Beírt-körírt négyszög

A beírt-körírt négyszög egy konvex négyszög , amelynek van egy beírt köre és egy körülírt köre is . A definícióból következik, hogy a beírt-körírt négyszögek mind a körülírt négyszögek , mind a beírt négyszögek összes tulajdonságával rendelkeznek . Ezeknek a négyszögeknek más nevei: húr-tangens négyszög [1] és bicentrikus négyszög . Kétkörös négyszögnek is nevezik [2] .

Ha két, egymáson belüli kör valamelyik négyszög beírt köre és körülírt köre, akkor a körülírt kör bármely pontja egy olyan (esetleg eltérő) beírt négyszög csúcsa, amelynek ugyanaz a beírt és körülírt köre [3] . Ez a Poncelet-féle porizmus következménye , amelyet Jean-Victor Poncelet (1788–1867) francia matematikus bizonyított.

Különleges alkalmak

A beírt-körírt négyszögek példái a négyzetek , a téglalap alakú deltoidok és az egyenlő szárú körülírt trapézok .

Leírás

Az a , b , c , d oldalú ABCD konvex négyszög akkor és csak akkor bicentrikus, ha a szemközti oldalak kielégítik a körülírt négyszögekre vonatkozó Pitot-tételt és a beírt négyszögek azon tulajdonságát, hogy a szemközti szögek 180 fokot adnak össze, azaz.

Három másik leírás azokra a pontokra vonatkozik, ahol a körülírt négyszögbe írt kör érinti az oldalakat. Ha egy körív érinti az AB , BC , CD és DA oldalakat a W , X , Y és Z pontokban , akkor az ABCD körülírt négyszög is körülírt akkor és csak akkor, ha a következő három feltétel valamelyike ​​teljesül [4] :

A három feltétel közül az első azt jelenti, hogy a WXYZ érintkezőnégyszög egy merőleges négyszög .

Ha E , F , G , H a WX , XY , YZ , ZW felezőpontjai , akkor egy körülírt ABCD négyszög is akkor és csak akkor van körülírva, ha az EFGH négyszög téglalap [4] .

Egy másik leírás szerint, ha I egy olyan beírt négyszög beírt körközéppontja, amelynek szemközti oldalhosszabbításai J és K pontban metszik egymást , akkor a négyszög akkor és csak akkor körülírt , ha JIK derékszög [4] .

Egy másik szükséges és elégséges feltétel, hogy egy körülírt ABCD négyszög akkor és csak akkor legyen körülírva, ha Gauss -vonala merőleges a WXYZ érintkezőnégyszögének Gauss-vonalára . (Egy négyszög Gauss-vonalát az átlók felezőpontja határozza meg.) [4]

Épület

Van egy egyszerű módszer a bicentrikus négyszög megszerkesztésére:

Az építést egy I középpontú és r sugarú beírt C r körrel kezdjük, majd a beírt C r körbe húzunk két egymásra merőleges WY és XZ húrt . Az akkordok végein a beírt körhöz a , b , c és d érintőket húzunk. Az A, B, C és D pontokban metszik egymást , amelyek a beírt-körírt négyszög csúcsai [5] . A körülírt kör megrajzolásához húzzunk két p 1 és p 2 mediális merőlegest az a és b beírt-körírt négyszög oldalaira . A C R körülírt kör O középpontjában metszik egymást x távolságra a C r beírt kör I középpontjától .

Ennek a konstrukciónak az érvényessége abból adódik, hogy az ABCD körülírt négyszögben a WXYZ érintkezőnégyszögnek akkor és csak akkor van merőleges átlója , ha a körülírt négyszög is beírt .

Terület

Képletek négy mennyiségben

Egy beírt-körülírt négyszög K területe többféleképpen is kifejezhető a négyszög négy dimenziójával. Ha a , b , c és d oldalak, akkor a területet [3] [6] [7] [8] [9] adja meg.

Ez Brahmagupta képletének egy speciális esete . A képlet közvetlenül is beszerezhető a körülírt négyszög területének trigonometrikus képletéből . Megjegyzendő, hogy ennek fordítottja nem áll fenn – néhány nem bicentrikus négyszögnek is van területe [10] . Ilyen négyszög például egy téglalap (különböző oldalakkal, nem négyzet).

A terület a csúcstól az érintkezési pontig tartó szakaszokkal fejezhető ki (a rövidség kedvéért ezeket a hosszúságokat érintőhosszoknak nevezzük) e , f , g , h [11]

Az ABCD beírt-körírt négyszög területének képlete az I beírt kör középpontjával [7]

Ha egy beírt-körülírt négyszögnek k , l érintőhúrjai és p , q átlói vannak, akkor területe [12]

Ha k , l érintőhúrok és m , n négyszög bimediánok , akkor a terület a [7] képlettel számítható ki .

A képlet nem használható, ha a négyszög derékszögű deltoid , mert ebben az esetben a nevező nulla.

Ha M és N az átlók felezőpontja, E és F pedig az oldalak meghosszabbításának metszéspontja, akkor a beírt négyszög területét a

,

ahol I a beírt kör középpontja [7] .

Képletek három mennyiségben

Egy beírt-körírt négyszög területe két szemközti oldallal és az átlók közötti θ szöggel fejezhető ki a következő képlet szerint: [7]

Két szomszédos szög és a beírt kör r sugara tekintetében a területet a [7] képlet adja meg.

A területet a körülírt kör R sugarában és a beírt kör r sugarában adjuk meg:

ahol θ az átlók közötti szögek bármelyike ​​[13] .

Ha M és N az átlók felezőpontja, E és F pedig a szemközti oldalak kiterjesztésének metszéspontja, akkor a terület a képlettel fejezhető ki.

,

ahol Q a beírt kör középpontjából induló EF egyenesre merőleges alapja [7] .

Egyenlőtlenségek

Ha r és R a beírt kör sugara, illetve a körülírt kör sugara, akkor a K terület kielégíti a kettős egyenlőtlenséget [14].

Csak akkor kapunk egyenlőséget, ha a négyszög négyzet .

A területre vonatkozó másik egyenlőtlenség a következő lenne : [15] :p.39,#1203

,

ahol r és R a beírt kör sugara, illetve a körülírt kör sugara.

Hasonló egyenlőtlenség, amely jobb felső korlátot ad a területnek, mint az előző [13]

és az egyenlőség akkor és csak akkor érhető el, ha a négyszög jobb oldali deltoid .

Továbbá az a, b, c, d oldalakkal és s fél kerületével :

[15] :p.39,#1203 [15] :p.39,#1203 [15] :p.39,#1203

Szögképletek

Ha a , b , c és d az AB , BC , CD és DA oldalak hossza az ABCD beírt-körírt négyszögben , akkor annak csúcsszögei a [7] érintő segítségével számíthatók ki :

Ugyanezt a jelölést használva a szinuszokra és koszinuszokra a következő képletek teljesülnek [16] :

Az átlók közötti θ szög a [8] képletből számítható ki .

A beírt kör sugara és a körülírt kör sugara

A beírt-körírt négyszög r beírt körének sugarát az a , b , c , d oldalak határozzák meg a [3] képlet szerint.

Az R körülírt kör sugara a Paramesvara-képlet speciális esete [3]

A beírt kör sugara az egymást követő e , f , g , h érintőhosszokkal is kifejezhető a [17] képlet szerint .

Ez a két képlet valójában szükséges és elégséges feltétele egy r beírt kör sugarú körülírt négyszög beírásának .

A beírt-körírt négyszög négy oldala a , b , c , d a negyedik fokú egyenlet megoldása

,

ahol s a fél kerülete és r és R a beírt kör sugara, illetve a körülírt kör sugara [18] .

Ha van egy r beírt körsugarú beírt- körülírt négyszög , amelynek érintőhosszai egyenlők e , f , g , h -val, akkor van egy r v beírt kör sugarú beírt- körülírt négyszög , amelynek érintőhosszai : ahol v tetszőleges valós szám lehet [19] .

Egy beírt-körírt négyszögnek nagyobb a kör sugara, mint bármely más körülírt négyszögnek, amelynek oldalhossza azonos ugyanabban a sorozatban [20] .

Egyenlőtlenségek

A körülírt kör R sugara és a beírt kör sugara kielégíti az egyenlőtlenséget

,

amit Fejes Tóth L. 1948-ban [21] bizonyított . Egy egyenlőtlenség csak akkor válik egyenlővé, ha a két kör koncentrikus (a középpontok azonosak). Ebben az esetben a négyszög négyzet . Az egyenlőtlenség többféleképpen igazolható, egyik módja a kettős egyenlőtlenség alkalmazása a fenti területre.

Az előző egyenlőtlenség általánosítása [2] [22] .

,

ahol az egyenlőtlenség akkor és csak akkor válik egyenlővé, ha a négyszög négyzet [23] .

Egy beírt-körülírt négyszög s félperimétere kielégíti [24]

,

ahol r és R a beírt kör sugara, illetve a körülírt kör sugara.

Sőt, [15] :p.39,#1203

és

[15] :p.62,#1599

A beírt kör középpontja és a körülírt kör középpontja közötti távolság

Fuss tétel

A Fuss-tétel összefüggést ad az r beírt kör sugara , a körülírt kör R sugara, valamint az I beírt kör középpontja és az O körülírt kör középpontja közötti x távolság között bármely kétcentrikus négyszög esetén. Az összefüggést az [1] [9] [25] képlet adja meg .

Vagy ezzel egyenértékűen

A képletet Nyikolaj Ivanovics Fuss (1755–1826) származtatta 1792-ben. Ha x -et megoldunk , azt kapjuk

A beírt-körírt négyszögekre vonatkozó Fuss-tétel, amely analóg Euler háromszögek tételével , kimondja, hogy ha egy négyszög bicentrikus, akkor a hozzá tartozó két kör a fenti képlettel van összefüggésben. Valójában ennek a fordítottja is igaz – ha két R és r sugarú kört adunk meg (egyik a másik belsejében), és a középpontjuk közötti x távolság kielégíti a Fuss-tétel feltételét, akkor az egyik körbe egy konvex négyszög van beírva. , a másik kör pedig a [26] négyszögbe lesz beírva (és akkor a Poncelet-tétel szerint végtelen sok ilyen négyszög van).

Ha felhasználjuk azt a tényt, hogy a Fuss-tétel kifejezésében a már említett egyenlőtlenséget más módon kapjuk , az egyenlőtlenség általánosítása [27]

Identity Karlitz

A beírt kör és a körülírt kör középpontjai közötti x távolság másik képlete Leonard Karlitz (1907–1999) amerikai matematikusnak köszönhető. A képlet kimondja, hogy [28] .

,

ahol r és R a beírt kör sugara, illetve a körülírt kör sugara , és

,

ahol a , b , c , d a beírt-körírt négyszög oldalai.

Egyenlőtlenségek érintőhosszokra és oldalakra

Az e , f , g , h érintőhosszokra a következő egyenlőtlenségek érvényesek [29] :

és

,

ahol r a beírt kör sugara, R a körülírt kör sugara, x pedig e körök középpontjai közötti távolság. Az a , b , c , d oldalak kielégítik az egyenlőtlenségeket [27]

és

A beírt kör középpontjának egyéb tulajdonságai

A körülírt kör középpontja , a beírt kör középpontja és a beírt-körírt négyszög átlóinak metszéspontja kollineáris . [harminc]

Az I kör középpontja és az ABCD bicentrikus négyszög csúcsai közötti négy távolságra a következő egyenlőség vonatkozik : [31]

,

ahol r a beírt kör sugara.

Ha a P pont az ABCD beírt négyszög átlóinak metszéspontja az I beírt kör középpontjával , akkor [32]

Van egy egyenlőtlenség a beírt kör r sugarára és a körülírt R kör sugarára az ABCD beírt- körülírt négyszögben [33]

,

ahol I a beírt kör középpontja.

Az átlók tulajdonságai

A beírt-körírt négyszög átlóinak hossza oldalakkal vagy érintőhosszokkal fejezhető ki . Ezek a képletek a beírt négyszögekre , illetve a körülírt négyszögekre érvényesek .

Egy p és q átlójú beírt-körírt négyszögben a [34] azonosság igaz :

,

ahol r és R a beírt kör sugara, illetve a körülírt kör sugara . Ez az identitás átírható a következőre: [13]

vagy másodfokú egyenletként megoldva az átlók szorzatára vonatkozóan, kapjuk

A p , q átlók szorzatára egy beírt-körírt négyszögben van egyenlőtlenség [14]

,

ahol a , b , c , d oldalak. Az egyenlőtlenséget Murray S. Klumkin bizonyította 1967-ben.

Lásd még

Jegyzetek

  1. 1 2 Dörrie, 1965 , p. 188–193.
  2. 2008. június 12. , p. 119-121.
  3. 1 2 3 4 Eric Weisstein, Bicentric Quadrilateral at MathWorld , [1] Archivált : 2019. január 23. a Wayback Machine -nél , Hozzáférés dátuma: 2011.08.13.
  4. 1 2 3 4 Josefsson, 2010 , p. 165–173.
  5. Alsina, Nelsen, 2011 , p. 125–126.
  6. Josefsson, 2010 , p. 129.
  7. 1 2 3 4 5 6 7 8 Josefsson, 2011 , p. 155–164.
  8. 1 2 Durell, Robson, 2003 , p. 28, 30.
  9. Yiu 12. , 1998. , p. 158-164.
  10. Lord, 2012 , p. 345-347.
  11. Josefsson, 2010 , p. 128.
  12. Josefsson, 2010a , p. 129.
  13. 1 2 3 Josefsson, 2012 , p. 237–241.
  14. 1 2 Alsina, Nelsen, 2009 , p. 64–66.
  15. 1 2 3 4 5 6 A Crux Mathematicorum , 2007-ben javasolt egyenlőtlenségek . [2] Archivált 2021. április 27-én a Wayback Machine -nél
  16. Josefsson, 2012 , p. 79–82.
  17. Radic, Kaliman, Kadum, 2007 , p. 41.
  18. Pop, 2009 , p. 754.
  19. Radic, 2005 , p. 9-10.
  20. Hess, 2014 , p. 392–393.
  21. Radic, 2005 .
  22. Shattuck, 2018 , p. 141.
  23. Josefsson, 2012 , p. 81.
  24. Radic, 2005 , p. 13.
  25. Salazar, 2006 , p. 306–307.
  26. Byerly, 1909 , p. 123–128.
  27. 1 2 Radic, 2005 , p. 5.
  28. Calin, 2010 , p. 153–158.
  29. Radic, 2005 , p. 3.
  30. Bogomolny, Alex, Collinearity in Bicentric Quadrilaterals [3] Archiválva : 2004. április 26., a Wayback Machine , 2004.
  31. Juan Carlos Salazar, Fuss Theorem for Bicentric Quadrilateral , 2003, [4] .
  32. Crux Mathematicorum 34 (2008) no 4, p. 242.
  33. Bejegyzés a Problémamegoldás művészetében , 2009
  34. Yiu, 1998 , p. 158-164.

Irodalom