Tứ giác nội tiếp

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Jump to navigation Jump to search
HÌnh 1: Ví dụ về tứ giác nội tiếp.

Trong Hình học phẳng, một tứ giác nội tiếp là một tứ giác mà cả bốn đỉnh đều nằm trên một đường tròn. Đường tròn này được gọi là đường tròn ngoại tiếp, và các đỉnh của tứ giác được gọi là đồng viên. Tâm đường tròn và bán kính lần lượt được gọi là tâm đường tròn ngoại tiếpbán kính ngoại tiếp. Thông thường tứ giác nội tiếp là tứ giác lồi, nhưng cũng tồn tại các tứ giác nội tiếp lõm. Các công thức trong bài viết sẽ chỉ áp dụng cho tứ giác lồi.

Mọi tam giác đều có một đường tròn nội tiếp,nhưng không phải tất cả tứ giác đều nội tiếp. Một ví dụ cho một tứ giác không nội tiếp là một hình bình hành không là hình chữ nhật.

Bài viết sau sẽ chủ yếu sử dụng các ký hiệu của Hình 2.

Trường hợp đặc biệt về một tứ giác nội tiếp[sửa | sửa mã nguồn]

Mọi hình vuông, hình chữ nhât, hình thang cân đều nội tiếp. Một hình thoi nội tiếp khi và chỉ khi nó có hai góc vuông. Một tứ giác lưỡng tâm là một tứ giác nội tiếp mà cũng ngoại tiếp một đường tròn.

Đặc điểm, tính chất, dấu hiệu nhận biết[sửa | sửa mã nguồn]

Hình 2: Tứ giác nội tiếp ABCD

Một tứ giác lồi là tứ giác nội tiếp khi và chỉ khi bốn đường trung trực của bốn cạnh đồng quy tại một điểm. Điểm đồng quy này chính là tâm đường tròn nội tiếp.[1]

Tứ giác ABCD nội tiếp khi và chỉ khi hai góc đối bù nhau, tức là[1]

Ở đây

Định lý trên được nêu trong bộ Cơ bản của Euclid.[2] Từ đó ta có khẳng định sau: Một tứ giác nội tiếp khi và chỉ khi một góc trong bằng góc kề bù của góc đối đỉnh góc đó.

Một trong các dấu hiệu nhận biết quan trọng khác để tứ giác ABCD nội tiếp là tứ giác có hai góc bằng nhau cùng nhìn một cạnh của tứ giác đó[3] Ví dụ như:

Định lý Ptoleme cũng chỉ ra rằng một tứ giác nội tiếp khi và chỉ khi tích hai đường chéo bằng tổng của tích hai cặp cạnh đối, tức là:[4]:p.25

Nếu hai đường thẳng lần lượt chứa hai đoạn thẳng ACBD, cắt nhau tại P, thì A, B, C, D đồng viên khi và chỉ khi:[5]

Giao điểm P có thể nằm trong hoặc nằm ngoài đường tròn. Trong trường hợp nằm trong, tứ giác lồi nội tiếp là ABCD, còn trong trường hợp còn lại, tứ giác nội tiếp là ABDC.

Một dấu hiệu nhận biết khác là tứ giác ABCD nội tiếp khi và chỉ khi:[6]

Diện tích[sửa | sửa mã nguồn]

Diện tích S của tứ giác nội tiếp với các cạnh a, b, c, d được cho bởi công thức Brahmagupta:[4]:p.24

trong đó p là nửa chu vi tứ giác hay p = 1/2(a + b + c + d). Đây là hệ quả của công thức Bretschneider cho một tứ giác bất kỳ. Nếu d = 0, tứ giác sẽ trở thành một tam giác và công thức trên được rút gọn về công thức Heron.

Tứ giác nội tiếp có diện tích lớn nhất trong các tứ giác có các cạnh tương ứng bằng nhau. Đây cũng là một hệ quả được rút ra từ công thức Bretschneider.[7]

Với bốn số đo cạnh khác nhau, mỗi số nhỏ hơn tổng ba số còn lại, là độ dài các cạnh của ba tứ giác nội tiếp khác nhau,[8] mà theo công thức Brahmagupta, tất cả đều có cùng diện tích. Trong đó, với bốn cạnh a, b, c, d, cạnh a có thể là cạnh đối của một trong ba cạnh còn lại b, c, d.

Diện tích của tứ giác nội tiếp với các cạnh a, b, c, d, cạnh a đối cạnh c, cạnh b đối cạnh d và góc trong B tạo bởi hai cạnh ab; cũng có thể biểu diễn dưới dạng:[4]:p.25

hay[4]:p.26

với θ là góc tạo bởi hai đường chéo của tứ giác. Nếu góc trong A bất kỳ không là góc vuông, diện tích của tứ giác là:[4]:p.26

trong đó ad là hai cạnh kề góc A.

Một công thức khác đó là[9]:p.83

trong đó R là bán kính đường tròn nội tiếp. Từ đó có kết quả:[10]

tại đó dấu bằng xảy ra khi tứ giác là hình vuông.

Đường chéo tứ giác[sửa | sửa mã nguồn]

Trong một tứ giác nội tiếp có bốn đỉnh A, B, C, D và cạnh a = AB, b = BC, c = CD, d = DA, độ dài đường chéo p = ACq = BD có thể được cho bởi công thức[4]:p.25,[11][12]:p. 84

and

Tích hai đường chéo được xác định bởi định lý Ptolemy:

Cũng theo định lý Ptolemy thứ hai thì[4]:p.25,[11]

Với tổng hai đường chéo ta có bất đẳng thức[13]

dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi 2 đường chéo có độ dài bằng nhau, bất đẳng thức này có thể được chứng minh bằng bất đẳng thức AM-GM.

Từ bất đẳng thức trên ta có kết quả:[14]:p.64,#1639

Với mọi tứ giác lồi, hai đường chéo cắt nhau chia tứ giác thành bốn tam giác. Trong tứ giác nội tiếp, cặp hai tam giác đối nhau qua giao hai đường chéo đồng dạng với nhau.

Nếu MN lần lượt là trung điểm hai đường chéo ACBD thì[15]

trong đó EF lần lượt là giao điểm hai cặp cạnh đối của tứ giác.

Nếu tứ giác ABCD nội tiếp với AC cắt BD tại E, thì[16]

Với một bộ bốn cạnh là bốn cạnh một tứ giác nội tiếp, có thể thay đổi thứ tự các cạnh theo một trật tự bất kỳ. Khi đó có thể tạo ra một trong hai tứ giác nội tiếp khác nhau và khác tứ giác ban đầu. Cả ba tứ giác đều có diện tích bằng nhau do tính chất công thức Brahmagupta, đều nội tiếp cùng một đường tròn, và bất cứ hai trong ba tứ giác đều có một cặp hai đường chéo bằng nhau.[12]:p. 84

Công thức các góc và liên hệ giữa các góc trong tứ giác[sửa | sửa mã nguồn]

Với một tứ giác nội tiếp có bốn cạnh a, b, c, d, nửa chu vi s, và góc A nằm giũa hai cạnh ad, ta có các công thức lượng giác sau đây:[17]

Góc θ tạo bởi hai đường chéo được xác định bởi:[4]:p.26

Nếu đường thẳng chứa 2 cạnh ac cắt nhau tao thành góc φ, thì:[4]:p.31

Công thức Parameshvara về bán kính đường tròn nội tiếp[sửa | sửa mã nguồn]

Một tứ giác nội tiếp có các cạnh a, b, c, d và nửa chu vi s; có độ dài bán kính đường tròn ngoại tiếp xác định bởi:[11][18]

Công thức được tìm ra vào thế kỷ XV bởi nhà toán học Ấn Độ Vatasseri Parameshvara.

Sử dụng công thức Brahmagupta, công thức Parameshvara có thể được phát biểu lại là:

trong đó K là diện tích tứ giác nội tiếp.

Các tính chất, định lý khác[sửa | sửa mã nguồn]

Hình 3: ĐỊnh lý Nhật Bản về tứ giác nội tiếp
  • Trong một tứ giác nội tiếp ABCD, các tâm đường tròn nội tiếp M1, M2, M3, M4 (xem Hình 3) của các tam giác DAB, ABC, BCD, and CDA là 4 đỉnh của một hình chữ nhật. Đây là phát biểu của định lý Nhật Bản về tứ giác nội tiếp. Ngoài ra, các trực tâm của bốn tam giác trên là đỉnh của một tứ giác nội tiếp đồng dạng với tứ giác ABCD, và các trọng tâm của bốn tam giác này cũng tạọ nên một tứ giác nội tiếp.[3]
  • Trong một tứ giác nội tiếp ABCD với tâm ngoại tiếp O, gọi P là gao điểm của ACBD. Ta có số đo góc APB là trung bình cộng của số đo hai góc AOBCOD. Đây là một kết quả trực tiếp suy ra từ đinh lý góc trongđịnh lý góc ngoài[19].
  • Không tồn tại một tứ giác nội tiếp có diện tích và số đo bốn cạnh khác nhau đều là số hữu tỉ.[20].
  • Nếu hai cặp cạnh đối của tứ giác cắt nhau tại EF, thì tia phân giác của hai góc trong có đỉnh EF là vuông góc với nhau.[8]

Brahmagupta quadrilaterals[sửa | sửa mã nguồn]

Một tứ giác Brahmagupta là một tứ giác tuần hoàn với các cạnh nguyên, các đường chéo số nguyên, và một số nguyên. Tất cả các tứ giác Brahmagupta với các cạnh a, b, c, d, diagonas e, f, khu vực K, và circumradius R có thể được thu được bằng cách bù trừ các mẫu số từ các biểu thức sau liên quan đến các tham số hợp lý t, u, v:

Orthodiagonal case[sửa | sửa mã nguồn]

Circumradius và diện tích

Đối với một hình chữ nhật theo chu kỳ cũng là đường chéo (có các đường chéo vuông góc), giả sử giao điểm của đường chéo chia một đường chéo thành các đoạn có độ dài p1 và p2 và chia đường chéo khác thành các đoạn có độ dài q1 và q2. Sau đó (sự bình đẳng đầu tiên là Đề xuất 11 trong Sách của Lemmas của Archimedes)

trong đó D là đường kính của circumcircle. Điều này giữ bởi vì đường chéo là các hợp chất vuông góc của một vòng tròn. Các phương trình này hàm ý rằng circumradius R có thể được biểu diễn bằng

hoặc, về mặt các mặt của tứ giác, như

Nó cũng theo sau đó

Do đó, theo định lý tứ giác của Euler, circumradius có thể được biểu diễn theo các đường chéo p và q, và khoảng cách x giữa các điểm giữa các đường chéo như

Một công thức cho khu vực K của một hình chữ nhật theo phương châm bốn bánh đối với bốn mặt thu được trực tiếp khi kết hợp định lý Ptolemy và công thức cho diện tích của một tứ giác trực giao. Kết quả là

Other properties[sửa | sửa mã nguồn]

Trong một hình chữ nhật theo hình tròn tuần hoàn, chất trồi trùng trùng với điểm mà đường chéo giao nhau. [21]

  1. Định lý của Brahmagupta cho rằng đối với một hình chữ nhật theo chu kỳ cũng là đường thẳng, đường vuông góc từ bất kỳ cạnh nào qua điểm giao nhau của các đường chéo chia cắt phía đối diện. [21]
  2. Nếu một hình chữ nhật theo chu kỳ cũng là đường thẳng, khoảng cách từ circumcenter đến bất kỳ cạnh nào bằng một nửa chiều dài của phía đối diện. [21]
  3. Trong một hình chữ nhật theo phương châm theo chu kỳ, khoảng cách giữa các điểm giữa của đường chéo bằng khoảng cách giữa circumcenter và điểm mà đường chéo giao nhau. [21]

Hình chữ nhật hình cầu tròn[sửa | sửa mã nguồn]

Hình chữ nhật hình cầu chỉ có tính chu vi khi và chỉ nếu tổng của các mặt đối diện bằng nhau, tức là α + γ = β + δ cho các cạnh liên tiếp α, β, γ, δ của tứ giác. Một hướng của định lý này đã được chứng minh bởi I. A. Lexell năm 1786. Lexell cho thấy rằng trong một hình cầu hình chữ nhật được ghi trong một vòng tròn nhỏ của một quả cầu, tổng các góc đối nghịch đều bằng nhau, và trong tứ giác bao quanh, các khoản của các cạnh đối diện đều bằng nhau. Định lý đầu tiên của các định lý này là sự tương đồng hình cầu của một định lý phẳng và định lý thứ hai là kết hợp của nó, nghĩa là kết quả của việc trao đổi các vòng tròn lớn và cực của chúng. Kiper và cộng sự đã chứng minh sự đảo ngược của định lý: Nếu tổng của các mặt đối diện bằng nhau trong một hình tam giác hình cầu, thì tồn tại một vòng tròn ghi chú cho hình bốn cạnh này.

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

  • Định lý con bướm
  • Đa giác nội tiếp

Chú thích[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ a ă Usiskin, Zalman; Griffin, Jennifer; Witonsky, David; Willmore, Edwin (2008), “10. Cyclic quadrilaterals”, The Classification of Quadrilaterals: A Study of Definition, Research in mathematics education, IAP, tr. 63–65, ISBN 978-1-59311-695-8 
  2. ^ Joyce, D. E. (tháng 6 năm 1997), “Book 3, Proposition 22”, Euclid's Elements, Clark University 
  3. ^ a ă Andreescu, Titu; Enescu, Bogdan (2004), “2.3 Cyclic quads”, Mathematical Olympiad Treasures, Springer, tr. 44–46, 50, ISBN 978-0-8176-4305-8, MR 2025063 
  4. ^ a ă â b c d đ e ê Durell, C. V.; Robson, A. (2003) [1930], Advanced Trigonometry, Courier Dover, ISBN 978-0-486-43229-8 
  5. ^ Bradley, Christopher J. (2007), The Algebra of Geometry: Cartesian, Areal and Projective Co-Ordinates, Highperception, tr. 179, ISBN 1906338000, OCLC 213434422 
  6. ^ Hajja, Mowaffaq (2008), “A condition for a circumscriptible quadrilateral to be cyclic” (PDF), Forum Geometricorum 8: 103–6 
  7. ^ Peter, Thomas (tháng 9 năm 2003), “Maximizing the area of a quadrilateral”, The College Mathematics Journal 34 (4): 315–6, JSTOR 3595770 
  8. ^ a ă Coxeter, Harold Scott MacDonald; Greitzer, Samuel L. (1967), “3.2 Cyclic Quadrangles; Brahmagupta's formula”, Geometry Revisited, Mathematical Association of America, tr. 57, 60, ISBN 978-0-88385-619-2 
  9. ^ Prasolov, Viktor, Problems in plane and solid geometry: v.1 Plane Geometry (PDF) 
  10. ^ Alsina, Claudi; Nelsen, Roger (2009), “4.3 Cyclic, tangential, and bicentric quadrilaterals”, When Less is More: Visualizing Basic Inequalities, Mathematical Association of America, tr. 64, ISBN 978-0-88385-342-9 
  11. ^ a ă â Alsina, Claudi; Nelsen, Roger B. (2007), “On the diagonals of a cyclic quadrilateral” (PDF), Forum Geometricorum 7: 147–9 
  12. ^ a ă Johnson, Roger A., Advanced Euclidean Geometry, Dover Publ., 2007 (orig. 1929).
  13. ^ Inequalities proposed in Crux Mathematicorum, 2007, Problem 2975, p. 123
  14. ^ Inequalities proposed in "Crux Mathematicorum", [1].
  15. ^ ABCD is a cyclic quadrilateral. Let M, N be midpoints of diagonals AC, BD respectively...”. Art of Problem Solving. 2010. 
  16. ^ A. Bogomolny, An Identity in (Cyclic) Quadrilaterals, Interactive Mathematics Miscellany and Puzzles, [2], Accessed 18 March 2014.
  17. ^ Siddons, A. W.; Hughes, R. T. (1929), Trigonometry, Cambridge University Press, tr. 202, OCLC 429528983 
  18. ^ Hoehn, Larry (tháng 3 năm 2000), “Circumradius of a cyclic quadrilateral”, Mathematical Gazette 84 (499): 69–70, JSTOR 3621477 
  19. ^ "Cyclic quadrilateral" trên wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclic_quadrilateral
  20. ^ 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, MR 1680787, doi:10.1017/S0004972700032883 

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]