Інші назви цих чотирикутників — це конциклічні чотирикутники та хордальні чотирикутники, оскільки сторони чотирикутника — це хорди описаного кола.
Вписаний чотирикутник може бути опуклим або перехрещеним чотирикутником. Формули та властивості, наведені нижче, стосуються опуклих вписаних чотирикутників.
Особливі випадки
Приклади вписаних чотирикутників.
Не кожен чотирикутник можна вписати в коло. Прикладом чотирикутника, який не можна вписати, є не квадратний ромб, або нерівнобічна трапеція.
Зовні-описаний чотирикутник — опуклий чотирикутник, у якого прямі, на яких лежать його сторони, є дотичними до певного кола поза чотирикутником.
Гармонійний чотирикутник — це чотирикутник, який можна вписати в коло та добутки довжин протилежних сторін якого рівні.
Пов'язані визначення
Вписаний чотирикутник. Бівисоти та бімедіани.
Для кожної сторони вписаного чотирикутника можна провести пряму, яка буде перпендикулярна цій стороні і проходити через середину протилежної сторони.
Відрізки цих прямих між сторонами називають бівисотами[3] (або антимедіатрисами, по аналогії із серединним перпендикуляром (медіатрисою) до сторони трикутника). Опуклий вписаний чотирикутник має чотири бівисоти (KY, LV, MX та NW), які є конкурентними прямими, тобто перетинаються в одній точці Т — антицентрі чотирикутника[4]:131[5].
Відрізки, що сполучають середини протилежних сторін (KM, LN), називаються бімедіанами чотирикутника.
Бімедіани чотирикутника перетинаються в точці Gv — вершинному центроїді чотирикутника (центр тяжіння рівних мас, зосереджених у вершинах чотирикутника).
Опуклий чотирикутник можна вписати тоді й лише тоді, коли чотири перпендикуляри до середин сторін є конкурентними, тобто, перетинаються в одній точці. Ця спільна точка є центром описаного кола[6].
Сума протилежних кутів.
Опуклий чотирикутник ABCD можна вписати тоді і лише тоді, коли сума його протилежних кутів дорівнює1800[1][6],[7]:
Прямі m1 та m2 антипаралельні відносно прямих l1 та l2
Це твердження еквівалентне наступному:
Опуклий чотирикутник можна вписати в коло тоді і тільки тоді, коли кожен його зовнішній кут дорівнює протилежному внутрішньому куту.
Тобто, якщо дві протилежні сторони чотирикутника є антипаралельними[en] відносно двох інших сторін.
Наслідок:
В термінах тангенсів половинних кутів, це твердження можна записати наступним чином:
Це означає, що чотирикутник вписано тоді і тільки тоді, коли виконується рівність[9]:
Кути між сторонами та діагоналями.
Ще одна необхідна і достатня умова, щоб опуклий чотирикутник ABCD був вписаним — кут між стороною та діагоналлю повинен дорівнювати куту між протилежною стороною та іншою діагоналлю[10][11]:45-46.
Тобто, наприклад,
Теорема Птолемея виражає добуток довжин двох діагоналей p і q вписаного чотирикутника, як суму добутків протилежних сторін[12]:25[7][13]:67:
Має місце обернена теорема. Тобто, якщо ця рівність виконується для опуклого чотирикутника, тоді він є вписаним в коло.
Теорема про перетин хорд.
Якщо дві прямі, одна, що містить відрізок AC, а інша, що містить відрізок BD, перетинаються в точці P, то чотири точки A, B, C, D є конциклічними (тобто, є вершинами вписаного чотирикутника, без урахування порядку вершин), тоді й лише тоді, коли[14]
Точка перетину P може бути як зовні так і всередині кола. У першому випадку описаний чотирикутник — ABCD, а в другому випадку вписаний чотирикутник — ABDC. Коли перетин є внутрішнім, рівність зазначає, що добуток відрізка довжини, на який P ділить одну діагональ, дорівнює іншій діагоналі. Це твердження відомо як теорема про перетин хорд, оскільки діагоналі вписаного чотирикутника є хордами.
ABCD — вписаний чотирикутник.PFG — діагональний трикутник ABCD. Точка T перетину бімедіан ABCD належить колу дев'яти точок трикутника PFG.
Нехай PFG є діагональним трикутником в опуклому чотирикутнику ABCD (точка P — точка перетину діагоналей чотирикутника, G — точка перетину продовжень сторін AB та DC, F — точка перетину продовжень сторін AD та BC). І нехай — коло дев'яти точок трикутника PFG.
ABCD можна вписати в коло тоді і лише тоді, коли точка T перетину бімедіан KL та XV чотирикутника ABCD належить цьому колу дев'яти точок.[7][15][16].
Чотирикутник вписаний в коло, якщо точки О, Р, Q лежать на одній прямій
Точки Паскаля
Нехай в опуклому чотирикутнику ABCD, E — точка перетину діагоналей, а F — точка перетину продовжень сторін AD та BC. І нехай — коло, діаметром якого є відрізок EF, що формує на сторонах AB та CD точки Паскаля P та Q (див. мал.)
Чотирикутник ABCD є вписаним тоді і лише тоді, коли точки P та Qколінеарні з центром O кола .
Чотирикутник ABCD є вписаним тоді і лише тоді, коли точки P та Q є серединами сторін AB та CD.[7]
Якщо є чотири неоднакові довжини, кожна менша від суми трьох інших, то вони будуть сторонами для трьох неконгруентних вписаних чотирикутників[18]:57, які за формулою Брахмагупти мають однакову площу. Зокрема, для сторін a, b, c і d сторона a може бути протилежною будь-якій зі сторін b, c або d.
Площу вписаного чотирикутника з послідовними сторонами a, b, c, d та кутом B між сторонами a і b можна виразити як[12]:25
де R — радіус описаного кола. Як прямий наслідок цієї формули[20],
де рівність буде, тоді і тільки тоді, коли чотирикутник є квадратом.
Діагоналі
Вписаний чотирикутник
У вписаному чотирикутнику з послідовними вершинами A, B, C, D і сторонами a = AB, b = BC, c = CD і d = DA, довжини діагоналей p = AC і q = BD можна виразити через довжини сторін як[12]:25[21][22]:84
У будь-якому опуклому чотирикутнику дві діагоналі розділяють чотирикутник на чотири трикутники; у вписаному чотирикутнику протилежні пари цих чотирьох трикутників подібні між собою.
Якщо M і N — середини діагоналей AC і BD, а точки E і F — точки перетину прямих, на яких лежать протилежні сторони чотирикутника, то[24] :
Якщо діагоналі AC і BD вписаного чотирикутника ABCD перетинаються у точці P, то[25]
Множина сторін, які можуть утворювати вписаний чотирикутник, може бути впорядкована у будь-якій з трьох різних послідовностей, кожна з яких може утворювати вписаний чотирикутник тієї самої площі в одному і тому ж колі (їх площа буде однакова за формулою площі Брахмагупти). Будь-які з цих вписаних чотирикутників мають одну спільну довжину діагоналі[22]:84.
Формули кута
Для вписаного чотирикутника із послідовними сторонами a, b, c, d, півпериметром s та кутом A між сторонами a та dтригонометричні функції від A задаються формулами[26]
Кут φ між діагоналями можна знайти за формулою:[12]:26
Якщо продовження протилежних сторін a і c перетинаються під кутом θ, то
У вписаному чотирикутнику ABCDінцентриM1, M2, M3, M4 (див. рисунок праворуч) у трикутниках DAB, ABC, BCD, та CDA є вершинами прямокутника.
Крім того, якщо точки P, Q, R, S є серединами відповідно дуг AB, BC, CD та AD описаного кола, то відрізки PR та QS є паралельними до сторін цього прямокутника і перетинаються в його центрі.[28]:43-44.
Сума радіусів вписаних кіл трикутників ∆ABC та ∆ACD дорівнює сумі радіусів вписаних кіл трикутників ∆ABD та ∆BCD[13]:67.
Узагальнення японської теореми про вписаний чотирикутник
Також, якщо з'єднати між собою центроїди GA, GB, GC, GD трикутників ∆ABD, ∆ABC , ∆BCD, ∆ACD, їх центри кіл дев'яти точок NA, NB, NC, ND, та їх ортоцентриHA, HB, HC, HD, отримаємо три чотирикутника, що подібні до вихідного чотирикутника ABCD. А чотирикутник HAHBHCHD крім того є ще і конгруентним (рівним) ABCD.[11][28]:43-44.
Нехай у вписаному опуклому чотирикутнику ABCD:
G — точка перетину прямих GAGC та GBGD,
Н — точка перетину прямих HAHC та HBHD.
O — центр описаного кола.
Тоді, точки H, G і O лежать на одній прямій і HG:GO = 2:1.
У вписаному чотирикутнику ABCD з центром описаного кола — O, через P позначимо точку, в якій перетинаються діагоналі AC і BD. Тоді кут APB — це середнє арифметичне кутів AOB і COD.
Якщо вписаний чотирикутник має довжини сторін, які утворюють арифметичну прогресію, чотирикутник також є зовнішньо-описаним.
Якщо прямі на яких лежать протилежні сторони вписаного чотирикутника перетинаються в точках E та F, то внутрішні бісектриси кутів в точках E і F — перпендикулярні[18]:60.
Узагальненням до теореми Птолемея є: теорема Пурсера[30], та перша й друга теореми Кейсі.
Чудові точки та лінії чотирикутника
Антицентр та колінеарність
У вписаному в коло чотирикутнику, чотири його бівисоти перетинаються в одній точці Н. Ця точка називається антицентром чотирикутника.
Доведення
Середини сторін чотирикутника є вершинами паралелограма.
При симетрії відносно точки перетину діагоналей цього паралелограма, бівисоти переходять в серединні перпендикуляри до сторін цього чотирикутника. Оскільки чотирикутник вписаний, то ці серединні перпендикуляри перетинаються в одній точці — центрі описаного кола. Як наслідок, перпендикуляри, що розглядаються (бівисоти), також перетинаються в одній точці.
Антицентр вписаного чотирикутника
В опуклому чотирикутнику дві його бімедіани перетинаються в точці Gv — вершинному центроїді чотирикутника, центру тяжіння рівних мас, зосереджених у вершинах чотирикутника
Антицентр має властивість бути відображенням центру описаного кола О відносно «вершинного центроїда». Таким чином, у вписаному чотирикутнику центр описаного кола, «вершинний центроїд» та антицентр є колінеарними[5]:39, тобто, лежать на одній прямій. Крім того вершинний центроїд чотирикутника знаходиться в середині відрізка HO. Пряма, що містить цей відрізок називається прямою Ейлера.
Нехай протилежні сторони AB та CD описаного чотирикутника перетинаються в точці Е. Точки S та Q — середини ціх сторін. Тоді, перпендикуляр, проведений з т Е на пряму SQ, проходить через антицентр H чотирикутника.[5]:41
Нехай центр О описаного кола чотирикутника симетрично відображено відносно його протилежних сторін в точки O1 та O2. Тоді пряма O1O2 проходить через антицентр H чотирикутника.[5]:41
Якщо діагоналі вписаного чотирикутника перетинаються в P, а середні точки діагоналей позначено як M і N, то антицентр Н чотирикутника є ортоцентром трикутника MNP[5]:39, а вершинний центроїд Gv чотирикутника знаходиться в середині відрізка MN (Пряма, що містить цей відрізок називається прямою Гауса)
Антицентр вписаного чотирикутника є точкою Понселе його вершин.
Центроїд площіG опуклого чотирикутника (в тому числі і вписаного в коло) знаходиться в точці перетину відрізків GAGC та GBGD, що сполучають центроїди трикутників, на які чотирикутник розділяється своїми діагоналями (∆ABD, ∆BCD, ∆ABC,∆ACD).
У вписаному чотирикутнику «центроїд площі» G, «центроїд вершин» Gv і точка P перетину діагоналей лежать на одній прямій. Для відстаней між цими точками виконується рівність:[31]
Чотирикутники Брахмагупти
Чотирикутник Брахмагупти[32] — це вписаний чотирикутник з цілими довжинами сторонами, цілими довжинами діагоналей та цілою площею. Усі чотирикутники Брахмагупти зі сторонами a, b, c, d, діагоналями e, f, площею K і радіусом описаного кола R можна отримати, якщо позбутися знаменників в наступних виразах, що містять раціональні параметри t, u і v:
Вписаний чотирикутник з перпендикулярними діагоналями (ортодіагональний)
Описане коло і площа
Для вписаного чотирикутника, який також є ортодіагональним (має перпендикулярні діагоналі), припустимо, що перетин діагоналей ділить одну діагональ на відрізки довжини p1 та p2, а іншу діагональ ділить на відрізки довжиною q1 та q2. Тоді[33]:104. задача 4-23 (перша рівність — це твердження 11 у «Книзі лем»Архімеда)
де D — діаметр описаного кола. Це справедливо, оскільки діагоналі — це перпендикулярні хорди кола. З цих рівнянь випливає, що радіус описаного кола R може бути виражений як
Таким чином, згідно з теоремою Ейлера про чотирикутник, радіус описаного кола може бути виражений через діагоналі p і q та відстань x між серединами діагоналей як
Формула для площі S вписаного ортодіагонального чотирикутника через довжини сторін отримується безпосередньо при поєднанні теореми Птолемея і формули площі ортодіагонального чотирикутника. Результат[34]:222:
Інші властивості
У вписаному ортодіагональному чотирикутнику антицентр збігається з точкою перетину діагоналей[4].
Теорема Брамагупти стверджує, що для вписаного чотирикутника, який також є ортодіагональним, перпендикуляр до будь-якої сторони, що проходить через точку перетину діагоналей, ділить протилежну сторону навпіл[4][5]:38
Якщо вписаний чотирикутник також є ортодіагональним, відстань від центру описаного кола до будь-якої сторони дорівнює половині довжини протилежної сторони[4].
У вписаному ортодіагональному чотирикутнику відстань між серединами діагоналей дорівнює відстані між центром описаного кола та точкою перетину діагоналей[4].
Вписані сферичні чотирикутники
У сферичній геометрії сферичний чотирикутник, утворений при перетині чотирьох великих кіл, буде вписаним тоді, і лише тоді, коли суми протилежних кутів однакові, тобто α + γ = β + δ для послідовних кутів α, β, γ, δ чотирикутника[35]. В одному напрямку ця теорема була доведена І. А. Лекселем у 1786 році[36]. Лексель показав, що у сферичному чотирикутнику, вписаному в мале коло сфери, суми протилежних кутів рівні, і що в описаному чотирикутнику суми протилежних сторін рівні. Перша з цих теорем — сферичний аналог плоскої теореми, а друга теорема — їй дуальна, тобто, вона є результатом заміни великих кіл та їх полюсів[37]. Кіпер та ін.[38] довели обернену теорему: «Якщо суми протилежних сторін рівні в сферичному чотирикутнику, то для цього чотирикутника існує вписане коло».
↑ абвгдежAltshiller-Court, Nathan (2007) [1952], College Geometry: An Introduction to the Modern Geometry of the Triangle and the Circle (вид. 2nd), Courier Dover, с. 131, 137—8, ISBN978-0-486-45805-2, OCLC78063045
↑ абUsiskin, Zalman; Griffin, Jennifer; Witonsky, David; Willmore, Edwin (2008), 10. Cyclic quadrilaterals, The Classification of Quadrilaterals: A Study of Definition, Research in mathematics education, IAP, с. 104: 63–65, ISBN978-1-59311-695-8
↑Bradley, Christopher J. (2007), The Algebra of Geometry: Cartesian, Areal and Projective Co-Ordinates, Highperception, с. 179, ISBN978-1906338008, OCLC213434422
↑Fraivert, David (July 2019). New points that belong to the nine-point circle. The Mathematical Gazette. 103 (557): 222—232. doi:10.1017/mag.2019.53.
↑Peter, Thomas (September 2003), Maximizing the area of a quadrilateral, The College Mathematics Journal, 34 (4): 315—6, doi:10.2307/3595770, JSTOR3595770
↑ абCoxeter, Harold Scott MacDonald; Greitzer, Samuel L. (1967), 3.2 Cyclic Quadrangles; Brahmagupta's formula, Geometry Revisited(PDF), Mathematical Association of America, с. 57, 60, ISBN978-0-88385-619-2
↑Buchholz, R. H.; MacDougall, J. A. (1999), Heron quadrilaterals with sides in arithmetic or geometric progression, Bulletin of the Australian Mathematical Society, 59 (2): 263—9, doi:10.1017/S0004972700032883, MR1680787
↑Sastry, K.R.S. (2002). Brahmagupta quadrilaterals(PDF). Forum Geometricorum. 2: 167—173. Архів оригіналу(PDF) за 22 квітня 2018. Процитовано 16 грудня 2019.