Patrulaterul înscris

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 19 septembrie 2022; verificările necesită 9 modificări .

Un patrulater înscris este un patrulater ale cărui vârfuri se află pe același cerc . Acest cerc se numește circumscris . De obicei, se presupune că patrulaterul este convex , dar există și patrulatere înscrise cu auto-intersectare. Formulele și proprietățile prezentate mai jos sunt valabile numai pentru patrulaterele convexe.

Toate triunghiurile au cercuri circumscrise , dar nu toate patrulaterele. Un exemplu de patrulater care nu poate fi înscris într-un cerc este un romb (cu excepția cazului în care este un pătrat). Secțiunea „Proprietăți” de mai jos oferă condițiile necesare și suficiente pentru ca un cerc să fie circumscris în jurul unui patrulater.

Ocazii speciale

Orice pătrate , dreptunghiuri , trapeze isoscele sau antiparalelograme pot fi înscrise într-un cerc. Un deltoid poate fi înscris dacă și numai dacă are două unghiuri drepte. Un patrulater bicentric un patrulater ciclic care este și un patrulater circumscris , iar un patrulater bicentric extern este un patrulater ciclic care este și un patrulater circumscris extern .

Proprietăți

.

Punctul de intersecție E poate fi situat atât în ​​interiorul cât și în afara cercului. În primul caz va fi patrulaterul înscris ABCD , iar în al doilea caz va fi patrulaterul înscris ABDC . Dacă intersecția se află în interior, egalitatea înseamnă că produsul segmentelor în care punctul E împarte o diagonală este egal cu produsul segmentelor celeilalte diagonale. Această afirmație este cunoscută sub numele de teorema acordurilor care se intersectează , deoarece diagonalele unui patrulater înscris sunt acordurile cercului circumscris.

.


(1) este un patrulater ciclic dacă și numai dacă punctele și sunt coliniare cu centrul cercului . [10] [11] (2) este un patrulater ciclic dacă și numai dacă punctele și sunt punctele mijlocii ale laturilor și . [10] [11] .

Zona

Aria S a unui patrulater înscris cu laturile a , b , c , d este dată de formula Brahmagupta [14]

unde p , semiperimetrul , este . Afirmația este o consecință a relației lui Bretschneider , deoarece unghiurile opuse însumează 180°. Dacă d \u003d 0, patrulaterul înscris devine un triunghi, iar egalitatea se transformă în formula lui Heron .

Un patrulater înscris are aria maximă dintre toate patrulaterele cu aceeași succesiune de lungimi laturi. Aceasta este o altă consecință a relației Bretschneider. Afirmația poate fi demonstrată folosind analiza matematică [15] .

Patru lungimi inegale, fiecare dintre ele mai mică decât suma celorlalte trei, sunt laturile a trei patrulatere înscrise incongruente [16] , iar conform formulei lui Brahmagupta, toate aceste triunghiuri au aceeași arie. În special, pentru laturile a , b , c și d , latura a poate fi opusă oricărei laturi b , c sau d . Oricare două dintre aceste trei patruunghiuri înscrise au o diagonală de aceeași lungime [17] .

Aria unui patrulater înscris cu laturile succesive a , b , c , d și unghiul B dintre laturile a și b poate fi exprimată prin formula [5]

sau [18]

unde θ este orice unghi dintre diagonale. Dacă unghiul A nu este corect, aria poate fi exprimată prin formula [18]

O altă formulă de zonă [19]

unde R este raza cercului circumscris . Consecința directă va fi [20]

,

iar inegalitatea se transformă în egalitate dacă și numai dacă patrulaterul este pătrat.

Diagonale

Într-un patrulater înscris cu vârfurile A , B , C , D (în succesiunea indicată) și laturile a = AB , b = BC , c = CD și d = DA , lungimile diagonalelor p = AC și q = BD pot să fie exprimat în termeni de laturi [21] [22] [17]

și

care dă ecuaţia ptolemaică


Conform celei de-a doua teoreme a lui Ptolemeu [21] [22] ,

cu aceeași notație ca înainte.

Pentru suma diagonalelor, avem inegalitatea [23]

O inegalitate devine o egalitate dacă și numai dacă diagonalele au aceeași lungime, ceea ce poate fi arătat folosind inegalitatea dintre media aritmetică și media geometrică .

Mai mult [24] ,

În orice patrulater convex, două diagonale împart patrulaterul în patru triunghiuri. Într-un patrulater înscris, perechile opuse ale acestor patru triunghiuri sunt similare .

Dacă M și N sunt punctele medii ale diagonalelor AC și BD , atunci [25]

unde E și F sunt punctele de intersecție ale laturilor opuse.

Dacă ABCD este un patrulater înscris și AC intersectează BD într-un punct P , atunci [26]

Formule de unghi

Pentru un patrulater înscris cu laturile a , b , c , d , semiperimetrul p și unghiul A între laturile a și d , funcțiile trigonometrice ale unghiului A sunt [27]

Pentru unghiul θ dintre diagonale, [18]

Dacă extensiile laturilor opuse a și c se intersectează la un unghi , atunci

unde p este semiperimetrul [28]

Formula lui Parameshvara

Pentru un patrulater înscris cu laturile a , b , c , d (în succesiunea indicată) și semiperimetrul p , raza cercului circumscris este dată de formula [22] [29]

Formula a fost dezvoltată de matematicianul indian Vatasseri Paramesvara în secolul al XV-lea.

Folosind formula lui Brahmagupta , formula lui Parameswara poate fi convertită în

,

unde S este aria patrulaterului înscris.

Anticentrul și coliniaritatea

Patru segmente de dreaptă perpendiculare pe o latură a patrulaterului înscris și care trec prin mijlocul laturii opuse se intersectează într-un punct [30] [31] . Acest punct de intersecție se numește anticentru . Anticentrul este simetric cu centrul cercului circumscris în raport cu „centrul vârfului” . Astfel, într-un patrulater înscris, centrul cercului circumscris, „centroidul vârfului” și anticentrul se află pe aceeași linie dreaptă [31] .

Dacă diagonalele unui patrulater înscris se intersectează în punctul P , iar punctele medii ale diagonalelor sunt V și W , atunci anticentrul patrulaterului este ortocentrul triunghiului VWP , iar centroidul vârfului se află în mijlocul segmentului care leagă punctele medii ale diagonalelor [31] .

Într-un patrulater înscris , „centroidul ariei” G a , „centroidul vârfurilor” G v și intersecția P a diagonalelor se află pe aceeași dreaptă. Distanțele dintre aceste puncte satisfac egalitatea [32]

Alte proprietăți

Patraunghiuri ale lui Brahmagupta

Patrulaterul Brahmagupta [37] este un patrulater înscris cu lungimi întregi laturi, lungimi întregi diagonale și zonă întreagă. Toate patrulaturile Brahmagupta cu laturile a, b, c, d , diagonalele e, f , aria S și raza R ale cercului circumscris pot fi obținute eliminând numitorul din următoarele expresii (cu parametrii raționali t , u și v ):

Proprietățile patrulaterelor înscrise ortodiagonale

Aria și raza cercului circumscris

Fie că pentru un patrulater înscris, care este și ortodiagonal (adică, având diagonale perpendiculare), intersecția diagonalelor împarte o diagonală în segmente de lungime p 1 și p 2 și împarte cealaltă în segmente de lungime q 1 și q 2 . Apoi [38] (prima egalitate este Propunerea 11 din Lemele lui Arhimede )

,

unde D este diametrul cercului circumscris . Egalitatea este valabilă datorită faptului că diagonalele sunt coarde perpendiculare ale cercului . Aceasta implică faptul că raza cercului circumscris R satisface egalitatea

sau, prin laturile patrulaterului

De asemenea, rezultă din aceasta că

Astfel, conform formulei lui Euler , raza poate fi exprimată în termeni de diagonalele p și q și distanța x dintre punctele medii ale diagonalelor.

Formula pentru aria K a unui patrulater ortodiagonal înscris poate fi obținută direct în ceea ce privește laturile combinând teorema lui Ptolemeu (vezi mai sus) și formula pentru aria unui patrulater ortodiagonal. Drept urmare, obținem

Alte proprietăți

Vezi și

Note

  1. Usiskin, 2008 , p. 63–65, Capitolul 10. Patrulatere ciclice.
  2. Usiskin, 2008 , p. 63–65.
  3. Joyce, 1997 , p. Cartea 3, Propunerea 22.
  4. 1 2 Andreescu, Enescu, 2004 , p. 2.3 Cvadri ciclici.
  5. 1 2 Durell, Robson, 2003 , p. 25.
  6. Bradley, 2007 , p. 179.
  7. Hajja, 2008 , p. 103–6.
  8. Fraivert, David. Puncte noi care aparțin cercului de nouă puncte  //  The Mathematical Gazette : jurnal. - 2019. - iulie ( vol. 103 , nr. 557 ). - P. 222-232 . - doi : 10.1017/mag.2019.53 .
  9. Fraivert, David. Noi aplicații ale metodei numerelor complexe în geometria patrulaterelor ciclice  (engleză)  // International Journal of Geometry : journal. - 2018. - Vol. 7 , nr. 1 . - P. 5-16 .
  10. 1 2 3 Fraivert, David; Sigler, Avi & Stupel, Moshe (2020), Proprietăți necesare și suficiente pentru un patrulater ciclic , International Journal of Mathematical Education in Science and Technology , < https://doi.org/10.1080/0020739X.2019.1683772 > Arhivat 10 iunie 2020 la mașina Wayback 
  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 , Matematic Education: State of the Art and Perspectives: Proceedings of Conferința științifică internațională , < http ://libr.msu.by/handle/123456789/9675 > Arhivat 10 noiembrie 2019 la Wayback Machine 
  12. Vezi subsecțiunea „Diagonale” a articolului „ Patrulaterul înscris
  13. Johnson, Roger A., ​​​​Advanced Euclidean Geometry , Dover Publ. co., 2007
  14. Durell și Robson 2003 , p. 24.
  15. Petru, 2003 , p. 315–6.
  16. 1 2 Coxeter, Greitzer, 1967 , p. 57, 60.
  17. 12 Johnson , 2007 , p. 84.
  18. 1 2 3 Durell și Robson, 2003 , p. 26.
  19. Prasolov, 2006 , p. 86, Problema 4.44.
  20. Alsina, Nelsen, 2009 , p. 64.
  21. 1 2 Durell, Robson, 2003 , p. 25,.
  22. 1 2 3 Alsina, Nelsen, 2007 , p. 147–9.
  23. Crux, 2007 , p. 123, #2975.
  24. Crux, 2007 , p. 64, #1639.
  25. ABCD este un patrulater ciclic. Fie M , N punctele medii ale diagonalelor AC , respectiv BD ... . Arta rezolvării problemelor (2010).
  26. A. Bogomolny, An Identity in (Cyclic) Quadrilaterals, Interactive Mathematics Miscellany and Puzzles , [1] Arhivat la 28 mai 2019 la Wayback Machine , accesat la 18 martie 2014.
  27. Siddons, Hughes, 1929 , p. 202.
  28. Durell și Robson 2003 , p. 31.
  29. Hoehn, 2000 , p. 69–70.
  30. Altshiller-Court, 2007 , p. 131.
  31. 1 2 3 Honsberger, 1995 , p. 35–39, 4.2 Patrulatere ciclice.
  32. Bradley, 2011 .
  33. Puncte și linii remarcabile de patrulatere// https://math.mosolymp.ru/upload/files/2018/khamovniki/geom-10/2018-04-17-Zam_pr_ch-ka.pdf
  34. Teorema lui Monge// https://bambookes.ru/stuff/reshenie_zadach/geometrija/4-1-0-8264
  35. În jurul problemei lui Arhimede. Arhivat pe 29 aprilie 2016 la Wayback Machine 7, fig. 11, corolar, p. 5
  36. Buchholz, MacDougall, 1999 , p. 263–9.
  37. Sastry, 2002 , p. 167–173.
  38. Posamentier, Salkind, 1970 , p. 104–5.
  39. 1 2 3 4 Altshiller-Court, 2007 , p. 131.137-8.

Literatură

Link- uri externe