hörn ligger på samma cirkel . Denna cirkel kallas omskriven . Man brukar anta att fyrhörningen är konvex , men det finns också självkorsande inskrivna fyrhörningar. Formlerna och egenskaperna nedan är endast giltiga för konvexa fyrhörningar.

Alla trianglar har omskrivna cirklar , men inte alla fyrhörningar. Ett exempel på en fyrhörning som inte kan skrivas in i en cirkel är en romb (om det inte är en kvadrat). Avsnittet "Egenskaper" nedan ger de nödvändiga och tillräckliga förutsättningarna för att en cirkel ska kunna omskrivas runt en fyrhörning.

Särskilda tillfällen

Alla kvadrater , rektanglar , likbenta trapezoider eller antiparallelogram kan inskrivas i en cirkel. En deltoid kan inskrivas om och endast om den har två räta vinklar. En bicentrisk fyrhörning är en cyklisk fyrhörning som också är en omskriven fyrhörning, och en externt bicentrisk fyrhörning är en cyklisk fyrhörning som också är en externt avgränsad .

Egenskaper

.

Skärningspunkten E kan ligga både innanför och utanför cirkeln. I det första fallet kommer det att vara den inskrivna fyrhörningen ABCD , och i det andra fallet kommer det att vara den inskrivna fyrhörningen ABDC . Om skärningspunkten ligger innanför betyder likhet att produkten av segmenten som punkten E delar en diagonal i är lika med produkten av segmenten i den andra diagonalen. Detta uttalande är känt som korsande ackordssatsen , eftersom diagonalerna på en inskriven fyrhörning är ackorden i den omskrivna cirkeln.

.


(1) är en cyklisk fyrhörning om och endast om punkterna och är kolinjära med cirkelns centrum . [10] [11] (2) är en cyklisk fyrhörning om och endast om punkterna och är mittpunkterna på sidorna och . [10] [11] .

Område

Arean S av en inskriven fyrhörning med sidorna a , b , c , d ges av Brahmagupta-formeln [14]

där p , halvperimetern , är . Påståendet är en konsekvens av Bretschneiders relation , eftersom motsatta vinklar summerar till 180°. Om d \u003d 0 blir den inskrivna fyrhörningen en triangel, och likhet förvandlas till Herons formel .

En inskriven fyrhörning har den maximala arean bland alla fyrhörningar med samma sekvens av sidolängder. Detta är en annan konsekvens av Bretschneider-relationen. Påståendet kan bevisas med hjälp av matematisk analys [15] .

Fyra ojämna längder, som var och en är mindre än summan av de andra tre, är sidorna av tre inkongruenta inskrivna fyrhörningar [16] , och enligt Brahmaguptas formel har alla dessa trianglar samma area. Speciellt för sidorna a , b , c och d , kan sida a vara motsatsen till endera sidan b , c eller d . Alla två av dessa tre inskrivna fyrkanter har en diagonal av samma längd [17] .

Arean av en inskriven fyrhörning med på varandra följande sidor a , b , c , d och vinkel B mellan sidorna a och b kan uttryckas med formeln [5]

eller [18]

där θ är valfri vinkel mellan diagonalerna. Om vinkel A inte är rätt kan arean uttryckas med formeln [18]

En annan areaformel [19]

där R är radien för den omskrivna cirkeln . Den direkta konsekvensen blir [20]

,

och olikhet förvandlas till likhet om och endast om fyrhörningen är en kvadrat.

Diagonaler

I en inskriven fyrhörning med hörn A , B , C , D (i den angivna sekvensen) och sidorna a = AB , b = BC , c = CD och d = DA , kan längderna på diagonalerna p = AC och q = BD uttryckas i termer av sidorna [21] [22] [17]

och

vilket ger den ptolemaiska ekvationen


Enligt Ptolemaios andra sats [21] [22] ,

med samma notation som tidigare.

För summan av diagonaler har vi olikheten [23]

En olikhet blir en likhet om och endast om diagonalerna är lika långa, vilket kan visas med hjälp av olikheten mellan det aritmetiska medelvärdet och det geometriska medelvärdet .

Dessutom [24] ,

I en konvex fyrhörning delar två diagonaler upp fyrhörningen i fyra trianglar. I en inskriven fyrhörning är motsatta par av dessa fyra trianglar lika .

Om M och N är mittpunkterna för diagonalerna AC och BD , då [25]

där E och F är skärningspunkterna för motsatta sidor.

Om ABCD är en inskriven fyrhörning och AC skär BD i en punkt P , då [26]

Vinkelformler

För en inskriven fyrhörning med sidorna a , b , c , d , semiperimeter p och vinkel A mellan sidorna a och d , är de trigonometriska funktionerna för vinkel A [27]

För vinkeln θ mellan diagonalerna, [18]

Om förlängningarna av motsatta sidor a och c skär i en vinkel , då

där p är halvperimetern [28]

Formel för Parameshvara

För en inskriven fyrhörning med sidorna a , b , c , d (i den angivna sekvensen) och semiperimeter p , ges radien för den omskrivna cirkeln av formeln [22] [29]

Formeln utvecklades av den indiske matematikern Vatasseri Paramesvara på 1400-talet.

Med hjälp av Brahmaguptas formel kan Parameswaras formel konverteras till

,

där S är arean av den inskrivna fyrhörningen.

Anticenter och kollinearitet

Fyra linjesegment som är vinkelräta mot ena sidan av den inskrivna fyrhörningen och som går genom mittpunkten på den motsatta sidan skär varandra vid en punkt [30] [31] . Denna skärningspunkt kallas anticentrum . Anticentret är symmetriskt till mitten av den omskrivna cirkeln med avseende på "vertexcentroiden" . Sålunda, i en inskriven fyrhörning, ligger mitten av den omskrivna cirkeln, "vertexcentroiden" och anticentrum på samma räta linje [31] .

Om diagonalerna för en inskriven fyrhörning skär i punkten P och diagonalernas mittpunkter är V och W , så är fyrhörningens anticentrum ortoscentrum för triangeln VWP , och vertexcentroiden är i mitten av segmentet som förbinder diagonalernas mittpunkter [31] .

I en inskriven fyrhörning ligger "områdets tyngdpunkt" G a , "centrumpunkten" G v och skärningspunkten P för diagonalerna på samma räta linje. Avstånden mellan dessa punkter uppfyller jämställdheten [32]

Andra egenskaper

Quadrangles of Brahmagupta

Brahmagupta-fyrhörningen [37] är en inskriven fyrhörning med heltalssidalängder, heltalsdiagonala längder och heltalsarea. Alla Brahmagupta-fyrkanter med sidorna a, b, c, d , diagonalerna e, f , area S och radien R i den omskrivna cirkeln kan erhållas genom att ta bort nämnaren i följande uttryck (med rationella parametrar t , u och v ):

Egenskaper för ortodiagonala inskrivna fyrhörningar

Area och radie för den omskrivna cirkeln

Låt oss för en inskriven fyrhörning, som också är ortodiagonal (d.v.s. har vinkelräta diagonaler), skärningen av diagonalerna delar en diagonal i segment med längden p 1 och p 2 , och delar den andra i segment med längden q 1 och q 2 . Sedan [38] (den första likheten är Proposition 11 i Archimedes ' Lemmas )

,

där D är diametern på den omskrivna cirkeln . Jämlikhet gäller på grund av att diagonalerna är vinkelräta ackord i cirkeln . Detta innebär att radien för den omskrivna cirkeln R uppfyller likheten

eller genom sidorna av fyrhörningen

Av detta följer också att

Således, enligt Eulers formel , kan radien uttryckas i termer av diagonalerna p och q och avståndet x mellan diagonalernas mittpunkter

Formeln för arean K för en inskriven ortodiagonal fyrhörning kan erhållas direkt i termer av sidorna genom att kombinera Ptolemaios sats (se ovan) och formeln för arean av en ortodiagonal fyrhörning. Som ett resultat får vi

Andra egenskaper

Se även

Anteckningar

  1. Usiskin, 2008 , sid. 63–65, kapitel 10. Cykliska fyrhörningar.
  2. Usiskin, 2008 , sid. 63–65.
  3. Joyce, 1997 , sid. Bok 3, proposition 22.
  4. 1 2 Andreescu, Enescu, 2004 , sid. 2.3 Cykliska fyrhjulingar.
  5. 1 2 Durell, Robson, 2003 , sid. 25.
  6. Bradley, 2007 , sid. 179.
  7. Hajja, 2008 , sid. 103–6.
  8. Fraivert, David. Nya punkter som hör till niopunktscirkeln  //  The Mathematical Gazette : journal. - 2019. - Juli ( vol. 103 , nr 557 ). - S. 222-232 . - doi : 10.1017/mag.2019.53 .
  9. Fraivert, David. Nya tillämpningar av metoden för komplexa tal i geometrin för cykliska fyrhörningar  (engelska)  // International Journal of Geometry : journal. - 2018. - Vol. 7 , nr. 1 . - S. 5-16 .
  10. 1 2 3 Fraivert, David; Sigler, Avi & Stupel, Moshe (2020), Nödvändiga och tillräckliga egenskaper för en cyklisk quadrilateral , International Journal of Mathematical Education in Science and Technology , < https://doi.org/10.1080/0020739X.2019.1683772 > Arkiverad 10 juni 2020 kl. Wayback- maskinen 
  11. 1 2 Freivert, D. M. (2019), A New Topic in Euclidean Geometry on the Plane: Theory of "Pascal Points" Formed by a Circle on the Sides of a Quadrilateral , Mathematical Education: State of the Art and Perspectives: Proceedings of the International Scientific Conference , < http ://libr.msu.by/handle/123456789/9675 > Arkiverad 10 november 2019 på Wayback Machine 
  12. Se underavsnittet "Diagonaler" i artikeln " Inskriven fyrhörning "
  13. Johnson, Roger A., ​​Advanced Euclidean Geometry , Dover Publ. co., 2007
  14. Durell och Robson 2003 , sid. 24.
  15. Peter, 2003 , sid. 315–6.
  16. 1 2 Coxeter, Greitzer, 1967 , sid. 57, 60.
  17. 12 Johnson , 2007 , sid. 84.
  18. 1 2 3 Durell och Robson, 2003 , sid. 26.
  19. Prasolov, 2006 , sid. 86, uppgift 4.44.
  20. Alsina, Nelsen, 2009 , sid. 64.
  21. 1 2 Durell, Robson, 2003 , sid. 25,.
  22. 1 2 3 Alsina, Nelsen, 2007 , sid. 147–9.
  23. Crux, 2007 , sid. 123, #2975.
  24. Crux, 2007 , sid. 64, #1639.
  25. ABCD är en cyklisk fyrhörning. Låt M , N vara mittpunkterna för diagonalerna AC , BD respektive... . Konsten att lösa problem (2010).
  26. A. Bogomolny, An Identity in (Cyclic) Quadrilaterals, Interactive Mathematics Miscellany and Puzzles , [1] Arkiverad 28 maj 2019 på Wayback Machine , tillgänglig 18 mars 2014.
  27. Siddons, Hughes, 1929 , sid. 202.
  28. Durell och Robson 2003 , sid. 31.
  29. Hoehn, 2000 , sid. 69–70.
  30. Altshiller-Court, 2007 , sid. 131.
  31. 1 2 3 Honsberger, 1995 , sid. 35–39, 4.2 Cykliska fyrhörningar.
  32. Bradley, 2011 .
  33. Anmärkningsvärda punkter och linjer av fyrkanter// https://math.mosolymp.ru/upload/files/2018/khamovniki/geom-10/2018-04-17-Zam_pr_ch-ka.pdf
  34. Monges teorem// https://bambookes.ru/stuff/reshenie_zadach/geometrija/4-1-0-8264
  35. Runt problemet med Arkimedes. Arkiverad 29 april 2016 på Wayback Machine 7, fig. 11, följd, sid. 5
  36. Buchholz, MacDougall, 1999 , sid. 263–9.
  37. Sastry, 2002 , sid. 167–173.
  38. Posamentier, Salkind, 1970 , sid. 104–5.
  39. 1 2 3 4 Altshiller-Court, 2007 , sid. 131,137-8.

Litteratur

Externa länkar