Вписанно-описанный четырёхугольникВписанно-описанный четырёхугольник — это выпуклый четырёхугольник, который имеет как вписанную окружность, так и описанную окружность. Из определения следует, что вписанно-описанные четырёхугольники имеют все свойства как описанных четырёхугольников, так и вписанных четырёхугольников. Другие названия этих четырёхугольников: хордо-касающийся четырёхугольник[1] и бицентрический четырёхугольник. Их также называют двух-окружностными четырёхугольниками[2]. Если две окружности, одна внутри другой, являются вписанной окружностью и описанной окружностью некоторого четырёхугольника, то любая точка на описанной окружности является вершиной какого-то (возможно, другого) вписанно-описанного четырёхугольника, имеющего те же самые вписанные и описанные окружности[3]. Это следствие поризма Понселе, который доказал французский математик Жан-Виктор Понселе (1788–1867). Специальные случаиПримерами вписанно-описанных четырёхугольников являются квадраты, прямоугольные дельтоиды и равнобокие описанные трапеции[англ.]. ОписаниеВыпуклый четырёхугольник ABCD со сторонами a, b, c, d является бицентрическим тогда и только тогда, когда противоположные стороны удовлетворяют теореме Пито для описанных четырёхугольников и свойству вписанных четырёхугольников, что противоположные углы в сумме дают 180 градусов, то есть Три других описания касаются точек, в которых вписанная окружность в описанном четырёхугольнике касается сторон. Если вписанная окружность касается сторон AB, BC, CD и DA в точках W, X, Y и Z соответственно, то описанный четырёхугольник ABCD является также и описанным в том и только в том случае, когда выполняется любое из следующих трёх условий[4]:
Первое из этих трёх условий означает, что контактный четырёхугольник WXYZ является ортодиагональным четырёхугольником. Если E, F, G, H являются серединами WX, XY, YZ, ZW соответственно, то описанный четырёхугольник ABCD также является описанным тогда и только тогда, когда четырёхугольник EFGH является прямоугольником[4]. Согласно другому описанию, если I является центром вписанной окружности описанного четырёхугольника, у которого продолжения противоположных сторон пересекаются в точках J и K, то четырёхугольник является описанным тогда и только тогда, когда JIK является прямым углом[4]. Ещё одним необходимым и достаточным условием является то, что описанный четырёхугольник ABCD является описанным тогда и только тогда, когда его прямая Гаусса перпендикулярна прямой Гаусса его контактного четырёхугольника WXYZ. (Прямая Гаусса четырёхугольника определяется средними точками его диагоналей.)[4] ПостроениеИмеется простой метод построения бицентрического четырёхугольника: Построение начинается с вписанной окружности Cr с центром I и радиусом r, затем рисуем две перпендикулярные друг другу хорды WY и XZ во вписанной окружности Cr. На концах хорд проводим касательные a, b, c и d к вписанной окружности. Они пересекаются в точках A, B, C and D, которые являются вершинами вписанно-описанного четырёхугольника[5]. Чтобы нарисовать описанную окружность, рисуем два серединных перпендикуляра p1 и p2 к сторонам вписанно-описанного четырёхугольника a и b соответственно. Они пересекаются в центре O описанной окружности CR на расстоянии x от центра I вписанной окружности Cr. Справедливость этого построения вытекает из факта, что в описанном четырёхугольнике ABCD контактный четырёхугольник WXYZ имеет перпендикулярные диагонали тогда и только тогда, когда описанный четырёхугольник является также вписанным. ПлощадьФормулы в терминах четырёх величинПлощадь K вписанно-описанного четырёхугольника можно выразить в терминах четырёх величин четырёхугольника несколькими способами. Если a, b, c и d являются сторонами, то площадь задаётся формулой[3][6][7][8][9] Это частный случай формулы Брахмагупты. Формулу можно получить и прямо из тригонометрической формулы площади описанного четырёхугольника. Заметим, что обратное не выполняется — некоторые четырёхугольники, не являющиеся бицентрическими, также имеют площадь [10]. Примером такого четырёхугольника служит прямоугольник (с разными сторонами, не квадрат). Площадь может быть выражена в терминах отрезков от вершины до точки касания (для краткости будем называть эти длины касательными длинами) e, f, g, h[11] Формула площади вписанно-описанного четырёхугольника ABCD с центром вписанной окружности I[7] Если вписанно-описанный четырёхугольник имеет касательные хорды k, l и диагонали p, q, тогда он имеет площадь[12] Если k, l являются касательными хордами и m, n являются бимедианами четырёхугольника, тогда площадь может быть вычислена с помощью формулы[7]. Формула не может быть использована, если четырёхугольник является прямоугольным дельтоидом, поскольку в этом случае знаменатель равен нулю. Если M и N являются серединами диагоналей, а E и F являются точками пересечения продолжения сторон, то площадь вписанно-описанного четырёхугольника задаётся формулой
где I является центром вписанной окружности[7]. Формулы в терминах трёх величинПлощадь вписанно-описанного четырёхугольника можно выразить в терминах двух противоположных сторон и угла θ между диагоналями согласно формуле[7] В терминах двух смежных углов и радиуса r вписанной окружности площадь площадь задаётся формулой[7] Площадь задаётся в терминах радиуса R описанной окружности и радиуса r вписанной окружности как где θ является любым из углов между диагоналями[13]. Если M и N являются средними точками диагоналей, а E и F являются точками пересечения продолжений противоположных сторон, площадь можно выразить формулой
где Q является основанием перпендикуляра на прямую EF из центра вписанной окружности[7]. НеравенстваЕсли r и R являются радиусом вписанной окружности и радиусом описанной окружности соответственно, тогда площадь K удовлетворяет двойному неравенству[14] Равенство получим, только если четырёхугольник является квадратом. Другим неравенством для площади будет[15]:p.39,#1203
где r и R являются радиусом вписанной окружности и радиусом описанной окружности соответственно. Похожее неравенство, дающее более точную верхнюю границу для площади, чем предыдущее[13] и равенство достигается тогда и только тогда, когда четырёхугольник является прямоугольным дельтоидом. Кроме того, со сторонами a, b, c, d и полупериметром s:
Формулы угловЕсли a, b, c и d являются длинами сторон AB, BC, CD и DA соответственно во вписанно-описанном четырёхугольнике ABCD, то его углы в вершинах можно вычислить с помощью тангенса[7]: Если использовать те же обозначения, выполняются следующие формулы для синусов и косинусов[16]: Угол θ между диагоналями можно вычислить из формулы[8]. Радиус вписанной окружности и радиус описанной окружностиРадиус вписанной окружности r вписанно-описанного четырёхугольника определяется сторонами a, b, c, d по формуле[3] Радиус описанной окружности R является частным случаем формулы Парамешвары[3] Радиус вписанной окружности можно выразить также в терминах последовательных касательных длин e, f, g, h согласно формуле[17]. Эти две формулы, фактически, являются необходимыми и достаточными условиями для описанного четырёхугольника с радиусом вписанной окружности r быть вписанным. Четыре стороны a, b, c, d вписанно-описанного четырёхугольника являются решениями уравнения четвёртой степени[англ.]
где s является полупериметром, а r и R являются радиусом вписанной окружности и радиусом описанной окружности соответственно[18]. Если имеется вписанно-описанный четырёхугольник с радиусом вписанной окружности r, касательные длины которых равны e, f, g, h, то существует вписанно-описанный четырёхугольник с радиусом вписанной окружности rv, касательные длины которых равны , где v могут быть любым вещественным числом[19]. Вписанно-описанный четырёхугольник имеет больший радиус вписанной окружности, чем любой другой описанный четырёхугольник, имеющий те же длины сторон в той же последовательности[20]. НеравенстваРадиус описанной окружности R и радиус вписанной окружности r удовлетворяют неравенству
которое доказал Л. Фейеш Тот в 1948[21]. Неравенство превращается в равенство, только если две окружности концентричны (центры совпадают). В этом случае четырёхугольник является квадратом. Неравенство можно доказать несколькими различными путями, один из путей использует двойное неравенство для площади выше. Обобщением предыдущего неравенства является[2][22].
где неравенство превращается в равенство тогда и только тогда, когда четырёхугольник является квадратом[23]. Полупериметр s вписанно-описанного четырёхугольника удовлетворяет[24]
где r и R являются радиусом вписанной окружности и радиусом описанной окружности соответственно. Более того,[15]:p.39,#1203 и
Расстояние между центром вписанной окружности и центром описанной окружностейТеорема ФуссаТеорема Фусса даёт связь между радиусом вписанной окружности r, радиусом описанной окружности R и расстоянием x между центром вписанной окружности I и центром описанной окружности O, для любого бицентрического четырёхугольника. Связь задаётся формулой[1][9][25]. Или, эквивалентно, Формулу вывел Николай Иванович Фусс (1755–1826) в 1792. Решая относительно x, получим Теорема Фусса для вписанно-описанных четырёхугольников, которая является аналогом теоремы Эйлера для треугольников, утверждает, что если четырёхугольник бицентрический, то его две ассоциированных окружности связаны приведённой выше формулой. Фактически, обратное также выполняется — если даны две окружности (одна внутри другой) с радиусами R и r и расстояние x между их центрами удовлетворяет условию теоремы Фусса, существует выпуклый четырёхугольник, вписанный в одну из окружностей, а другая окружность будет вписана в четырёхугольник[26] (а тогда, по теореме Понселе, существует бесконечно много таких четырёхугольников). Если использовать факт, что в выражении теоремы Фусса, получим другим способом уже упомянутое неравенство Обобщением неравенства будет[27] Тождество КарлицаДругая формула расстояния x между центрами вписанной окружности и описанной окружности принадлежит американскому математику Леонарду Карлицу (1907–1999). Формула утверждает, что[28].
где r и R являются радиусом вписанной окружности и радиусом описанной окружности соответственно, и
где a, b, c, d являются сторонами вписанно-описанного четырёхугольника. Неравенства для касательных длин и сторонДля касательных длин e, f, g, h выполняются следующие неравенства[29]: и
где r является радиусом вписанной окружности, R является радиусом описанной окружности, а x является расстоянием между центрами этих окружностей. Стороны a, b, c, d удовлетворяют неравенствам[27] и Другие свойства центра вписанной окружностиЦентр описанной окружности, центр вписанной окружности и точка пересечения диагоналей во вписанно-описанном четырёхугольнике коллинеарны.[30] Есть следующее равенство относительно четырёх расстояний между центром вписанной окружности I и вершинами бицентрического четырёхугольника ABCD:[31]
где r — радиус вписанной окружности. Если точка P является пересечением диагоналей во вписанно-описанном четырёхугольнике ABCD с центром вписанной окружности I, то[32] Есть неравенство для радиуса r вписанной окружности и радиуса описанной окружности R во вписанно-описанном четырёхугольнике ABCD[33]
где I является центром вписанной окружности. Свойства диагоналейДлины диагоналей во вписанно-описанном четырёхугольнике можно выразить терминах сторон или касательных длин. Эти формулы верны для вписанных четырёхугольников и описанных четырёхугольников соответственно. Во вписанно-описанном четырёхугольнике с диагоналями p и q выполняется тождество[34]:
где r и R являются радиусом вписанной окружности и радиусом описанной окружности соответственно. Это тождество можно переписать как[13] или, решив его как квадратное уравнение относительно произведения диагоналей, получим Есть неравенство для произведения диагоналей p, q во вписанно-описанном четырёхугольнике[14]
где a, b, c, d — стороны. Неравенство доказал Мюррей С. Кламкин в 1967. См. такжеПримечания
Литература
|