Indskrevet firkant

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 19. september 2022; checks kræver 9 redigeringer .

En indskrevet firkant er en firkant , hvis toppunkter ligger på samme cirkel . Denne cirkel kaldes omskrevet . Normalt antages det, at firkanten er konveks , men der er også selvskærende indskrevne firkanter. Formlerne og egenskaberne nedenfor er kun gyldige for konvekse firkanter.

Alle trekanter har omskrevne cirkler , men ikke alle firkanter. Et eksempel på en firkant, der ikke kan indskrives i en cirkel, er en rombe (medmindre det er en firkant). Afsnittet "Egenskaber" nedenfor giver de nødvendige og tilstrækkelige betingelser for, at en cirkel kan afgrænses omkring en firkant.

Særlige lejligheder

Alle kvadrater , rektangler , ligebenede trapezoider eller antiparallelogrammer kan indskrives i en cirkel. En deltoid kan indskrives, hvis og kun hvis den har to rette vinkler. En bicentrisk firkant er en cyklisk firkant, der også er en omskrevet firkant, og en ekstern bicentrisk firkant er en cyklisk firkant, der også er en eksternt afgrænset .

Egenskaber

.

Skæringspunktet E kan ligge både inden for og uden for cirklen. I det første tilfælde vil det være den indskrevne firkant ABCD , og ​​i det andet tilfælde vil det være den indskrevne firkant ABDC . Hvis skæringspunktet ligger indenfor, betyder lighed, at produktet af segmenterne, som punktet E deler den ene diagonal i, er lig med produktet af segmenterne i den anden diagonal. Denne erklæring er kendt som den skærende akkordsætning , da diagonalerne af en indskrevet firkant er akkorderne i den omskrevne cirkel.

.


(1) er en cyklisk firkant, hvis og kun hvis punkterne og er kollineære med midten af ​​cirklen . [10] [11] (2) er en cyklisk firkant, hvis og kun hvis punkterne og er midtpunkterne på siderne og . [10] [11] .

Område

Arealet S af en indskrevet firkant med siderne a , b , c , d er givet af Brahmagupta-formlen [14]

hvor p , semiperimeteren , er . Udsagnet er en konsekvens af Bretschneiders forhold , da modsatte vinkler summeres til 180°. Hvis d \u003d 0, bliver den indskrevne firkant en trekant, og lighed bliver til Herons formel .

En indskrevet firkant har det maksimale areal blandt alle firkanter med samme rækkefølge af sidelængder. Dette er en anden konsekvens af Bretschneider-forholdet. Udsagnet kan bevises ved hjælp af matematisk analyse [15] .

Fire ulige længder, som hver er mindre end summen af ​​de tre andre, er siderne af tre inkongruente indskrevne firkanter [16] , og ifølge Brahmaguptas formel har alle disse trekanter det samme areal. Især for sider a , b , c og d kan side a være den modsatte af begge sider b , c eller d . Hvilke som helst to af disse tre indskrevne firkanter har en diagonal af samme længde [17] .

Arealet af en indskrevet firkant med på hinanden følgende sider a , b , c , d og vinkel B mellem siderne a og b kan udtrykkes med formlen [5]

eller [18]

hvor θ er enhver vinkel mellem diagonalerne. Hvis vinkel A ikke er ret, kan arealet udtrykkes med formlen [18]

En anden områdeformel [19]

hvor R er radius af den omskrevne cirkel . Den direkte konsekvens vil være [20]

,

og ulighed bliver til lighed, hvis og kun hvis firkanten er en firkant.

Diagonaler

I en indskrevet firkant med toppunkter A , B , C , D (i den angivne rækkefølge) og sider a = AB , b = BC , c = CD og d = DA , kan længderne af diagonalerne p = AC og q = BD udtrykkes i siderne [21] [22] [17]

og

hvilket giver den ptolemæiske ligning


Ifølge Ptolemæus' anden sætning [21] [22] ,

med samme notation som før.

For summen af ​​diagonaler har vi uligheden [23]

En ulighed bliver en lighed, hvis og kun hvis diagonalerne har samme længde, hvilket kan vises ved hjælp af uligheden mellem den aritmetiske middelværdi og den geometriske middelværdi .

Desuden [24] ,

I enhver konveks firkant deler to diagonaler firkanten i fire trekanter. I en indskrevet firkant er modsatte par af disse fire trekanter ens .

Hvis M og N er midtpunkterne af diagonalerne AC og BD , så [25]

hvor E og F er skæringspunkterne for modsatte sider.

Hvis ABCD er en indskrevet firkant og AC skærer BD i et punkt P , så [26]

Vinkelformler

For en indskrevet firkant med siderne a , b , c , d , semiperimeter p og vinkel A mellem siderne a og d , er de trigonometriske funktioner af vinkel A [27]

For vinklen θ mellem diagonalerne, [18]

Hvis forlængelserne af modstående sider a og c skærer hinanden i en vinkel , så

hvor p er semiperimeteren [28]

Formel for Parameshvara

For en indskrevet firkant med siderne a , b , c , d (i den angivne rækkefølge) og semiperimeter p , er radius af den omskrevne cirkel givet af formlen [22] [29]

Formlen blev udviklet af den indiske matematiker Vatasseri Paramesvara i det 15. århundrede.

Ved at bruge Brahmaguptas formel kan Parameswaras formel konverteres til

,

hvor S er arealet af den indskrevne firkant.

Anticenter og kollinearitet

Fire linjestykker vinkelret på den ene side af den indskrevne firkant og passerer gennem midtpunktet af den modsatte side skærer hinanden i et punkt [30] [31] . Dette skæringspunkt kaldes anticentret . Anticentret er symmetrisk med midten af ​​den omskrevne cirkel i forhold til "vertex-centroiden" . I en indskrevet firkant ligger centrum af den omskrevne cirkel, "vertex centroide" og anticenter på den samme rette linje [31] .

Hvis diagonalerne af en indskrevet firkant skærer hinanden i punktet P , og midtpunkterne af diagonalerne er V og W , så er firkantens anticenter orthocentret af trekanten VWP , og toppunktets tyngdepunkt er i midten af ​​det segment, der forbinder diagonalernes midtpunkter [31] .

I en indskrevet firkant ligger "områdets tyngdepunkt" G a , "hjørnepunktets tyngdepunkt" G v og skæringspunktet P af diagonalerne på den samme rette linje. Afstandene mellem disse punkter opfylder ligheden [32]

Andre egenskaber

Quadrangles of Brahmagupta

Brahmagupta-firkanten [37] er en indskrevet firkant med heltals sidelængder, heltals diagonallængder og heltalsareal. Alle Brahmagupta-firkanter med siderne a, b, c, d , diagonaler e, f , areal S og radius R af den omskrevne cirkel kan opnås ved at slippe af med nævneren i følgende udtryk (med rationelle parametre t , u og v ):

Egenskaber for ortodiagonale indskrevne firkanter

Areal og radius af den omskrevne cirkel

Lad os for en indskrevet firkant, som også er ortodiagonal (dvs. har vinkelrette diagonaler), opdeler diagonalernes skæringspunkt den ene diagonal i segmenter med længden p 1 og p 2 , og deler den anden i segmenter med længden q 1 og q 2 . Derefter [38] (den første lighed er Proposition 11 i Archimedes ' Lemmas )

,

hvor D er diameteren af ​​den omskrevne cirkel . Ligestilling gælder på grund af det faktum, at diagonalerne er vinkelrette akkorder i cirklen . Dette indebærer, at radius af den omskrevne cirkel R opfylder ligheden

eller gennem siderne af firkanten

Heraf følger også, at

Således kan radius ifølge Eulers formel udtrykkes i form af diagonalerne p og q og afstanden x mellem diagonalernes midtpunkter

Formlen for arealet K af en indskrevet ortodiagonal firkant kan opnås direkte i form af siderne ved at kombinere Ptolemæus' sætning (se ovenfor) og formlen for arealet af en ortodiagonal firkant. Som et resultat får vi

Andre egenskaber

Se også

Noter

  1. Usiskin, 2008 , s. 63–65, kapitel 10. Cykliske firkanter.
  2. Usiskin, 2008 , s. 63-65.
  3. Joyce, 1997 , s. Bog 3, forslag 22.
  4. 1 2 Andreescu, Enescu, 2004 , s. 2.3 Cykliske quads.
  5. 1 2 Durell, Robson, 2003 , s. 25.
  6. Bradley, 2007 , s. 179.
  7. Hajja, 2008 , s. 103-6.
  8. Fraivert, David.  Nye punkter, der hører til nipunktscirklen  // Matematisk Tidende : journal. - 2019. - Juli ( bd. 103 , nr. 557 ). - S. 222-232 . - doi : 10.1017/mag.2019.53 .
  9. Fraivert, David. Nye anvendelser af metode for komplekse tal i geometrien af ​​cykliske firkanter  (engelsk)  // International Journal of Geometry : journal. - 2018. - Bd. 7 , nr. 1 . - S. 5-16 .
  10. 1 2 3 Fraivert, David; Sigler, Avi & Stupel, Moshe (2020), Nødvendige og tilstrækkelige egenskaber for en cyklisk firkant , International Journal of Mathematical Education in Science and Technology , < https://doi.org/10.1080/0020739X.2019.1683772 > Arkiveret 10. juni 2020 kl. Wayback- maskinen 
  11. 1 2 Freivert, D. M. (2019), Et nyt emne i euklidisk geometri på planet: Teorien om "Pascal-punkter" dannet af en cirkel på siderne af en firkant , Matematisk uddannelse: State of the Art og perspektiver: Proceedings of den internationale videnskabelige konference , < http ://libr.msu.by/handle/123456789/9675 > Arkiveret 10. november 2019 på Wayback Machine 
  12. Se underafsnit "Diagonaler" i artiklen " Indskrevet firkant "
  13. Johnson, Roger A., ​​Advanced Euclidean Geometry , Dover Publ. co., 2007
  14. Durell og Robson 2003 , s. 24.
  15. Peter, 2003 , s. 315-6.
  16. 1 2 Coxeter, Greitzer, 1967 , s. 57, 60.
  17. 12 Johnson , 2007 , s. 84.
  18. 1 2 3 Durell og Robson, 2003 , s. 26.
  19. Prasolov, 2006 , s. 86, opgave 4.44.
  20. Alsina, Nelsen, 2009 , s. 64.
  21. 1 2 Durell, Robson, 2003 , s. 25,.
  22. 1 2 3 Alsina, Nelsen, 2007 , s. 147-9.
  23. Crux, 2007 , s. 123, #2975.
  24. Crux, 2007 , s. 64, #1639.
  25. ABCD er en cyklisk firkant. Lad M , N være midtpunkterne af diagonalerne AC , BD henholdsvis ... . Art of Problem Solving (2010).
  26. A. Bogomolny, An Identity in (Cyclic) Quadrilaterals, Interactive Mathematics Miscellany and Puzzles , [1] Arkiveret 28. maj 2019 på Wayback Machine , Tilgået 18. marts 2014.
  27. Siddons, Hughes, 1929 , s. 202.
  28. Durell og Robson 2003 , s. 31.
  29. Hoehn, 2000 , s. 69-70.
  30. Altshiller-Court, 2007 , s. 131.
  31. 1 2 3 Honsberger, 1995 , s. 35–39, 4.2 Cykliske firkanter.
  32. Bradley, 2011 .
  33. Bemærkelsesværdige punkter og linjer med firkanter// https://math.mosolymp.ru/upload/files/2018/khamovniki/geom-10/2018-04-17-Zam_pr_ch-ka.pdf
  34. Monges sætning// https://bambookes.ru/stuff/reshenie_zadach/geometrija/4-1-0-8264
  35. Omkring problemet med Arkimedes. Arkiveret 29. april 2016 på Wayback Machine 7, fig. 11, følge, s. 5
  36. Buchholz, MacDougall, 1999 , s. 263-9.
  37. Sastry, 2002 , s. 167-173.
  38. Posamentier, Salkind, 1970 , s. 104-5.
  39. 1 2 3 4 Altshiller-Court, 2007 , s. 131,137-8.

Litteratur

Eksterne links