Теорема Птолемея - Википедия - Ptolemys theorem

Теорема Птолемея - это соотношение между этими длинами вписанного четырехугольника.

В Евклидова геометрия, Теорема Птолемея отношение между четырьмя сторонами и двумя диагоналями циклический четырехугольник (четырехугольник, вершины лежат на общем круге). Теорема названа в честь Греческий астроном и математик Птолемей (Клавдий Птолемей).[1] Птолемей использовал теорему как помощь в создании его таблица аккордов, тригонометрическая таблица, которую он применил в астрономии.

Если вершины вписанного четырехугольника равны А, B, C, и D по порядку, то теорема утверждает, что:

где вертикальные линии обозначают длины отрезков между названными вершинами. В контексте геометрии вышеупомянутое равенство часто просто записывается как

Это отношение можно словесно выразить следующим образом:

Если четырехугольник вписывается в круг, то произведение длин его диагоналей равно сумме произведений длин пар противоположных сторон.

Более того, разговаривать теоремы Птолемея также верно:

В четырехугольнике, если сумма произведений длин двух его пар противоположных сторон равна произведению длин его диагоналей, то четырехугольник можно вписать в круг, то есть это вписанный четырехугольник.

Примеры

Равносторонний треугольник

Равносторонний треугольник

Теорема Птолемея дает в качестве следствия красивую теорему[2] относительно равностороннего треугольника, вписанного в круг.

Данный Равносторонний треугольник, начертанный на окружности, и точка на окружности.

Расстояние от точки до самой дальней вершины треугольника - это сумма расстояний от точки до двух ближайших вершин.

Доказательство: Сразу следует из теоремы Птолемея:

Квадрат

Любой квадрат можно вписать в круг, центр которого является центром квадрата. Если общая длина его четырех сторон равна тогда длина диагонали равна согласно теорема Пифагора и соотношение очевидно выполняется.

Прямоугольник

Теорема Пифагора: "manifestum est": Коперник

В более общем смысле, если четырехугольник прямоугольник со сторонами a, b и диагональю d теорема Птолемея сводится к теореме Пифагора. В этом случае центр окружности совпадает с точкой пересечения диагоналей. Произведение диагоналей тогда d2, правая часть соотношения Птолемея представляет собой сумму а2 + б2.

Коперник, который широко использовал теорему Птолемея в своей тригонометрической работе, называет этот результат `` поризмом '' или самоочевидным следствием:

Кроме того, ясно (manifestum est), что, когда дана хорда, соединяющая дугу, может быть найдена и та хорда, которая охватывает остальную часть полукруга.[3]

Пентагон

В Золотое сечение следует из этого применения теоремы Птолемея

Более интересный пример - соотношение между длиной а стороны и (общей) длины б из 5 хорд в правильном пятиугольнике. К завершение квадрата, соотношение дает Золотое сечение:[4]

Сторона десятиугольника

Сторона вписанного десятиугольника

Если теперь диаметр AF провести пополам DC, так что DF и CF являются сторонами c вписанного десятиугольника, теорема Птолемея снова может быть применена - на этот раз к циклическому четырехугольнику ADFC с диаметром d как одна из его диагоналей:

куда это золотое сечение.
[5]

откуда сторона вписанного десятиугольника получается через диаметр круга. Теорема Пифагора, примененная к прямоугольному треугольнику AFD, дает "b" в терминах диаметра и "a" в отношении стороны пятиугольника. [6] после этого рассчитывается как

В качестве Коперник (вслед за Птолемеем) писал:

«Приведен диаметр круга, также даны стороны треугольника, четырехугольника, пятиугольника, шестиугольника и десятиугольника, которые описывает тот же круг».[7]

Доказательства

Доказательство подобием треугольников.

Конструкции для доказательства теоремы Птолемея

Пусть ABCD - циклический четырехугольник.На аккорд До н.э. вписанные углы ∠BAC = ∠BDC, а на AB ADB = ∠ACB. Построим K на AC так, чтобы ABK = ∠CBD; поскольку ∠ABK + ∠CBK = ∠ABC = ∠CBD + ∠ABD, CBK = ∠ABD.

Теперь по общим углам △ ABK равен похожий в DBC, и аналогично ABD подобен △ KBC. Таким образом, AK / AB = CD / BD, и CK / BC = DA / BD; эквивалентно AK · BD = AB · CD и CK · BD = BC · DA Сложив два равенства, мы получим AK · BD + CK · BD = AB · CD + BC · DA, а факторизация дает (AK + CK) · BD = AB · CD + BC · DA. Но AK + CK = AC, поэтому AC · BD = AB · CD + BC · DA, Q.E.D.[8]

Написанное доказательство действительно только для просто вписанные четырехугольники. Если четырехугольник самопересекающийся, то K будет находиться вне отрезка AC. Но в этом случае AK − CK = ± AC, что дает ожидаемый результат.

Доказательство тригонометрическими тождествами

Пусть вписанные углы, образуемые , и быть, соответственно, , и , а радиус круга равен , то имеем , , , , и , и доказываемое исходное равенство преобразуется к виду

из которого фактор исчез, разделив на него обе части уравнения.

Теперь, используя формулы суммы, и , нетривиально показать, что обе части приведенного выше уравнения равны

Q.E.D.

Вот еще одно, возможно, более прозрачное доказательство с использованием элементарной тригонометрии. Определите новый четырехугольник. вписаны в тот же круг, где такие же, как в , и , лежащая на той же хорде, что и , определяется , . Потом, имеет одинаковую длину ребер и, следовательно, те же вписанные углы, образуемые соответствующими ребрами, как , только в другом порядке. То есть, , и , для соответственно и .Также, и имеют одинаковую площадь. Потом,

.

Q.E.D.

Доказательство обращением

Доказательство теоремы Птолемея с помощью инверсия круга

Выберите вспомогательный круг радиуса с центром в D, относительно которого описанная окружность ABCD равна перевернутый в линию (см. рисунок).потом и можно выразить как , и соответственно. Умножая каждый член на и используя дает равенство Птолемея.

Q.E.D. Обратите внимание: если четырехугольник не является вписанным, то A ', B' и C 'образуют треугольник и, следовательно, A'B' + B'C '> A'C', что дает нам очень простое доказательство неравенства Птолемея, которое представлено ниже. .

Доказательство с использованием комплексных чисел

Пусть ABCD расположен по часовой стрелке вокруг круга в путем выявления с . От полярная форма комплексного числа , следует

и
.

Поскольку противоположные углы в циклическом четырехугольнике суммируются с , следует

Поэтому положим так что

и
.

Как следствие,

где предпоследнее равенство следует из того факта, что величина уже действительна и положительна.Q.E.D.

Следствия

Следствие 1: теорема Пифагора

В случае круга единичного диаметра стороны любого вписанного четырехугольника ABCD численно равны синусам углов и которые они подчиняются. Точно так же диагонали равны синусу суммы любого из пара углов они подчиняются. Тогда мы можем записать теорему Птолемея в следующей тригонометрической форме:

Применение определенных условий к полученным углам и можно вывести ряд важных следствий, используя приведенное выше в качестве отправной точки. В дальнейшем важно помнить, что сумма углов .

Следствие 1. Теорема Пифагора.

Позволять и . потом (так как противоположные углы вписанного четырехугольника дополнительные). Потом:[9]

Следствие 2. Закон косинусов.

Следствие 2: закон косинусов

Позволять . Прямоугольник следствия 1 теперь представляет собой симметричную трапецию с равными диагоналями и парой равных сторон. Параллельные стороны различаются по длине на единицы, где:

В этом случае будет проще вернуться к стандартной формулировке теоремы Птолемея:

Правило косинусов для треугольника ABC.

Следствие 3. Составной угловой синус (+)

Позволять

потом

Следовательно,

Формула для составного углового синуса (+).[10]

Следствие 4. Составной угловой синус (-)

Позволять . потом . Следовательно,

Формула для составного углового синуса (-).[10]

Этот вывод соответствует Третья теорема как записано Коперник следующий Птолемей в Альмагест. В частности, если даны стороны пятиугольника (отступающие на 36 ° по окружности) и шестиугольника (отступающие на 30 ° по окружности), может быть вычислена хорда, проходящая на 6 °. Это был критический шаг в древнем методе расчета таблиц аккордов.[11]

Следствие 5. Косинус составного угла (+)

Это следствие составляет основу Пятая теорема как записано Коперником вслед за Птолемеем в Альмагесте.

Позволять . потом . Следовательно

Формула для составного углового косинуса (+)

Несмотря на недостаток ловкости наших современных тригонометрических обозначений, из приведенных выше следствий должно быть ясно, что в теореме Птолемея (или, проще говоря, Вторая теорема ) Древний мир имел в своем распоряжении чрезвычайно гибкий и мощный тригонометрический инструмент, который позволял знатокам того времени составлять точные таблицы аккордов (соответствующие таблицам синусов) и использовать их в своих попытках понять и нанести на карту космос как они это видели. Поскольку таблицы аккордов были составлены Гиппарх Мы должны предположить, что за три столетия до Птолемея он знал «Вторую теорему» и ее производные. По следам древних астрономов история записывает звездный каталог Тимохарис Александрии. Если, что кажется вероятным, составление таких каталогов требовало понимания `` Второй теоремы '', то истинное происхождение последней впоследствии исчезает в тумане древности, но не может быть безосновательным предположение, что астрономы, архитекторы и инженеры-строители Древний Египет мог кое-что знать об этом.

Неравенство Птолемея

Это нет вписанный четырехугольник. Равенство здесь никогда не соблюдается и неравно в направлении, указанном неравенством Птолемея.

Уравнение теоремы Птолемея никогда не выполняется с нециклическими четырехугольниками. Неравенство Птолемея является расширением этого факта и является более общей формой теоремы Птолемея. В нем говорится, что, учитывая четырехугольник ABCD, тогда

где равенство имеет место тогда и только тогда, когда четырехугольник равен циклический. Этот частный случай эквивалентен теореме Птолемея.

Вторая теорема Птолемея

Теорема Птолемея дает произведение диагоналей (вписанного четырехугольника), зная стороны. Приведенная выше идентичность дает их соотношение.

Доказательство: Известно, что площадь треугольника вписанный в круг диаметром является :

Записывая площадь четырехугольника как сумму двух треугольников, имеющих один и тот же описывающий круг, мы получаем два соотношения для каждого разложения.

Приравнивая, получаем заявленную формулу.

Последствие: Зная произведение и соотношение диагоналей, мы вычитаем их непосредственные выражения:

Смотрите также

Примечания

  1. ^ К. Птолемей, Альмагест, Книга 1, Глава 10.
  2. ^ Уилсон, Джим. «Теорема Птолемея». ссылка проверена 08.04.2009
  3. ^ De Revolutionibus Orbium Coelestium: стр. 37. См. Последние две строки этой страницы. Коперник называет теорему Птолемея «Теорема вторая».
  4. ^ Предложение 8. в книге XIII Элементы Евклида доказывает с помощью аналогичных треугольников тот же результат: а именно, что длина a (сторона пятиугольника) делит длину b (соединяя чередующиеся вершины пятиугольника) в «среднем и крайнем соотношении».
  5. ^ И аналогичным образом Предложение 9. в книге XIII Элементы Евклида с помощью подобных треугольников доказывает, что длина c (сторона десятиугольника) делит радиус в «среднем и крайнем соотношении».
  6. ^ Интересную статью о построении правильного пятиугольника и определении длины стороны можно найти по следующей ссылке. [1]
  7. ^ De Revolutionibus Orbium Coelestium: Liber Primus: Теорема Primum
  8. ^ Альсина, Клауди; Нельсен, Роджер Б. (2010), Очаровательные доказательства: путешествие в элегантную математику, Математические экспозиции Дольчиани, 42, Математическая ассоциация Америки, п. 112, ISBN  9780883853481.
  9. ^ В De Revolutionibus Orbium Coelestium, Коперник не ссылается на теорему Пифагора по имени, но использует термин «поризм» - слово, которое в данном конкретном контексте, казалось бы, обозначает наблюдение или очевидное следствие другой существующей теоремы. «Поризм» можно посмотреть на страницах 36 и 37 DROC (электронная копия Гарварда)
  10. ^ а б "Синус, косинус и теорема Птолемея".
  11. ^ Чтобы понять третью теорему, сравните диаграмму Коперника, показанную на странице 39 Гарвардская копия из De Revolutionibus к таковому для происхождения греха (A-B), найденному в приведенном выше завязать узел страница в Интернете

Рекомендации

внешняя ссылка