Bisentrik to'rtburchak - Bicentric quadrilateral

ABCD va EFGH bitsentrik to'rtburchaklar uchun Poncelet porizmi

Yilda Evklid geometriyasi, a bisentrik to'rtburchak a qavariq to'rtburchak ikkalasi ham bor aylana va a aylana. Ushbu doiralarning radiusi va markazi deyiladi nurlanish va sirkradiusva rag'batlantirish va aylana navbati bilan. Ta'rifdan kelib chiqadiki, bisentrik to'rtburchaklar ikkalasining ham barcha xususiyatlariga ega tangensial to'rtburchaklar va tsiklik to'rtburchaklar. Ushbu to'rtburchaklar uchun boshqa nomlar akkord-tangensli to'rtburchak^[1] va to'rtburchak yozilgan va chegaralangan. Bundan tashqari, u kamdan-kam hollarda a deb nomlangan ikki qavatli to'rtburchak^[2] va ikki marta yozilgan to'rtburchak.^[3]

Agar ikkitasi bir-birining ichkarisida joylashgan bo'lsa, ikki burchakli to'rtburchakning aylanasi va aylanasi bo'lsa, u holda aylananing har bir nuqtasi bir xil aylana va aylanaga ega bo'lgan ikki burchakli to'rtburchakning tepasi.^[4] Bu xulosa Ponceletning porizmi buni frantsuz matematikasi isbotlagan Jan-Viktor Ponsel (1788–1867).

Maxsus holatlar

A o'ng uçurtma

Bisentrik to'rtburchaklarga misollar kvadratchalar, o'ng uçurtmalar va teng yonli trapezoidlar.

Xarakteristikalar

Bisentrik to'rtburchak ABCD va uning aloqa to'rtburchagi WXYZ

Qavariq to'rtburchak A B C D yon tomonlari bilan a, b, v, d ikki markazli agar va faqat agar qarama-qarshi tomonlar qondirishadi Pitot teoremasi tangensial to'rtburchaklar uchun va qarama-qarshi burchaklar bo'lgan tsiklik to'rtburchak xususiyat qo'shimcha; anavi,

${displaystyle {egin {case} a + c = b + d A + C = B + D = pi .end {case}}}$

Uchta boshqa xarakteristikalar quyidagi nuqtalarga tegishli aylana a tangensial to'rtburchak tomonlarga tegib turadi. Agar aylana yon tomonlarga tegsa AB, Miloddan avvalgi, CD, DA da V, X, Y, Z tegishlicha to'rtburchak A B C D agar quyidagi uchta shartdan biri bajarilsa, tsiklik bo'ladi:^[5]

• WY bu perpendikulyar ga XZ
• ${displaystyle {frac {AW} {WB}} = {frac {DY} {YC}}}$
• ${displaystyle {frac {AC} {BD}} = {frac {AW + CY} {BX + DZ}}}$

Ushbu uchtadan birinchisi degan ma'noni anglatadi aloqa to'rtburchagi WXYZ bu ortdiagonal to'rtburchak.

Agar E, F, G, H ning o'rta nuqtalari WX, XY, YZ, ZW tegishlicha to'rtburchak A B C D shuningdek tsiklikdir agar va faqat agar to'rtburchak EFGH a to'rtburchak.^[5]

Boshqa xarakteristikaga ko'ra, agar Men bo'ladi rag'batlantirish a tangensial to'rtburchak qarama-qarshi tomonlarning kengaytmalari kesishgan joyda J va K, u holda to'rtburchak ham tsiklik bo'ladi va agar shunday bo'lsa JIK a to'g'ri burchak.^[5]

Yana boshqasi zarur va etarli shart tangensial to'rtburchak A B C D agar u bo'lsa, tsiklik bo'ladi Nyuton chizig'i uning aloqa to'rtburchagining Nyuton chizig'iga perpendikulyar WXYZ. (To'rtburchakning Nyuton chizig'i uning diagonallarining o'rta nuqtalari bilan aniqlangan chiziqdir.)^[5]

Qurilish

WXYZ aloqa to'rtburchagi bilan ABCD bo'lgan bisentrik to'rtburchak. Animatsiya bu erga qarang

Bisentrik to'rtburchakni qurish uchun oddiy usul mavjud:

Bu aylana bilan boshlanadi C_r atrofida markaz Men radiusi bilan r va keyin ikkitasini bir-biriga torting perpendikulyar akkordlar WY va XZ aylanada C_r. Akkordlarning so'nggi nuqtalarida tangents a, b, v va d aylanaga. Ular to'rtta nuqtada kesishadi A, B, C va D., qaysi tepaliklar bisentrik to'rtburchakning^[6]Davrani chizish uchun ikkitasini chizish kerak perpendikulyar bissektrisalar p₁ va p₂ bisentrik to'rtburchakning yon tomonlarida a navbati bilan b. Perpendikulyar bissektrisalar p₁ va p₂ markazda kesishadi O sunnat C_R masofa bilan x markazga Men atrofi C_r. Atrofni markaz atrofida chizish mumkin O.

Ushbu qurilishning haqiqiyligi xarakteristikaga bog'liq, a tangensial to'rtburchak A B C D, aloqa to'rtburchagi WXYZ perpendikulyarga ega diagonallar agar va faqat tangensial to'rtburchak bo'lsa tsiklik.

Maydon

To'rt miqdor bo'yicha formulalar

The maydon K Bisentrik to'rtburchak to'rtburchakning to'rtta kattaligi bilan bir necha xil usulda ifodalanishi mumkin. Agar tomonlar bo'lsa a, b, v, d, keyin maydon tomonidan beriladi^{[7][8][9][10][11]}

${displaystyle displaystyle K = {sqrt {abcd}}.}$

Bu alohida holat Braxmagupta formulasi. Bundan tashqari, to'g'ridan-to'g'ri a maydoni uchun trigonometrik formuladan olinishi mumkin tangensial to'rtburchak. Shunga e'tibor bering: aksincha, bententrik bo'lmagan ba'zi to'rtburchaklar ham maydonga ega ${displaystyle displaystyle K = {sqrt {abcd}}.}$^[12] Bunday to'rtburchakning bir misoli kvadrat emas to'rtburchak.

Maydonni quyidagicha ifodalash mumkin tangens uzunligi e, f, g, h kabi^[8]:128-bet

${displaystyle K = {sqrt [{4}] {efgh}} (e + f + g + h).}$

Bisentrik to'rtburchak maydoni formulasi A B C D rag'batlantirish bilan Men bu^[9]

${displaystyle K = AIcdot CI + BIcdot DI.}$

Agar bisentrik to'rtburchak bo'lsa tangens akkordlari k, l va diagonallar p, q, keyin u maydonga ega^[8]:129-bet

${displaystyle K = {frac {klpq} {k ^ {2} + l ^ {2}}}.}$

Agar k, l tangens akkordlari va m, n ular bimediyaliklar to'rtburchakning, keyin maydonni formuladan foydalanib hisoblash mumkin^[9]

${displaystyle K = chap | {frac {m ^ {2} -n ^ {2}} {k ^ {2} -l ^ {2}}} ight | kl}$

Agar to'rtburchak a bo'lsa, ushbu formuladan foydalanish mumkin emas o'ng uçurtma, chunki bu holda maxraj nolga teng.

Agar M va N diagonallarning o'rta nuqtalari va E va F qarama-qarshi tomonlarning kengaytmalarining kesishish nuqtalari, keyin bisentrik to'rtburchakning maydoni quyidagicha berilgan

${displaystyle K = {frac {2MNcdot EIcdot FI} {EF}}}$

qayerda Men aylananing markazidir.^[9]

Uch miqdor bo'yicha formulalar

Bisentrik to'rtburchakning maydonini ikki qarama-qarshi tomon va burchak bilan ifodalash mumkin θ ga ko'ra diagonallar orasidagi^[9]

${displaystyle K = ac an {frac {heta} {2}} = bdcot {frac {heta} {2}}.}$

Ikki qo'shni burchak va radius bo'yicha r atrofi, maydoni tomonidan berilgan^[9]

${displaystyle K = 2r ^ {2} chap ({frac {1} {sin {A}}} + {frac {1} {sin {B}}} ight).}$

Maydon sirkutradius nuqtai nazaridan berilgan R va nurlanish r kabi

${displaystyle K = r (r + {sqrt {4R ^ {2} + r ^ {2}}}) sin heta}$

qayerda θ yoki diagonallar orasidagi burchakdir.^[13]

Agar M va N diagonallarning o'rta nuqtalari va E va F qarama-qarshi tomonlarning kengaytmalarining kesishish nuqtalari, keyin maydonni quyidagicha ifodalash mumkin

${displaystyle K = 2MN {sqrt {EQcdot FQ}}}$

qayerda Q chiziqqa perpendikulyar oyoqdir EF atrofi o'rtasidan.^[9]

Tengsizliklar

Agar r va R mos ravishda inradius va sirkramadius, u holda maydon K qondiradi tengsizlik^[14]

${displaystyle displaystyle 4r ^ {2} leq Kleq 2R ^ {2}.}$

Faqat to'rtburchak a bo'lsa, ikkala tomonda tenglik mavjud kvadrat.

Hudud uchun yana bir tengsizlik^{[15]:39-son, # 1203-son}

${displaystyle Kleq {frac {4} {3}} r {sqrt {4R ^ {2} + r ^ {2}}}}$

qayerda r va R navbati bilan radiatsiya va sirkradiusdir.

Xuddi shunga o'xshash tengsizlik, maydon uchun oldingisiga nisbatan keskin yuqori chegarani beradi^[13]

${displaystyle Kleq r (r + {sqrt {4R ^ {2} + r ^ {2}}})}$

agar to'rtburchak a ga teng bo'lsa, tenglikni ushlab turish bilan o'ng uçurtma.

Bundan tashqari, tomonlar bilan a B C D va semiperimetr s:

${displaystyle 2 {sqrt {K}} leq sleq r + {sqrt {r ^ {2} + 4R ^ {2}}};}$^{[15]:39-son, # 1203-son}

${displaystyle 6Kleq ab + ac + ad + bc + bd + cdleq 4r ^ {2} + 4R ^ {2} + 4r {sqrt {r ^ {2} + 4R ^ {2}}};}$^{[15]:39-son, # 1203-son}

${displaystyle 4Kr ^ {2} leq abcdleq {frac {16} {9}} r ^ {2} (r ^ {2} + 4R ^ {2}).}$^{[15]:39-son, # 1203-son}

Burchak formulalari

Agar a, b, v, d tomonlarning uzunligi AB, Miloddan avvalgi, CD, DA navbati bilan bisentrik to'rtburchakda A B C D, keyin uning tepalik burchaklarini. bilan hisoblash mumkin tangens funktsiyasi:^[9]

${displaystyle an {frac {A} {2}} = {sqrt {frac {bc} {ad}}} = cot {frac {C} {2}},}$

${displaystyle an {frac {B} {2}} = {sqrt {frac {cd} {ab}}} = cot {frac {D} {2}}.}$

Xuddi shu yozuvlardan foydalanish uchun sinus va kosinus funktsiyalari quyidagi formulalar mavjud:^[16]

${displaystyle sin {frac {A} {2}} = {sqrt {frac {bc} {ad + bc}}} = cos {frac {C} {2}},}$

${displaystyle cos {frac {A} {2}} = {sqrt {frac {ad} {ad + bc}}} = sin {frac {C} {2}},}$

${displaystyle sin {frac {B} {2}} = {sqrt {frac {cd} {ab + cd}}} = cos {frac {D} {2}},}$

${displaystyle cos {frac {B} {2}} = {sqrt {frac {ab} {ab + cd}}} = sin {frac {D} {2}}.}$

Burchak θ diagonallar orasidagi hisoblash mumkin^[10]

${displaystyle displaystyle an {frac {heta} {2}} = {sqrt {frac {bd} {ac}}}.}$

Inradius va circradius

The nurlanish r Bisentrik to'rtburchakning tomonlari tomonidan aniqlanadi a, b, v, d ga binoan^[7]

${displaystyle displaystyle r = {frac {sqrt {abcd}} {a + c}} = {frac {sqrt {abcd}} {b + d}}.}$

The sirkradius R ning maxsus holati sifatida berilgan Parameshvara formulasi. Bu^[7]

${displaystyle displaystyle R = {frac {1} {4}} {sqrt {frac {(ab + cd) (ac + bd) (ad + bc)} {abcd}}}.}$

Inradiyni ketma-ketlik bilan ham ifodalash mumkin tangens uzunligi e, f, g, h ga binoan^{[17]:p. 41}

${displaystyle displaystyle r = {sqrt {eg}} = {sqrt {fh}}.}$

Ushbu ikkita formulalar aslida zarur va etarli shartlar a tangensial to'rtburchak inradius bilan r bolmoq tsiklik.

To'rt tomon a, b, v, d Bisentrik to'rtburchakning to'rtta eritmasi kvartik tenglama

${displaystyle y ^ {4} -2sy ^ {3} + (s ^ {2} + 2r ^ {2} + 2r {sqrt {4R ^ {2} + r ^ {2}}}) y ^ {2} -2rs ({sqrt {4R ^ {2} + r ^ {2}}} + r) y + r ^ {2} s ^ {2} = 0}$

qayerda s yarim semimetr va r va R navbati bilan nurlanish va sirkramadiusdir.^{[18]:p. 754}

Agar nurlanishli bisentrik to'rtburchak bo'lsa r kimning tangens uzunligi bor e, f, g, h, keyin radiatsiya bilan bisentrik to'rtburchak mavjud r^v uning tegins uzunligi e^v, f^v, g^v, h^v, qayerda v har qanday bo'lishi mumkin haqiqiy raqam.^{[19]:9-10 betlar}

Bisentrik to'rtburchak yon uzunliklarining bir xil ketma-ketligiga ega bo'lgan boshqa har qanday tangensial to'rtburchakka qaraganda ko'proq nurlanish nuriga ega.^{[20]:s.392-339}

Tengsizliklar

Sirkradius R va nurlanish r tengsizlikni qondirish

${displaystyle Rgeq {sqrt {2}} r}$

buni 1948 yilda L. Fejes Tot isbotlagan.^[19] Ikkala aylana bo'lgandagina u tenglikni saqlaydi konsentrik (bir-birlari bilan bir xil markazga ega bo'lish); u holda to'rtburchak a kvadrat. Tengsizlikni bir necha xil usullar bilan isbotlash mumkin, ulardan biri yuqorida ko'rsatilgan maydon uchun ikki baravar tengsizlikni qo'llaydi.

Avvalgi tengsizlikning kengaytmasi^{[2][21]:p. 141}

${displaystyle {frac {r {sqrt {2}}} {R}} leq {frac {1} {2}} chap (sin {frac {A} {2}} cos {frac {B} {2}} + sin {frac {B} {2}} cos {frac {C} {2}} + sin {frac {C} {2}} cos {frac {D} {2}} + sin {frac {D} {2 }} cos {frac {A} {2}} ight) leq 1}$

bu erda ikkala tomonda tenglik mavjud bo'lsa, agar to'rtburchak a bo'lsa kvadrat.^{[16]:p. 81}

The semiperimetr s Bisentrik to'rtburchak qondiradi^[19]:13-bet

${displaystyle {sqrt {8rleft ({sqrt {4R ^ {2} + r ^ {2}}} - o'ng)}} leq sleq {sqrt {4R ^ {2} + r ^ {2}}} + r}$

qayerda r va R navbati bilan nurlanish va sirkramadiusdir.

Bundan tashqari,^{[15]:39-son, # 1203-son}

${displaystyle 2sr ^ {2} leq abc + abd + acd + bcdleq 2r (r + {sqrt {r ^ {2} + 4R ^ {2}}}) ^ {2}}$

va

${displaystyle abc + abd + acd + bcdleq 2 {sqrt {K}} (K + 2R ^ {2}).}$ ^{[15]:62-bet, # 1599}

Rag'batlantiruvchi va aylanma tsentr o'rtasidagi masofa

I qo'zg'atuvchi va O sirkumentrli ABCD bo'lgan ikki markazli to'rtburchak

Fuss teoremasi

Fuss teoremasi nurlanish r, sirkradius R va masofa x o'rtasida rag'batlantirish Men va aylana O, har qanday bikentrik to'rtburchak uchun. Aloqalar^[1][11][22]

${displaystyle {frac {1} {(Rx) ^ {2}}} + {frac {1} {(R + x) ^ {2}}} = {frac {1} {r ^ {2}}}, }$

yoki unga teng ravishda

${displaystyle displaystyle 2r ^ {2} (R ^ {2} + x ^ {2}) = (R ^ {2} -x ^ {2}) ^ {2}.}$

Bu tomonidan olingan Nikolay Fuss (1755-1826) 1792 yilda. Uchun hal qilish x hosil

${displaystyle x = {sqrt {R ^ {2} + r ^ {2} -r {sqrt {4R ^ {2} + r ^ {2}}}}}.}$

Analogi bo'lgan Fuss teoremasi Eylerning uchburchaklar uchun teoremasi bisentrik to'rtburchaklar uchun aytadiki, agar to'rtburchak bitsentrik bo'lsa, u holda uning ikkita bog'langan doiralari yuqoridagi tenglamalar bo'yicha bog'liqdir. Darhaqiqat, teskari tomon ham amal qiladi: radiusli ikkita aylana (biri ikkinchisiga) berilgan R va r va masofa x ularning markazlari o'rtasida Fuss teoremasidagi shartni qondiradigan, ularning biriga yozilgan va ikkinchisiga tegib turgan qavariq to'rtburchak mavjud.^[23] (va keyin Ponceletning yopilish teoremasi, ularning cheksiz ko'plari bor).

Qo'llash ${displaystyle x ^ {2} geq 0}$ uchun Fuss teoremasining ifodasiga x xususida r va R yuqorida aytib o'tilgan tengsizlikni olishning yana bir usuli ${displaystyle Rgeq {sqrt {2}} r.}$ Umumlashtirish^[19]:5-bet

${displaystyle 2r ^ {2} + x ^ {2} leq R ^ {2} leq 2r ^ {2} + x ^ {2} + 2rx.}$

Karlitzning shaxsiyati

Masofaning yana bir formulasi x markazlari o'rtasida aylana va aylana amerikalik matematik tufayli Leonard Karlitz (1907-1999). Unda aytilishicha^[24]

${displaystyle displaystyle x ^ {2} = R ^ {2} -2Rrcdot mu}$

qayerda r va R ular nurlanish va sirkradius navbati bilan va

${displaystyle displaystyle mu = {sqrt {frac {(ab + cd) (ad + bc)} {(a + c) ^ {2} (ac + bd)}}} = {sqrt {frac {(ab + cd)) (ad + bc)} {(b + d) ^ {2} (ac + bd)}}}}$

qayerda a, b, v, d bisentrik to'rtburchakning yon tomonlari.

Tangens uzunliklari va tomonlari uchun tengsizliklar

Uchun tangens uzunligi e, f, g, h quyidagi tengsizliklar mavjud:^[19]:3-bet

${displaystyle 4rleq e + f + g + hleq 4rcdot {frac {R ^ {2} + x ^ {2}} {R ^ {2} -x ^ {2}}}}$

va

${displaystyle 4r ^ {2} leq e ^ {2} + f ^ {2} + g ^ {2} + h ^ {2} leq 4 (R ^ {2} + x ^ {2} -r ^ {2 })}$

qayerda r radiatsiya, R sirkradius va x rag'batlantiruvchi va aylanma sig'im o'rtasidagi masofa. Tomonlar a, b, v, d tengsizlikni qondirish^[19]:5-bet

${displaystyle 8rleq a + b + c + dleq 8rcdot {frac {R ^ {2} + x ^ {2}} {R ^ {2} -x ^ {2}}}}$

va

${displaystyle 4 (R ^ {2} -x ^ {2} + 2r ^ {2}) leq a ^ {2} + b ^ {2} + c ^ {2} + d ^ {2} leq 4 (3R) ^ {2} -2r ^ {2}).}$

Rag'batlantirishning boshqa xususiyatlari

The aylana, rag'batlantirish, va ning kesishishi diagonallar Bisentrik to'rtburchakda kollinear.^[25]

Rag'batlantirish o'rtasidagi to'rtta masofaga tegishli quyidagi tenglik mavjud Men va bisentrik to'rtburchakning tepalari A B C D:^[26]

${displaystyle {frac {1} {AI ^ {2}}} + {frac {1} {CI ^ {2}}} = {frac {1} {BI ^ {2}}} + {frac {1} { DI ^ {2}}} = {frac {1} {r ^ {2}}}}$

qayerda r nurlanishdir.

Agar P bisentrik to'rtburchakda diagonallarning kesishishi A B C D rag'batlantirish bilan Men, keyin^[27]

${displaystyle {frac {AP} {CP}} = {frac {AI ^ {2}} {CI ^ {2}}}.}$

Inradiyga nisbatan tengsizlik r va sirkradius R bisentrik to'rtburchakda A B C D bu^[28]

${displaystyle 4r ^ {2} leq AIcdot CI + BIcdot DIleq 2R ^ {2}}$

qayerda Men rag'batlantirishdir.

Diagonallarning xususiyatlari

Bisentrik to'rtburchakdagi diagonallarning uzunligini quyidagicha ifodalash mumkin tomonlar yoki tangens uzunligi, bu formulalar bo'lgan a tsiklik to'rtburchak va a tangensial to'rtburchak navbati bilan.

Bilan bisentrik to'rtburchakda diagonallar p va q, quyidagi identifikatorga ega:^[11]

${displaystyle displaystyle {frac {pq} {4r ^ {2}}} - {frac {4R ^ {2}} {pq}} = 1}$

qayerda r va R ular nurlanish va sirkradius navbati bilan. Ushbu tenglikni qayta yozish mumkin^[13]

${displaystyle r = {frac {pq} {2 {sqrt {pq + 4R ^ {2}}}}}}$

yoki, uni a sifatida hal qilish kvadrat tenglama shaklida diagonallar mahsuloti uchun

${displaystyle pq = 2rleft (r + {sqrt {4R ^ {2} + r ^ {2}}} ight).}$

Diagonallar ko'paytmasi uchun tengsizlik p, q bisentrik to'rtburchakda^[14]

${displaystyle displaystyle 8pqleq (a + b + c + d) ^ {2}}$

qayerda a, b, v, d tomonlar. Bu isbotlangan Murray S. Klamkin 1967 yilda.

To'rtta rag'batlantirish aylanada yotadi

Ruxsat bering A B C D bisentrik to'rtburchak bo'ling va O uning aylanasining markazi. Keyin to'rtburchak uchburchagi OAB, OBC, OKB, ODA aylana ustida yotish.^[29]

Shuningdek qarang

• Bisentrik ko'pburchak
• Ex-tangensial to'rtburchak

Adabiyotlar