Чотирикутник

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Jump to navigation Jump to search

Чотирикутник — це частина площини, обмежена простою замкненою ламаною, яка містить чотири (4) ланки. Вона складається з чотирьох (4) вершин (точок) і чотирьох сторін (відрізків), що послідовно їх сполучають. При цьому жодні три з даних точок не повинні лежати на одній прямій. Вершини чотирикутника називаються сусідніми, якщо вони є кінцями однієї з його сторін. Несусідні вершини називаються протилежними. Відрізки, що сполучають протилежні вершини чотирикутника, називаються діагоналями.

Зображення 1. Приклад чотирикутника

У чотирикутнику на зображені 1 діагоналями є відрізки AC і BD.

Сторони чотирикутника, що виходять з однієї вершини, називаються сусідніми сторонами. Сторони, які не мають спільного кінця, називаються протилежними сторонами. У чотирикутнику на даному малюнку протилежними сторонами є сторони AB і CD, BC і AD. Чотирикутник позначають, записуючи його вершини. Наприклад, чотирикутник на зображені 1 позначено так: ABCD. У позначенні чотирикутника вершини, що стоять поряд, повинні бути сусідніми. Чотирикутник ABCD можна також позначити BCDA або DCBA. Але не можна позначити ABDC (B і D — не сусідні вершини).

Внутрішні кути простого чотирикутника ABCD мають в сумі 360 градусів, тобто

Сума довжин усіх сторін чотирикутника називається периметром.

Прості чотирикутники[ред.ред. код]

Будь-який чотирикутник, сторони якого не перетинаються є простим чотирикутником.

Опуклі чотирикутники[ред.ред. код]

В опуклих чотирикутників всі внутрішні кути є меншими за 180°, а дві діагоналі знаходяться в середині чотирикутника.

  • Неправильний чотирикутник: не має паралельних сторін.
  • Трапеція: одна пара протилежних сторін є паралельною.
  • Рівнобічна трапеція: одна пара протилежних сторін є паралельними, а кути нахилу сторін при основі є рівними. Альтернативними визначеннями є: чотирикутник що має вісь симетрії, яка перетинає пару протилежних сторін, або трапеція із діагоналями рівної довжини.
  • Паралелограм: чотирикутник із двома парами паралельних сторін. еквівалентною умовою є те, що його протилежні сторони мають однакову довжину; що протилежні кути рівні; або що діагоналі перетинаються і ділять одна одну навпіл. До паралелограмів відноситься ромб, прямокутник, а також квадрат.
  • Ромб: всі чотири сторони мають однакову довжину. Або еквівалентно: діагоналі перпендикулярні і перетином ділять навпіл одна одну. Не формально це є "сплюснутий квадрат" (але строго математично квадрат теж є ромбом).
  • Ромбоїд: паралелограм в якого суміжні сторони мають різні довжини а деякі кути тупими (не має прямих кутів). Деякі джерела називають його паралелограмом, що не є ромбом.[1]
  • Прямокутник: всі чотири кути є прямими кутами. Еквівалентно: діагоналі мають однакову довжину і при перетині діляться навпіл. До прямокутників відноситься і квадрат.
  • Квадрат (правильний прямокутник): всі чотири сторони мають однакову довжину, а чотири кути є прямими. Діагоналі перетинають одна одну навпіл і під прямим кутом, а також мають однакову довжину. Чотирикутник є квадратом тоді і лише тоді, коли він одночасно є ромбом і прямокутником (чотири рівні сторони і чотири однакові кути).
  • Дельтоїд: дві пари прилеглих сторін мають однакову довжину. З цього випливає, що одна з діагоналей розділяє дельтоїд на конгруентні трикутники, і два кути між парами нерівних сторін мають однакову величину. Також, його діагоналі є перпендикулярними. До дельтоїдів відноситься ромб.

Quadrilaterals uk.svg

Увігнуті чотирикутники[ред.ред. код]

В увігнутих чотирикутників, один із внутрішніх кутів є більшим за 180° а одна із двох діагоналей лежить за межами чотирикутника.

Складні чотирикутники[ред.ред. код]

Антипаралелограм

До складних чотирикутників відносять не правильні чотирикутники, грані яких перетинаються. Такі чотирикутники перетинають самі себе і мають ряд не формальних назв: перехрещений чотирикутник, чотирикутник-метелик або бантик. Сума внутрішніх кутів перехрещеного чотирикутника буде дорівнювати 720°, а два внутрішні кути в ньому є розгорнутими і знаходяться ззовні. Тобто перехрещеного чотирикутника, чотири "внутрішні" кути знаходяться по обидві сторони перетину (два гострих і два розгорнутих, всі з лівої сторони або з правою, в залежності від того в якому порядку перераховуються).[2]

  • Перехрещена трапеція[3]: перехрещений чотирикутник, в якому (як у трапеції) одна пара не суміжних сторін є паралельною
  • Антипаралелограм: перехрещений чотирикутник в якого (як в паралелограма) кожна пара не суміжних сторін мають однакову довжину.
  • Перехрещений прямокутник[en]: це антипаралелограм, сторонами якого є дві протилежні сторони і дві діагоналі звичайного прямокутника, таким чином від має одну пару протилежних сторін, що є паралельними.
  • Перехрещений квадрат: особливий випадок перехрещеного прямокутника, в якого дві сторони перетинаються під прямими кутами.

Особливі лінійні відрізки[ред.ред. код]

Двома діагоналями опуклого чотирикутника є лінійні відрізки, що сполучають протилежні вершини.

Двома бімедіанами опуклого чотирикутника є лінійні відрізки, що сполучають середні точки протилежних сторін.[4] Вони перетинаються у точці, що називається "центроїдом" вершин чотирикутника.

Площа[ред.ред. код]

Існує декілька загальних формул розрахунку площі S опуклого чотирикутника ABCD із сторонами a = AB, b = BC, c = CD і d = DA.

Тригонометричні формули[ред.ред. код]

Площа чотирикутника може бути задана за допомогою тригонометричних функцій наступним чином:

де довжини кожної діагоналі задані як e і f, а кут між ними дорівнює θ.[5] У випадку коли діагоналі перпендикулярні (тобто для ромба, квадрата і дельтоїда), ця формула спрощується до оскільки θ дорівнює 90°.

Площу можна розрахувати через бімедіани наступним чином[6]

Де довжини медіан дорівнюють m і n, а кут між ними дорівнює φ.

Формула Бретшнейдера[7] визначає площу черед дві сторони і два протилежних кута:

де сторони відповідно задані як a, b, c, d, і де s є півпериметром, а A і C є двома (будь-якими) протилежними кутами. Для вписаного чотирикутника цей вираз спрощується до формули Брамагупти, оскільки A + C = 180°.

Іншою формулою для розрахунку площі через кути і сторони, де кут C знаходиться між сторонами b і c, а кут A між сторонами a та d, є

У випадку із вписаним чотирикутником, остання формула скорочується до

Для паралелограма, де обидві пари протилежних сторін і кутів є рівними, ця формула в свою чергу спрощується до виразу

Альтернативним чином, можна визначити площу чотирикутника через сторони і кут перетину його діагоналей θ, для тих випадків доки цей кут не дорівнює 90°:[8]

У випадку з паралелограмом, остання формула буде виглядати як

Іншою формулою, що містить сторони a, b, c, d є[6]

де x є відстанню між середніми точками діагоналей, а φ є кутом між бімедіанами.

І ще однією тригонометричною формулою, що містить сторони a, b, c, d і кут α між a і b є:

що може використовуватися і як площа увігнутого чотирикутника (що має увігнуту частину протилежну до кута α) змінивши перший знак + на - .

Не-тригонометричні формули[ред.ред. код]

Дві наступні формули задають площу S чотирикутника через сторони a, b, c, d, напівперіметр s, і діагоналі e, f:

[9]
[10]

Перше рівняння зводиться до формули Брахмагупти для вписаного чотирикутника, оскільки в такому випадку ef = ac + bd.

Площу також можна задати через бімедіани m, n і діагоналі e, f:

[11]
[12]:Thm. 7

Насправді, будь-яке з трьох значень m, n, e, і f є достатнім для визначення площі, оскільки для будь-якого чотирикутника ці чотири значення пов'язані рівнянням [13]:p. 126 Відповідними спрощеними виразами будуть наступні рівняння для розрахунку площі:[14]

якщо дані довжини двох бімедіан і діагональ, і[14]

якщо відомі довжини двох діагоналей і одна бімедіана.

Векторна форма[ред.ред. код]

Площу чотирикутника ABCD можна розрахувати за допомогою векторів. Нехай вектори AC і BD утворюють діагоналі від A до C і від B до D. Площа чотирикутника тоді дорівнюватиме

що є половиною величини векторного добутку векторів AC і BD. У двовимірному Евклідовому просторі, вектор AC можна задати у вигляді вектора у Декартовому просторі як (x1,y1) і вектор BD як (x2,y2), тому рівняння можна переписати наступним чином:

Теореми[ред.ред. код]

  1. Добутки площ трикутників, утворених частинами діагоналей від їх країв до їх перетину і протилежними сторонами чотирикутника, рівні.
  2. Сума кутів опуклого чотирикутника дорівнює 360°.
  3. У будь-якому вписаному чотирикутнику суми протилежних кутів дорівнють 180°.
  4. У будь-якому описаному чотирикутнику суми протилежних сторін рівні.

Діагоналі[ред.ред. код]

Довжина діагоналей[ред.ред. код]

Довжини діагоналей опуклого чотирикутника ABCD із відповідними вершинами A, B, C, D і сторонами a = AB, b = BC, c = CD, і d = DA, довжини діагоналей p = AC і q = BD можна розрахувати за допомогою теореми косинусів для кожного трикутника, що утворені діагоналями і двома сторонами чотирикутника. Таким чином

і

Інші, більш симетричні формули для знаходження довжин діагоналей:[15]

і

Узагальнення правила паралелограма і теореми Птолемея[ред.ред. код]

Для будь-якого опуклого чотирикутника ABCD, сума квадратів чотирьох сторін дорівнює сумі квадратів двох діагоналей плюс чотири квадрати лінійного сегменту, що сполучає середні точки діагоналей. Тобто

де x це відстань між середніми точками діагоналей.[13]:p.126 Це рівняння відоме як Теорема Ейлера про чотирикутник[en] і є узагальненням для правила паралелограма.

Німецький математик Карл Антон Бретшнейдер[en] в 1842 вивів наступне узагальнення для теореми Птолемея, стосовно добутку діагоналей опуклого чотирикутника[16]

Це рівняння можна вважати аналогічним до теореми косинусів для чотирикутника. Для вписаного чотирикутника, в якого A + C = 180°, це рівняння спрощується до pq = ac + bd. Оскільки cos (A + C) ≥ −1, таким чином, це також доводить нерівність Птолемея.

Бімедіани[ред.ред. код]

Паралелограм Варіньона EFGH

Бімедіанами чотирикутника є такі лінійні відрізки, що сполучають середні точки його протилежних сторін. Перетином бімедіан є центроїд вершин чотирикутника.[17]

Середні точки будь-якого чотирикутника (опуклого, увігнутого або перехрещеного) є вершинами паралелограма, що називається паралелограмом Варіньона. Він має наступні властивості:

  • Кожна пара протилежних сторін паралелограма Варіньона є паралельними діагоналі початкового чотирикутника.
  • Сторона паралелограма Варіньона має довжину, що дорівнює половині довжини діагоналі початкового чотирикутника до якої ця сторона є паралельною.
  • Площа паралелограма Варіньона дорівнює половині площі початкового чотирикутника. Це є вірним для опуклих, увігнутих і перехрещених чотирикутників, де площа останнього задається як різниці площ трикутників з яких він складається.[18]
  • Периметр паралелограма Варіньона дорівнює сумі довжин діагоналей початкового чотирикутника.
  • Діагоналі паралелограма Варіньона є бімедіанами початкового чотирикутника.

Дві бімедіани чотирикутника і лінійні відрізки, що сполучають середні точки діагоналей в тому чотирикутнику є конкурентними прямими і всі поділяються навпіл точкою їх перетину.[13]:p.125

Для опуклого чотирикутника із сторонами a, b, c і d, довжина бімедіани, що сполучає середні точки сторін a і c дорівнюватиме

де p і q є довжинами діагоналей.[19] Довжина бімедіани, що сполучає середні точки сторін b і d дорівнює

Отже[13]:p.126

Це також є наслідком застосування правила паралелограма до паралелограма Варіньона.

Довжину бімедіан також можна виразити через дві протилежні сторони і відстань x між середніми точками діагоналей. Це можна отримати застосувавши теорему Ейлера для чотирикутників щодо вищезгаданих формул. Звідки отримаємо[12]

і

Зверніть увагу, що дві протилежні сторони в цих формулах не є тими двома сторонами, що сполучає бімедіана.

Для опуклого чотирикутника є справедливим наступний дуальний взаємозв'язок між бімедіанами і діагоналями:[20]

  • Дві бімедіани мають однакову довжину тоді і лише тоді, коли дві діагоналі є перпендикулярними.
  • Дві бімедіани є перпендикулярними, толі і лише тоді, коли дві діагоналі мають однакову довжину.

Тригонометричні тотожності[ред.ред. код]

Чотири кути простого чотирикутника ABCD задовольняють наступним рівнянням:[21]

і

Також,[22]

В двох останніх формулах, жоден з кутів не може бути прямим кутом, оскільки тангенс 90° є не визначеним.

Нерівності[ред.ред. код]

Площа[ред.ред. код]

Якщо опуклий чотирикутник має сторони a, b, c, d і діагоналі p, q, тоді його площа S задовольняє нерівностям[23]

, що буде рівністю лише для прямокутника.
, що буде рівністю лише для квадрата.
, що буде рівністю лише якщо дві діагоналі є перпендикулярними і мають однакову довжину.
, що є рівністю лише для прямокутника.[6]

Із формули Бретшнейдера[en] прямо випливає, що площа чотирикутника задовольнятиме нерівності

що буде рівністю тоді й лише тоді коли чотирикутник є вписаним чотирикутником або виродженим, тобто таким що довжина однієї зі сторін дорівнюватиме сумі довжин інших трьох (тобто він перетворився у відрізок, тому його площа дорівнює нулю).

Площа будь-якого чотирикутника також задовольнятиме нерівності[24]

Позначивши периметр чотирикутника як L, матимемо наступне[24]:p.114

що буде рівністю лише для випадку із квадратом.

Площа опуклого чотирикутника також задовольняє:

де довжини діагоналей задані як p і q, що буде рівністю лише за умови, що діагоналі перпендикулярні одна одній.

Діагоналі і бімедіани[ред.ред. код]

Наслідком із теореми Ейлера про чотирикутники є наступна нерівність

де рівність буде справедливою, тоді й тільки тоді коли чотирикутник є паралелограмом.

Ейлер також узагальнив теорему Птолемея, що є рівністю для вписаного чотирикутника, у нерівність для опуклого чотирикутника. Нерівність задає наступне:

що буде рівністю тоді й лише тоді, коли чотирикутник є вписаним.[13]:p.128–129.

В опуклому багатокутнику бімедіани m, n і діагоналі p, q пов'язані між собою нерівністю

де рівність буде справедливою тоді і лише тоді, коли діагоналі є рівними.[25]:Prop.1 Це прямо випливає із рівності для чотирикутника

Сторони[ред.ред. код]

Сторони a, b, c, і d будь-якого чотирикутника задовольняють нерівностям[26]:p.228,#275

і [26]:p.234,#466

Просторові чотирикутники[ред.ред. код]

Червоним позначено бокові ребра чотирикутного рівностороннього тетраедра[en] що є правильним зигзагоподібним косим чотирикутником.

Чотирикутник, що не знаходиться в площині називається просторовим чотирикутником або косим чотирикутником. Формули для розрахунку його двогранних кутів при відомих довжинах ребер і кутів між двома прилеглими ребрами були отримані при вивчені властивостей молекул, таких як молекули циклобутана, які містять "замкнуте" кільце із чотирьох атомів.[27][28] Косий чотирикутник разом із своїми діагоналями утворює (не обов'язково правильний) тетраедр, і навпаки, кожен косий чотирикутник утворений із тетраедра, в якого усунута пара протилежних ребер.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Archived copy. Архів оригіналу за May 14, 2014. Процитовано June 20, 2013. 
  2. Stars: A Second Look
  3. Butler, David (2016-04-06). The crossed trapezium. Making Your Own Sense. Процитовано 2017-09-13. 
  4. E.W. Weisstein. Bimedian. MathWorld – A Wolfram Web Resource. 
  5. Harries, J. "Area of a quadrilateral," Mathematical Gazette 86, July 2002, 310–311.
  6. а б в Josefsson, Martin (2013). Five Proofs of an Area Characterization of Rectangles. Forum Geometricorum 13: 17–21. .
  7. R. A. Johnson, Advanced Euclidean Geometry, 2007, Dover Publ., p. 82.
  8. Mitchell, Douglas W., "The area of a quadrilateral," Mathematical Gazette 93, July 2009, 306–309.
  9. J. L. Coolidge, "A historically interesting formula for the area of a quadrilateral", American Mathematical Monthly, 46 (1939) 345–347.
  10. E.W. Weisstein. Bretschneider's formula. MathWorld – A Wolfram Web Resource. 
  11. Archibald, R. C., "The Area of a Quadrilateral", American Mathematical Monthly, 29 (1922) pp. 29–36.
  12. а б Josefsson, Martin (2011). The Area of a Bicentric Quadrilateral. Forum Geometricorum 11: 155–164. .
  13. а б в г д Altshiller-Court, Nathan, College Geometry, Dover Publ., 2007.
  14. а б Josefsson, Martin (2016) ‘100.31 Heron-like formulas for quadrilaterals’, The Mathematical Gazette, 100 (549), pp. 505–508.
  15. Rashid, M. A. & Ajibade, A. O., "Two conditions for a quadrilateral to be cyclic expressed in terms of the lengths of its sides", Int. J. Math. Educ. Sci. Technol., vol. 34 (2003) no. 5, pp. 739–799.
  16. Andreescu, Titu & Andrica, Dorian, Complex Numbers from A to...Z, Birkhäuser, 2006, pp. 207–209.
  17. Weisstein, Eric W. "Quadrilateral." From MathWorld--A Wolfram Web Resource. http://mathworld.wolfram.com/Quadrilateral.html
  18. H. S. M. Coxeter and S. L. Greitzer, Geometry Revisited, MAA, 1967, pp. 52–53.
  19. Mateescu Constantin, Answer to Inequality Of Diagonal
  20. Josefsson, Martin (2012). Characterizations of Orthodiagonal Quadrilaterals. Forum Geometricorum 12: 13–25. .
  21. C. V. Durell & A. Robson, Advanced Trigonometry, Dover, 2003, p. 267.
  22. MathPro Press, "Original Problems Proposed by Stanley Rabinowitz 1963–2005", p. 23, [1]
  23. O. Bottema, Geometric Inequalities, Wolters–Noordhoff Publishing, The Netherlands, 1969, pp. 129, 132.
  24. а б Alsina, Claudi; Nelsen, Roger (2009). When Less is More: Visualizing Basic Inequalities. Mathematical Association of America. с. 68. .
  25. Josefsson, Martin (2014). Properties of equidiagonal quadrilaterals. Forum Geometricorum 14: 129–144. 
  26. а б Inequalities proposed in “Crux Mathematicorum, [2].
  27. Barnett, M. P.; Capitani, J. F. (2006). Modular chemical geometry and symbolic calculation. International Journal of Quantum Chemistry 106 (1): 215–227. doi:10.1002/qua.20807. 
  28. Hamilton, William Rowan (1850). On Some Results Obtained by the Quaternion Analysis Respecting the Inscription of "Gauche" Polygons in Surfaces of the Second Order. Proceedings of the Royal Irish Academy 4: 380–387. 

Джерела[ред.ред. код]

  • Великий довідник школяра: 5-11 класи — Харків: Школа, 2003, ISBN 966-8114-20-5