Тангенциальный четырехугольник - Tangential quadrilateral

Тангенциальный четырехугольник с вписанной окружностью

В Евклидова геометрия, а тангенциальный четырехугольник (иногда просто касательный четырехугольник) или же описанный четырехугольник это выпуклый четырехугольник чьи стороны все могут быть касательная к одному круг внутри четырехугольника. Этот круг называется окружать четырехугольника или вписанной в него окружности, его центром является стимулятор а его радиус называется inradius. Поскольку эти четырехугольники можно нарисовать, окружая или описывая их вписанные окружности, их также называют описываемые четырехугольники, описывающие четырехугольники, и описываемые четырехугольники.[1] Касательные четырехугольники - частный случай касательные многоугольники.

Другие, менее часто используемые названия этого класса четырехугольников: непознаваемый четырехугольник, незаписанный четырехугольник, вписываемый четырехугольник, околциклический четырехугольник, и социклический четырехугольник.[1][2] Из-за риска перепутать с четырехугольником, имеющим описанную окружность, который называется циклический четырехугольник или вписанный четырехугольник, предпочтительно не использовать ни одно из последних пяти имен.[1]

Все треугольники может иметь вписанную окружность, но не все четырехугольники. Примером четырехугольника, который не может быть касательным, является неквадратный прямоугольник. Секция характеристики ниже указано, что необходимые и достаточные условия четырехугольник должен удовлетворять, чтобы иметь возможность вписать окружность.

Особые случаи

Примеры касательных четырехугольников: воздушные змеи, которые включают ромбовидные, которые, в свою очередь, включают квадраты. Воздушные змеи - это в точности тангенциальные четырехугольники, которые также ортодиагональный.[3] А правый змей змей с описанный круг. Если четырехугольник одновременно и касательный, и циклический, это называется двухцентровый четырехугольник, и если он одновременно тангенциальный и трапеция, это называется тангенциальная трапеция.

Характеристики

В тангенциальном четырехугольнике четыре биссектриса угла встречаются в центре вписанного круга. И наоборот, выпуклый четырехугольник, в котором четыре биссектрисы пересекаются в одной точке, должен быть касательным, а общая точка - центром.[4]

Согласно Теорема Пито, две пары противоположных сторон тангенциального четырехугольника в сумме составляют одну и ту же общую длину, которая равна полупериметр s четырехугольника:

Обратно выпуклый четырехугольник, в котором а + c = б + d должно быть касательным.[1]:стр.65[4]

Если противоположные стороны в выпуклом четырехугольнике ABCD (это не трапеция ) пересекаются в E и F, то тангенциально если и только если любой из[4]

или же

Второе из них почти такое же, как одно из равенств в Теорема Уркарта. Единственное отличие - знаки с обеих сторон; в теореме Уркарта есть суммы, а не разности.

Еще одно необходимое и достаточное условие - выпуклый четырехугольник ABCD является касательным тогда и только тогда, когда вписанные окружности в два треугольника ABC и АЦП находятся касательная друг другу.[1]:стр.66

Характеристика углов, образованных диагональю BD и четыре стороны четырехугольника ABCD принадлежит Иосифеску. В 1954 году он доказал, что выпуклый четырехугольник имеет вписанную окружность тогда и только тогда, когда[5]

Далее выпуклый четырехугольник с последовательными сторонами а, б, c, d является касательным тогда и только тогда, когда

куда ра, рб, рc, рd радиусы окружностей, касательные снаружи к сторонам а, б, c, d соответственно и продолжения двух смежных сторон для каждой стороны.[6]:стр.72

Несколько больше характеристик известны в четырех подтреугольниках, образованных диагоналями.

Специальные линейные сегменты

Длины касательной и хорды касательной

Восемь касательные длины (е, ж, грамм, час на рисунке справа) касательного четырехугольника - это отрезки прямых из вершина к точкам касания вписанной окружности к сторонам. Из каждой вершины по два конгруэнтный касательные длины.

Два касательные аккорды (k и л на рисунке) касательного четырехугольника - это отрезки прямых, соединяющие точки на противоположных сторонах, где вписанная окружность касается этих сторон. Это также диагонали из контактный четырехугольник.

Площадь

Нетригонометрические формулы

В площадь K касательного четырехугольника задается формулой

куда s это полупериметр и р это inradius. Другая формула[7]

что дает площадь по диагоналям п, q и стороны а, б, c, d касательного четырехугольника.

Площадь также можно выразить четырьмя касательные длины. Если это е, ж, грамм, час, то касательный четырехугольник имеет площадь[3]

Кроме того, площадь тангенциального четырехугольника можно выразить через стороны а, б, в, г и последовательные длины касательной e, f, g, h в качестве[3]:стр.128

С например = fh тогда и только тогда, когда касательный четырехугольник также является вписанным и, следовательно, бицентрическим,[8] это показывает, что максимальная площадь возникает тогда и только тогда, когда касательный четырехугольник бицентрический.

Тригонометрические формулы

А тригонометрический формула для площади по сторонам а, б, c, d и два противоположных угла[7][9][10][11]

Для данной длины стороны площадь равна максимум когда четырехугольник также циклический и, следовательно, двухцентровый четырехугольник. потом поскольку противоположные углы дополнительные углы. Это можно доказать другим способом, используя исчисление.[12]

Другая формула для площади касательного четырехугольника ABCD который включает два противоположных угла,[10]:стр.19

куда я это стимулятор.

Фактически, площадь может быть выражена двумя соседними сторонами и двумя противоположными углами как[7]

Еще одна формула площади:[7]

куда θ - это любой из углов между диагоналями. Эту формулу нельзя использовать, если тангенциальный четырехугольник является воздушным змеем, поскольку тогда θ составляет 90 °, а касательная функция не определена.

Неравенства

Как косвенно отмечено выше, площадь тангенциального четырехугольника со сторонами а, б, c, d удовлетворяет

с равенством тогда и только тогда, когда это двухцентровый четырехугольник.

По данным Т.А.Ивановой (1976 г.), полупериметр s касательного четырехугольника удовлетворяет

куда р это внутренний радиус. Равенство существует тогда и только тогда, когда четырехугольник квадрат.[13] Это означает, что для области K = RS, Здесь неравенство

с равенством тогда и только тогда, когда касательный четырехугольник является квадратом.

Свойства раздела

Тангенциальный четырехугольник с внутренним радиусом р

Четыре отрезка прямых между центром вписанной окружности и точками касательной к четырехугольнику делят четырехугольник на четыре части. правильные воздушные змеи.

Если прямая разрезает тангенциальный четырехугольник на два полигоны с равным области и равный периметры, то эта линия проходит через стимулятор.[4]

Inradius

Внутренний радиус тангенциального четырехугольника с последовательными сторонами а, б, c, d дан кем-то[7]

куда K площадь четырехугольника и s его полупериметр. Для тангенциального четырехугольника с заданными сторонами внутренний радиус равен максимум когда четырехугольник также циклический (и, следовательно, двухцентровый четырехугольник ).

Что касается касательные длины, вписанная окружность имеет радиус[8]:Лемма 2.[14]

Inradius также может быть выражен через расстояния от центра. я к вершинам касательного четырехугольника ABCD. Если u = AI, v = BI, x = CI и у = DI, тогда

куда .[15]

Если вписаны в треугольники ABC, BCD, CDA, DAB иметь радиусы соответственно, то внутренний радиус касательного четырехугольника ABCD дан кем-то

куда .[16]

Формулы углов

Если е, ж, грамм и час являются касательные длины из вершин А, B, C и D соответственно точкам, в которых вписанная окружность касается сторон касательного четырехугольника ABCD, то углы четырехугольника можно вычислить из[3]

Угол между касательные аккорды k и л дан кем-то[3]

Диагонали

Если е, ж, грамм и час являются касательные длины из А, B, C и D соответственно точкам, в которых вписанная окружность касается сторон касательного четырехугольника ABCD, то длины диагоналей p = AC и q = BD находятся[8]:Лемма 3.

Аккорды касательности

Если е, ж, грамм и час являются касательные длины тангенциального четырехугольника, то длины касательные аккорды находятся[3]

где хорда касания длины k соединяет стороны длин а = е + ж и c = грамм + час, а длина л соединяет стороны длин б = ж + грамм и d = час + е. Квадрат отношения хорд касания удовлетворяет[3]

Два аккорда касания

Хорда касания между сторонами AB и CD в касательном четырехугольнике ABCD длиннее, чем между сторонами до н.э и DA если и только если бимедиан между сторонами AB и CD короче, чем между сторонами до н.э и DA.[18]:стр.162

Если тангенциальный четырехугольник ABCD имеет точки касания W на AB и Y на CD, а если аккорд касания WY пересекает диагональ BD в M, то отношение длин касательных равен отношению отрезков диагонали BD.[19]

Коллинеарные точки

Если M1 и M2 являются средние точки диагоналей AC и BD соответственно в касательном четырехугольнике ABCD с курком я, и если пары противоположных сторон встречаются в J и K с M3 быть серединой JK, то точки M3, M1, я, и M2 находятся коллинеарен.[4]:стр.42 Строка, содержащая их, - это Линия Ньютона четырехугольника.

Если продолжения противоположных сторон касательного четырехугольника пересекаются в точках J и K, а продолжения противоположных сторон в его контактном четырехугольнике пересекаются в точках L и M, то четыре точки J, L, K и M коллинеарны.[20]:Кор.3

Если вписанная окружность касается сторон AB, до н.э, CD, DA в Т1, Т2, Т3, Т4 соответственно, а если N1, N2, N3, N4 являются изотомические конъюгаты этих точек относительно соответствующих сторон (т. е. В1 = BN1 и так далее), то Точка Нагеля касательного четырехугольника определяется как пересечение прямых N1N3 и N2N4. Обе эти строки делят периметр четырехугольника на две равные части. Что еще более важно, точка Нагеля N, то "центроид площади" грамм, и стимулятор я коллинеарны в этом порядке, и NG = 2GI. Эта линия называется Линия Нагеля касательного четырехугольника.[21]

В касательном четырехугольнике ABCD с курком я и где диагонали пересекаются в п, позволять ЧАСИкс, ЧАСY, ЧАСZ, ЧАСW быть ортоцентры треугольников AIB, BIC, CID, DIA. Тогда точки п, ЧАСИкс, ЧАСY, ЧАСZ, ЧАСW коллинеарны.[10]:стр.28

Параллельные и перпендикулярные линии

Две диагонали и две хорды касания одновременный.[11][10]:стр.11 Один из способов увидеть это как предельный случай Теорема Брианшона, который утверждает, что шестиугольник, все стороны которого касаются одного коническая секция имеет три диагонали, которые пересекаются в одной точке. Из тангенциального четырехугольника можно образовать шестиугольник с двумя углами 180 °, поместив две новые вершины в две противоположные точки касания; все шесть сторон этого шестиугольника лежат на прямых, касающихся вписанной окружности, поэтому его диагонали пересекаются в одной точке. Но две из этих диагоналей совпадают с диагоналями касательного четырехугольника, а третья диагональ шестиугольника - это линия, проходящая через две противоположные точки касания. Повторение того же аргумента с двумя другими точками касания завершает доказательство результата.

Если продолжения противоположных сторон касательного четырехугольника пересекаются в точках J и K, а диагонали пересекаются в п, тогда JK перпендикулярно продолжению IP куда я это стимулятор.[20]:Кор.4

Incenter

Центр тангенциального четырехугольника лежит на его Линия Ньютона (который соединяет середины диагоналей).[22]:Thm. 3

Отношение двух противоположных сторон в тангенциальном четырехугольнике можно выразить через расстояния между центрами. я а вершины согласно[10]:стр.15

Произведение двух смежных сторон в касательный четырехугольник ABCD с курком я удовлетворяет[23]

Если я центр тангенциального четырехугольника ABCD, тогда[10]:стр.16

Стимулятор я в касательном четырехугольнике ABCD совпадает с "центроид вершины" четырехугольника если и только если[10]:стр.22

Если Mп и Mq являются средние точки диагоналей AC и BD соответственно в касательном четырехугольнике ABCD с курком я, тогда [10]:стр.19[24]

куда е, ж, грамм и час касательные длины в А, B, C и D соответственно. Объединяя первое равенство с предыдущим свойством, «центр тяжести вершины» касательного четырехугольника совпадает с центром в том и только том случае, если центр является средней точкой отрезка прямой, соединяющего середины диагоналей.

Если четырехзвенная навеска выполнен в форме тангенциального четырехугольника, то он останется касательным независимо от того, как изгибается рычажный механизм, при условии, что четырехугольник останется выпуклым.[25][26] (Так, например, если квадрат деформируется в ромб, он остается касательным, хотя и к меньшей вписанной окружности). Если одна сторона удерживается в фиксированном положении, тогда, когда четырехугольник изгибается, центр центра образует круг радиуса куда а, б, в, г стороны в порядке и s - полупериметр.

Характеристики в четырех подтреугольниках

Характеристика Чао и Симеонова в терминах радиусов окружностей внутри каждого из четырех треугольников

В неперекрывающихся треугольниках APB, BPC, CPD, DPA образованный диагоналями в выпуклом четырехугольнике ABCD, где диагонали пересекаются в п, существуют следующие характеристики касательных четырехугольников.

Позволять р1, р2, р3, и р4 обозначим радиусы вписанных окружностей в четырех треугольниках APB, BPC, CPD, и DPA соответственно. Чао и Симеонов доказали, что четырехугольник касательный. если и только если[27]

Эта характеристика была доказана пятью годами ранее Вайнштейном.[17]:стр.169[28]Аналогичную характеристику при решении его проблемы дали Васильев и Сендеров. Если час1, час2, час3, и час4 обозначить высоты в тех же четырех треугольниках (от диагонального пересечения до сторон четырехугольника), то четырехугольник является касательным тогда и только тогда, когда[5][28]

Другая аналогичная характеристика касается Exradii ра, рб, рc, и рd в тех же четырех треугольниках (четыре вне окружности касаются одной стороны четырехугольника и продолжения его диагоналей). Четырехугольник является касательным тогда и только тогда, когда[1]:стр.70

Если р1, р2, р3, и р4 обозначим радиусы в окружности треугольников APB, BPC, CPD, и DPA соответственно, то четырехугольник ABCD является касательным тогда и только тогда, когда[29]:стр. 23–24

В 1996 году Вайнштейн был, вероятно, первым, кто доказал еще одну красивую характеристику тангенциальных четырехугольников, которая позже появилась в нескольких журналах и на сайтах.[1]:стр. 72–73 Он гласит, что когда выпуклый четырехугольник разделен на четыре неперекрывающихся треугольника двумя диагоналями, то центры четырех треугольников совпадают, если и только если четырехугольник является касательным. Фактически, стимуляторы образуют ортодиагональный круговой четырехугольник.[1]:стр.74 Связанный результат состоит в том, что вписанные окружности могут быть заменены вневписанными окружностями тех же треугольников (касательными к сторонам четырехугольника и продолжениям его диагоналей). Таким образом, выпуклый четырехугольник является касательным тогда и только тогда, когда эксцентры в этих четырех вне окружности являются вершинами циклический четырехугольник.[1]:п. 73

Выпуклый четырехугольник ABCDс диагоналями, пересекающимися в п, является касательным тогда и только тогда, когда четыре эксцентра в треугольниках APB, BPC, CPD, и DPA напротив вершин B и D совпадают.[1]:п. 79 Если ра, рб, рc, и рd Экстрадиумы в треугольниках APB, BPC, CPD, и DPA соответственно напротив вершин B и D, то другое условие состоит в том, что четырехугольник касательный тогда и только тогда, когда[1]:п. 80

Далее выпуклый четырехугольник ABCD с диагоналями, пересекающимися в п является касательным тогда и только тогда, когда[5]

где ∆ (APB) - площадь треугольника APB.

Обозначим отрезки, которые диагональное пересечение п делит диагональ AC в как AP = п1 и ПК = п2, и аналогично п делит диагональ BD на сегменты BP = q1 и PD = q2. Тогда четырехугольник является касательным тогда и только тогда, когда выполняется одно из следующих равенств:[30]

или же[1]:п. 74

или же[1]:п. 77

Условия того, что касательный четырехугольник является другим типом четырехугольника

Ромб

Тангенциальный четырехугольник - это ромб тогда и только тогда, когда его противоположные углы равны.[31]

летающий змей

Тангенциальный четырехугольник - это летающий змей тогда и только тогда, когда выполняется одно из следующих условий:[17]

  • Площадь составляет половину произведения диагонали.
  • Диагонали равны перпендикуляр.
  • Два отрезка, соединяющие противоположные точки касания, имеют одинаковую длину.
  • Одна пара противоположных касательные длины иметь одинаковую длину.
  • В бимедианцы иметь одинаковую длину.
  • Произведения противоположных сторон равны.
  • Центр вписанной окружности лежит на диагонали, являющейся осью симметрии.

Бицентрический четырехугольник

Если вписанная окружность касается сторон AB, до н.э, CD, DA в W, Икс, Y, Z соответственно, то тангенциальный четырехугольник ABCD это также циклический (и поэтому бицентрический ) тогда и только тогда, когда выполняется одно из следующих условий:[2][3]:стр.124[20]

  • WY перпендикулярно XZ

Первый из этих трех означает, что контактный четырехугольник WXYZ является ортодиагональный четырехугольник.

Тангенциальный четырехугольник является бицентрическим тогда и только тогда, когда его радиус больше, чем у любого другого тангенциального четырехугольника, имеющего ту же последовательность длин сторон.[32]:стр.392–393

Тангенциальная трапеция

Если вписанная окружность касается сторон AB и CD в W и Y соответственно, то тангенциальный четырехугольник ABCD также трапеция с параллельными сторонами AB и CD если и только если[33]:Thm. 2

и ОБЪЯВЛЕНИЕ и до н.э являются параллельными сторонами трапеции тогда и только тогда, когда

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Йозефссон, Мартин (2011), "Дополнительные характеристики касательных четырехугольников" (PDF), Форум Geometricorum, 11: 65–82.
  2. ^ а б Брайант, Виктор; Дункан, Джон (2010), «Колеса в колесах», Математический вестник, 94 (Ноябрь): 502–505.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я Йозефссон, Мартин (2010), «Расчеты касательной длины и касательной хорды касательного четырехугольника» (PDF), Форум Geometricorum, 10: 119–130.
  4. ^ а б c d е Андрееску, Титу; Энеску, Богдан (2006), Сокровища математической олимпиады, Birkhäuser, стр. 64–68..
  5. ^ а б c Minculete, Никусор (2009), "Характеристики тангенциального четырехугольника" (PDF), Форум Геометрикорум, 9: 113–118.
  6. ^ Йозефссон, Мартин (2012), «Подобные метрические характеристики касательных и внебрачных четырехугольников» (PDF), Форум Geometricorum, 12: 63–77
  7. ^ а б c d е Durell, C.V .; Робсон, А. (2003), Продвинутая тригонометрия, Dover reprint, pp. 28–30..
  8. ^ а б c Хаджа, Mowaffaq (2008), «Условие того, что описываемый четырехугольник является вписанным» (PDF), Форум Geometricorum, 8: 103–106.
  9. ^ Siddons, A.W .; Хьюз, Р. (1929), Тригонометрия, Cambridge Univ. Нажмите, стр. 203.
  10. ^ а б c d е ж грамм час Гринберг, Дарий, Повторно описанные четырехугольники, 2008
  11. ^ а б Ю, Пол, Евклидова геометрия, [1], 1998, стр. 156–157.
  12. ^ Хойт, Джон П. (1986), «Максимальное увеличение площади трапеции», Американский математический ежемесячный журнал, 93 (1): 54–56, Дои:10.2307/2322549.
  13. ^ Опубликовать на Искусство решения проблем, 2012
  14. ^ Хойт, Джон П. (1984), «Quickies, Q694», Математический журнал, 57 (4): 239, 242.
  15. ^ Йозефссон, Мартин (2010), «По внутреннему радиусу тангенциального четырехугольника» (PDF), Форум Geometricorum, 10: 27–34.
  16. ^ Богомольный Александр (2016), Связь Inradii в Неприметном четырехугольнике, Разрезать узел, [2].
  17. ^ а б c Йозефссон, Мартин (2011), «Когда тангенциальный четырехугольник - это воздушный змей?» (PDF), Форум Geometricorum, 11: 165–174.
  18. ^ Йозефссон, Мартин (2011), «Площадь двухцентрового четырехугольника» (PDF), Форум Geometricorum, 11: 155–164.
  19. ^ Гутиеррес, Антонио, «Описанный четырехугольник, диагональ, хорда, пропорция», [3], Проверено 9 апреля 2012 г.
  20. ^ а б c Йозефссон, Мартин (2010), «Характеризация бицентрических четырехугольников» (PDF), Форум Геометрикорум, 10: 165–173.
  21. ^ Мякишев, Алексей (2006), "О двух замечательных прямых, относящихся к четырехугольнику" (PDF), Форум Geometricorum, 6: 289–295.
  22. ^ Дергиадес, Николаос; Христодулу, Димитрис М. (2017), «Два центра произвольного выпуклого четырехугольника» (PDF), Форум Geometricorum, 17: 245–254.
  23. ^ "Ineq-G126 - Геометрия - очень красиво !!!!", Опубликовать на Искусство решения проблем, 2011, [4]
  24. ^ «Определить соотношение OM / ON», разместить на Искусство решения проблем, 2011
  25. ^ Бартон, Хелен (1926), «На круге, прикрепленном к складному четырехбалочному стержню», Американский математический ежемесячный журнал, 33 (9): 462–465, Дои:10.2307/2299611, JSTOR  2299611.
  26. ^ Богомольный, Александр, "Когда четырехугольник неописуем?", Интерактивная математика и головоломки, [5].
  27. ^ Чао, Ву Вэй; Симеонов, Пламен (2000), "Когда в четырехугольники вписаны окружности (решение задачи 10698)", Американский математический ежемесячный журнал, 107 (7): 657–658, Дои:10.2307/2589133.
  28. ^ а б Вайнштейн, И .; Васильев, Н .; Сендеров, В. (1995), "(Решение задачи) M1495", Квант (6): 27–28.
  29. ^ Йозефссон, Мартин (2012), "Характеристики ортодиагональных четырехугольников" (PDF), Форум Geometricorum, 12: 13–25.
  30. ^ Хоэн, Ларри (2011), «Новая формула диагоналей и сторон четырехугольника» (PDF), Форум Геометрикорум, 11: 211–212.
  31. ^ Де Вильерс, Майкл (2011), «Равносторонние циклические и равносторонние описанные многоугольники», Математический вестник, 95 (Март): 102–107.
  32. ^ Гесс, Альбрехт (2014), «На окружности, содержащей центры касательных четырехугольников» (PDF), Форум Geometricorum, 14: 389–396.
  33. ^ Йозефссон, Мартин (2014), "Новый взгляд на диагональный треугольник" (PDF), Форум Геометрикорум, 14: 381–385.

внешняя ссылка