Существует ли четырехугольник с перпендикулярными диагоналями. Ортодиагональный четырёхугольник
Четырёхугольники, в которых диагонали не меньше любой стороны, имеют максимальный диаметр среди всех четырёхугольников, что решает случай n = 4 задачи наибольшего по площади многоугольника единичного диаметра . Квадрат является одним из таких четырёхугольников, но есть бесконечно много других.
Описание
A 2 + c 2 = b 2 + d 2 . {\displaystyle \displaystyle a^{2}+c^{2}=b^{2}+d^{2}.}
Диагонали выпуклого четырёхугольника перпендикулярны тогда и только тогда, когда бимедианы имеют одинаковую длину .
Диагонали выпуклого четырёхугольника ABCD перпендикулярны также тогда и только тогда, когда
∠ P A B + ∠ P B A + ∠ P C D + ∠ P D C = π {\displaystyle \angle PAB+\angle PBA+\angle PCD+\angle PDC=\pi } ,где P - точка пересечения диагоналей. Из этого равенства следует почти немедленно, что диагонали выпуклого четырёхугольника перпендикулярны также тогда и только тогда, когда проекции пересечения диагоналей на стороны четырёхугольника являются вершинами вписанного четырёхугольника .
Есть несколько соотношений относительно четырёх треугольников , образованных точкой пересечения диагоналей P и вершинами выпуклого четырёхугольника ABCD . Обозначим через m 1 , m 2 , m 3 , m 4 медианы в треугольниках ABP , BCP , CDP , DAP из P на стороны AB , BC , CD , DA соответственно. Обозначим через R 1 , R 2 , R 3 , R 4 радиусы описанных окружностей , а через h 1 , h 2 , h 3 , h 4 - высоты этих треугольников. Тогда четырёхугольник ABCD ортодиагонален тогда и только тогда, когда выполняется любое из следующих равенств :
Более того, четырёхугольник ABCD с точкой пересечения диагоналей P ортодиагонален тогда и только тогда, когда центры описанных вокруг треугольников ABP , BCP , CDP и DAP окружностей являются серединами сторон четырёхугольника .
Сравнение с описанным четырёхугольником
Некоторые числовые характеристики описанных четырёхугольников и ортодиагональных четырёхугольников очень похожи, что видно в следующей таблице . Здесь длины сторон четырёхугольника равны a , b , c , d , радиусы описанных окружностей вокруг треугольников равны R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , а высоты равны h 1 , h 2 , h 3 , h 4 (как на рисунке).
Описанный четырёхугольник | Ортодиагональный четырёхугольник |
---|---|
a + c = b + d {\displaystyle a+c=b+d} | a 2 + c 2 = b 2 + d 2 {\displaystyle a^{2}+c^{2}=b^{2}+d^{2}} |
R 1 + R 3 = R 2 + R 4 {\displaystyle R_{1}+R_{3}=R_{2}+R_{4}} | R 1 2 + R 3 2 = R 2 2 + R 4 2 {\displaystyle R_{1}^{2}+R_{3}^{2}=R_{2}^{2}+R_{4}^{2}} |
1 h 1 + 1 h 3 = 1 h 2 + 1 h 4 {\displaystyle {\frac {1}{h_{1}}}+{\frac {1}{h_{3}}}={\frac {1}{h_{2}}}+{\frac {1}{h_{4}}}} | 1 h 1 2 + 1 h 3 2 = 1 h 2 2 + 1 h 4 2 {\displaystyle {\frac {1}{h_{1}^{2}}}+{\frac {1}{h_{3}^{2}}}={\frac {1}{h_{2}^{2}}}+{\frac {1}{h_{4}^{2}}}} |
Площадь
Площадь K ортодиагонального четырёхугольника равна половине произведения длин диагоналей p и q :
K = p ⋅ q 2 . {\displaystyle K={\frac {p\cdot q}{2}}.}Обратно - любой выпуклый четырёхугольник, площадь которого равна половине произведения диагоналей, ортодиагонален . Ортодиагональный четырёхугольник имеет наибольшую площадь среди всех выпуклых четырёхугольников с данными диагоналями.
Другие свойства
Свойства ортодиагонального вписанного четырёхугольника
Радиус описанной окружности и площадь
D 2 = p 1 2 + p 2 2 + q 1 2 + q 2 2 = a 2 + c 2 = b 2 + d 2 {\displaystyle D^{2}=p_{1}^{2}+p_{2}^{2}+q_{1}^{2}+q_{2}^{2}=a^{2}+c^{2}=b^{2}+d^{2}} ,где D - диаметр описанной окружности . Это выполняется для любых двух перпендикулярных хорд окружности . Из этой формулы вытекает выражение для радиуса описанной окружности
R = 1 2 p 1 2 + p 2 2 + q 1 2 + q 2 2 {\displaystyle R={\tfrac {1}{2}}{\sqrt {p_{1}^{2}+p_{2}^{2}+q_{1}^{2}+q_{2}^{2}}}}или, в терминах сторон четырёхугольника,
R = 1 2 a 2 + c 2 = 1 2 b 2 + d 2 . {\displaystyle R={\tfrac {1}{2}}{\sqrt {a^{2}+c^{2}}}={\tfrac {1}{2}}{\sqrt {b^{2}+d^{2}}}.}Отсюда также следует, что
a 2 + b 2 + c 2 + d 2 = 8 R 2 . {\displaystyle a^{2}+b^{2}+c^{2}+d^{2}=8R^{2}.}Тогда, согласно формуле Эйлера , радиус описанной окружности может быть выражен в терминах диагоналей p и q и расстоянию x между серединами диагоналей
R = p 2 + q 2 + 4 x 2 8 . {\displaystyle R={\sqrt {\frac {p^{2}+q^{2}+4x^{2}}{8}}}.}Формула для площади K вписанного ортодиагонального четырёхугольника в терминах четырёх сторон получается непосредственно, если скомбинировать теорему Птолемея
Литература
- Martin Josefsson. Calculations concerning the tangent lengths and tangency chords of a tangential quadrilateral // Forum Geometricorum. - 2010. - Vol. 10. - P. 119–130.
- Martin Josefsson. Characterizations of Orthodiagonal Quadrilaterals // Forum Geometricorum. - 2012. - Vol. 12. - P. 13–25.
- Maria Flavia Mammana, Biagio Micale, Mario Pennisi. The Droz-Farny Circles of a Convex Quadrilateral // Forum Geometricorum. - 2011. - Vol. 11. - P. 109–119.
- N. Altshiller-Court. College Geometry. - Dover Publications, 2007. (Переиздание книги 1952 года, Barnes & Noble)
- Douglas W. Mitchell. The area of a quadrilateral // Mathematical Gazette. - 2009. - Vol. 93. - P. 306–309.
Четырехугольником ABCD называется фигура, которая состоит из четырех точек А, В, С, D по три, не лежащих на одной прямой, и четырех отрезков AB, BC, CD и AD, соединяющих эти точки.
На рисунках изображены четырехугольники.
Точки А, В, С и D называются вершинами четырехугольника , а отрезки AB, BC, CD и AD - сторонами . Вершины А и С, В и D называются противолежащими вершинами . Стороны AB и CD, BC и AD называются противолежащими сторонами .
Четырехугольники бывают выпуклые (на рисунке - левый) и невыпуклые (на рисунке - правый).
Каждая диагональ выпуклого четырехугольника разделяет его на два треугольника (диагональ АС разделяет ABCD на два треугольника ABC и ACD; диагональ BD - на BCD и BAD). У невыпуклого четырехугольника только одна из диагоналей разделяет его на два треугольника (диагональ AC разделяет ABCD на два треугольника ABC и ACD; диагональ BD - не разделяет).
Рассмотрим основные виды четырехугольников, их свойства, формулы площади:
Параллелограмм
Параллелограммом называется четырехугольник, у которого противоположные стороны попарно параллельны.
Свойства:
Признаки параллелограмма:
1. Если в четырехугольнике две стороны равны и параллельны, то этот четырехугольник - параллелограмм.
2. Если в четырехугольнике противоположные стороны попарно равны, то этот четырехугольник – параллелограмм.
3. Если в четырехугольнике диагонали пересекаются и точкой пересечения делятся пополам, то этот четырехугольник – параллелограмм.
Площадь параллелограмма:
Трапеция
Трапецией называется четырехугольник, у которого две стороны параллельны, а две другие стороны не параллельны.
Основаниями называются параллельные стороны, а две другие стороны - боковыми сторонами .
Средней линией трапеции называется отрезок, соединяющий середины ее боковых сторон.
ТЕОРЕМА.
Средняя линия трапеции параллельна основаниям и равна их полусумме.
Площадь трапеции:
Ромб
Ромбом называется параллелограмм, у которого все стороны равны.
Свойства:
Площадь ромба:
Прямоугольник
Прямоугольником называется параллелограмм, у которого все углы равны.
Свойства:
Признак прямоугольника:
Если в параллелограмме диагонали равны, то этот параллелограмм – прямоугольник.
Площадь прямоугольника:
Квадрат
Квадратом называется прямоугольник, у которого все стороны равны.
Свойства :
Квадрат обладает всеми свойствами прямоугольника и ромба (прямоугольник является параллелограммом, поэтому и квадрат является параллелограммом, у которого все стороны равны, т.е. ромбом).
Площадь квадрата:
1 . Сумма диагоналей выпуклого четырёхугольника больше суммы его двух противоположных сторон.
2 . Если отрезки, соединяющие середины противоположных сторон четырёхугольника
а) равны, то диагонали четырёхугольника перпендикулярны;
б) перпендикулярны, то диагонали четырёхугольника равны.
3 . Биссектрисы углов при боковой стороне трапеции пересекаются на её средней линии.
4 . Стороны параллелограмма равны и . Тогда четырёхугольник, образованный пересечениями биссектрис углов параллелограмма, является прямоугольником, диагонали которого равны .
5 . Если сумма углов при одном из оснований трапеции равна 90°, то отрезок, соединяющий середины оснований трапеции, равен их полуразности.
6 . На сторонах АВ и AD параллелограмма ABCD взяты точки М и N так, что прямые МС и NC делят параллелограмм на три равновеликие части. Найдите MN, если BD=d.
7 . Отрезок прямой, параллельной основаниям трапеции, заключённый внутри трапеции, разбивается ее диагоналями на три части. Тогда отрезки, прилегающие к боковым сторонам, равны между собой.
8 . Через точку пересечения диагоналей трапеции с основаниями и проведена прямая, параллельная основаниям. Отрезок этой прямой, заключенный между боковыми сторонами трапеции, равен .
9 . Трапеция разделена прямой, параллельной её основаниям, равным и , на две равновеликие трапеции. Тогда отрезок этой прямой, заключённый между боковыми сторонами, равен .
10 . Если выполняется одно из следующих условий, то четыре точки А, В, С и D лежат на одной окружности.
а) CAD=CBD = 90°.
б) точки А и В лежат по одну сторону от прямой CD и угол CAD равен углу CBD.
в) прямые АС и BD пересекаются в точке О и О А ОС=ОВ OD.
11 . Прямая, соединяющая точку Р пересечения диагоналей четырехугольника ABCD с точкой Q пересечения прямых АВ и CD, делит сторону AD пополам. Тогда она делит пополам и сторону ВС.
12 . Каждая сторона выпуклого четырёхугольника поделена на три равные части. Соответствующие точки деления на противоположных сторонах соединены отрезками. Тогда эти отрезки делят друг друга на три равные части.
13 . Две прямые делят каждую из двух противоположных сторон выпуклого четырёхугольника на три равные части. Тогда между этими прямыми заключена треть площади четырёхугольника.
14 . Если в четырёхугольник можно вписать окружность, то отрезок, соединяющий точки, в которых вписанная окружность касается противоположных сторон четырёхугольника, проходит через точку пересечения диагоналей.
15 . Если суммы противоположных сторон четырёхугольника равны, то в такой четырёхугольник можно вписать окружность.
16. Свойства вписанного четырёхугольника со взаимно перпендикулярными диагоналями. Четырёхугольник ABCD вписан в окружность радиуса R. Его диагонали АС и BD взаимно перпендикулярны и пересекаются в точке Р. Тогда
а) медиана треугольника АРВ перпендикулярна стороне CD;
б) ломаная АОС делит четырёхугольник ABCD на две равновеликие фигуры;
в) АВ 2 +CD 2 =4R 2 ;
г) АР 2 +ВР 2 +СР 2 +DP 2 = 4R 2 и АВ 2 +ВС 2 +CD 2 +AD 2 =8R 2 ;
д) расстояние от центра окружности до стороны четырёхугольника вдвое меньше противоположной стороны.
е) если перпендикуляры, опущенные на сторону AD из вершин В и С, пересекают диагонали АС и BD в точках Е и F, то BCFE - ромб;
ж) четырёхугольник, вершины которого - проекции точки Р на стороны четырёхугольника ABCD, - и вписанный, и описанный;
з) четырёхугольник, образованный касательными к описанной окружности четырёхугольника ABCD, проведёнными в его вершинах, можно вписать в окружность.
17 . Если a, b, c, d - последовательные стороны четырёхугольника, S - его площадь, то , причем равенство имеет место только для вписанного четырёхугольника, диагонали которого взаимно перпендикулярны.
18
. Формула Брахмагупты.
Если стороны вписанного четырехугольника равны a, b, с
и d,
то его площадь S
может быть вычислена по формуле ,
где - полупериметр четырехугольника.
19 . Если четырёхугольник со сторонами а , b, с, d можно вписать и около него можно описать окружность, то его площадь равна .
20 . Точка Р расположена внутри квадрата ABCD, причем угол PAB равен углу РВА и равен 15°. Тогда треугольник DPC - равносторонний.
21 . Если для вписанного четырёхугольника ABCD выполнено равенство CD=AD+ВС, то биссектрисы его углов А и В пересекаются на стороне CD.
22 . Продолжения противоположных сторон АВ и CD вписанного четырёхугольника ABCD пересекаются в точке М, а сторон AD и ВС - в точке N. Тогда
а) биссектрисы углов AMD и DNC взаимно перпендикулярны;
б) прямые МQ и NQ пересекают стороны четырёхугольника в вершинах ромба;
в) точка пересечения Q этих биссектрис лежит на отрезке, соединяющем середины диагоналей четырёхугольника ABCD.
23 . Теорема Птолемея. Сумма произведений двух пар противоположных сторон вписанного четырёхугольника равна произведению его диагоналей.
24 . Теорема Ньютона. Во всяком описанном четырёхугольнике середины диагоналей и центр вписанной окружности расположены на одной прямой.
25 . Теорема Монжа. Прямые, проведённые через середины сторон вписанного четырёхугольника перпендикулярно противоположным сторонам, пересекаются в одной точке.
27 . Четыре круга, построенных на сторонах выпуклого четырёхугольника как на диаметрах, покрывают весь четырёхугольник.
29 . Два противоположных угла выпуклого четырёхугольника - тупые. Тогда диагональ, соединяющая вершины этих углов, меньше другой диагонали.
30. Центры квадратов, построенных на сторонах параллелограмма вне его, сами образуют квадрат.