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.
A beírt-körírt négyszögek példái a négyzetek , a téglalap alakú deltoidok és az egyenlő szárú körülírt trapézok .
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]
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 .
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] .
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] .
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,#1203Ha 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-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] .
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,#1599A 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]
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.
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 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.
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.