شكل رباعي مماس

شكل رباعي مماس مع دائرته الداخلية

في الهندسة الإقليدية ، يُعرف الشكل الرباعي المماسي ( أو الشكل الرباعي المحيط ) بأنه شكل رباعي محدب يمكن أن تكون جميع أضلاعه مماسية لدائرة واحدة داخله. تُسمى هذه الدائرة بالدائرة الداخلية للشكل الرباعي أو دائرته المحيطة، ويُسمى مركزها بالمركز الداخلي ، ويُسمى نصف قطرها بالنصف القطر الداخلي . ولأن هذه الأشكال الرباعية يمكن رسمها محيطة بدوائرها الداخلية، فقد سُميت أيضًا بالأشكال الرباعية القابلة للتحديد ، والأشكال الرباعية المحيطة ، والأشكال الرباعية القابلة للتحديد . [ 1 ] تُعد الأشكال الرباعية المماسية حالة خاصة من المضلعات المماسية .

من الأسماء الأخرى الأقل شيوعًا لهذه الفئة من الأشكال الرباعية: الشكل الرباعي القابل للرسم ، والشكل الرباعي الدائري ، والشكل الرباعي المحيط بدائرة ، والشكل الرباعي المتحد الدائرة . [ 1 ] [ 2 ] ونظرًا لاحتمالية الخلط بينه وبين الشكل الرباعي المحيط بدائرة ، والذي يُسمى الشكل الرباعي الدائري أو الشكل الرباعي المرسوم داخل دائرة، يُفضّل عدم استخدام أي من الأسماء الخمسة الأخيرة. [ 1 ]

يمكن أن تحتوي جميع المثلثات على دائرة داخلية، ولكن ليس كل الأشكال الرباعية كذلك. ومن أمثلة الأشكال الرباعية التي لا يمكن أن تكون مماسية المستطيل غير المربع. توضح خصائص القسم أدناه الشروط اللازمة والكافية التي يجب أن يستوفيها الشكل الرباعي لكي يحتوي على دائرة داخلية.

حالات خاصة

من أمثلة الأشكال الرباعية المماسية شكل الطائرة الورقية ، الذي يشمل المعين ، الذي يشمل بدوره المربع . الطائرة الورقية هي تحديدًا الأشكال الرباعية المماسية المتعامدة الأقطار . [ 3 ] الطائرة الورقية القائمة هي طائرة ورقية محاطة بدائرة . إذا كان الشكل الرباعي مماسًا ودائريًا ، يُسمى شكلًا رباعيًا ثنائي المركز ، وإذا كان مماسًا وشبه منحرف ، يُسمى شبه منحرف مماس .

الخصائص

في الشكل الرباعي المماسي، تلتقي منصفات الزوايا الأربع في مركز الدائرة الداخلية. وعلى العكس، فإن الشكل الرباعي المحدب الذي تلتقي فيه منصفات الزوايا الأربع في نقطة ما، يكون مماسياً، وتكون النقطة المشتركة هي مركز الدائرة الداخلية. [ 4 ]

وفقًا لنظرية بيتو ، فإن مجموع طولي الزوجين المتقابلين في شكل رباعي مماس يساوي الطول الكلي نفسه، والذي يساوي نصف محيط الشكل الرباعي:

أ+ج=ب+د=أ+ب+ج+د2=s.{\displaystyle a+c=b+d={\frac {a+b+c+d}{2}}=s.}

وبالمقابل، فإن الشكل الرباعي المحدب الذي فيه a + c = b + d يجب أن يكون مماساً. [ 1 ] : ص 65 [ 4 ]

إذا تقاطعت الأضلاع المتقابلة في شكل رباعي محدب ABCD (وهو ليس شبه منحرف ) عند E و F ، فإنها تكون مماسية إذا وفقط إذا كان أي من [ 4 ]

بهـ+بF=دهـ+دF{\displaystyle \displaystyle BE+BF=DE+DF}

أو

أهـ-هـج=أF-Fج:{\displaystyle \displaystyle AE-EC=AF-FC:}

ومن الشروط الضرورية والكافية الأخرى أن يكون الشكل الرباعي المحدب ABCD مماساً إذا وفقط إذا كانت الدوائر الداخلية في المثلثين ABC و ADC مماسة لبعضها البعض. [ 1 ] : ص 66

يُعزى وصف الزوايا المتكونة من القطر BD والأضلاع الأربعة للشكل الرباعي ABCD إلى يوسيفيسكو. وقد أثبت في عام 1954 أن الشكل الرباعي المحدب له دائرة داخلية إذا وفقط إذا [ 5 ].

لون برونزيأبد2لون برونزيبدج2=لون برونزيأدب2لون برونزيدبج2.\displaystyle \tan {\frac {\angle ABD}{2}}\cdot \tan {\frac {\angle BDC}{2}}=\tan {\frac {\angle ADB}{2}}\cdot \tan {\frac {\angle DBC}{2}}.}
شكل رباعي مماس (باللون الأزرق) مع دائرته الداخلية (خط متقطع) والدوائر الأربع المماسية الخارجية (باللون الأحمر)، كل منها مماس لضلع معين وامتدادات الأضلاع المجاورة.

علاوة على ذلك، يكون الشكل الرباعي المحدب ذو الأضلاع المتتالية a و b و c و d مماسًا إذا وفقط إذا

RأRج=RبRد{\displaystyle R_{a}R_{c}=R_{b}R_{d}}

حيث تمثل R<sub> a </sub> و R <sub> b </sub> و R<sub> c</sub> و R<sub> d</sub> أنصاف أقطار الدوائر المماسية خارجيًا للأضلاع a و b و c و d على التوالي، وامتدادات الضلعين المتجاورين لكل ضلع. [ 6 ] : ص 72

توجد العديد من الخصائص الأخرى المعروفة في المثلثات الفرعية الأربعة التي تشكلها الأقطار.

نقاط التلامس وأطوال المماس

شكل رباعي مماس (باللون الأزرق) وشكل رباعي تماسه (باللون الأخضر) يصلان نقاط التماس الأربع بين الدائرة الداخلية والجوانب. كما هو موضح أيضًا أوتار التماس التي تصل نقاط التماس المتقابلة (باللون الأحمر) وأطوال المماس على الجوانب.

تكون الدائرة الداخلية مماسية لكل جانب عند نقطة تماس واحدة . تحدد هذه النقاط الأربع شكلاً رباعياً جديداً داخل الشكل الرباعي الأصلي: الشكل الرباعي التماسي، وهو شكل دائري لأنه محاط بالدائرة الداخلية للشكل الرباعي الأصلي.

أطوال المماسات الثمانية ( هـ ، و ، ز ، ح في الشكل على اليمين) للشكل الرباعي المماسي هي القطع المستقيمة الواصلة من كل رأس إلى نقاط التماس. ومن كل رأس، يوجد مماسان متطابقان .

يمثل الوتران المماسيان ( k و l في الشكل) للرباعي المماسي القطعتين المستقيمتين اللتين تصلان نقاط التماس على الجانبين المتقابلين. وهما أيضاً قطرا الرباعي المماسي.

منطقة

الصيغ غير المثلثية

مساحة الشكل الرباعي المماسي K تُعطى بالعلاقة التالية :

ك=رs،{\displaystyle \displaystyle K=r\cdot s,}

حيث s هو نصف المحيط و r هو نصف القطر الداخلي . صيغة أخرى هي [ 7 ]

ك=12ص2q2-(أج-بد)2{\displaystyle \displaystyle K={\tfrac {1}{2}}{\sqrt {p^{2}q^{2}-(ac-bd)^{2}}}}

مما يعطي المساحة بدلالة الأقطار p و q والأضلاع a و b و c و d للشكل الرباعي المماسي.

يمكن التعبير عن المساحة أيضًا بدلالة أطوال المماسات الأربعة فقط . إذا كانت هذه الأطوال هي e و f و g و h ، فإن مساحة الشكل الرباعي المماسي هي [ 3 ].

ك=(هـ+و+ز+ح)(هـوز+وزح+زحهـ+حهـو).{\displaystyle \displaystyle K={\sqrt {(e+f+g+h)(efg+fgh+ghe+hef)}}.}

علاوة على ذلك، يمكن التعبير عن مساحة الشكل الرباعي المماسي بدلالة الأضلاع a و b و c و d وأطوال المماسات المتتالية e و f و g و h كما في [ 3 ] : ص 128

ك=أبجد-(هـز-وح)2.{\displaystyle K={\sqrt {abcd-(eg-fh)^{2}}}.}

بما أن eg = fh إذا وفقط إذا كان الشكل الرباعي المماسي دائريًا أيضًا، وبالتالي ثنائي المركز، [ 8 ] فإن هذا يُظهر أن المساحة القصوىأبجد{\displaystyle {\sqrt {abcd}}}يحدث ذلك فقط إذا كان الشكل الرباعي المماسي ثنائي المركز.

الصيغ المثلثية

الصيغة المثلثية للمساحة بدلالة الأضلاع a و b و c و d وزاويتين متقابلتين هي [ 7 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

ك=أبجدالخطيئةأ+ج2=أبجدالخطيئةب+د2.{\displaystyle \displaystyle K={\sqrt {abcd}}\sin {\frac {A+C}{2}}={\sqrt {abcd}}\sin {\frac {B+D}{2}}.}

بالنسبة لأطوال أضلاع معينة، تكون المساحة أكبر ما يمكن عندما يكون الشكل الرباعي دائريًا أيضًا ، وبالتالي يكون شكلًا رباعيًا ثنائي المركز .ك=أبجد{\displaystyle K={\sqrt {abcd}}}بما أن الزوايا المتقابلة هي زوايا متكاملة . ويمكن إثبات ذلك بطريقة أخرى باستخدام حساب التفاضل والتكامل . [ 12 ]

صيغة أخرى لحساب مساحة الشكل الرباعي المماسي ABCD الذي يتضمن زاويتين متقابلتين هي [ 10 ] : ص 19

ك=(أناأأناج+أنابأناد)الخطيئةأ+ج2{\displaystyle K=\left(IA\cdot IC+IB\cdot ID\right)\sin {\frac {A+C}{2}}}

حيث يمثل I المركز الداخلي.

في الواقع، يمكن التعبير عن المساحة بدلالة ضلعين متجاورين وزاويتين متقابلتين فقط كما هو [ 7 ]

ك=أبالخطيئةب2cscد2الخطيئةب+د2.{\displaystyle K=ab\sin {\frac {B}{2}}\csc {\frac {D}{2}}\sin {\frac {B+D}{2}}.}

وهناك صيغة أخرى لحساب المساحة وهي [ 7 ]

ك=12|(أج-بد)لون برونزيθ|،{\displaystyle K={\tfrac {1}{2}}|(ac-bd)\tan {\theta }|,}

حيث θ هي إحدى الزاويتين بين القطرين. لا يمكن استخدام هذه الصيغة عندما يكون الشكل الرباعي المماسي على شكل طائرة ورقية، لأن θ في هذه الحالة تساوي 90 درجة، وبالتالي تكون دالة الظل غير معرفة.

عدم المساواة

كما ذُكر بشكل غير مباشر أعلاه، فإن مساحة الشكل الرباعي المماسي ذي الأضلاع a و b و c و d تحقق ما يلي:

كأبجد{\displaystyle K\leq {\sqrt {abcd}}}

مع المساواة إذا وفقط إذا كان شكلاً رباعياً ثنائي المركز .

بحسب تي. إيه. إيفانوفا (1976)، فإن نصف محيط الشكل الرباعي المماسي يحقق ما يلي:

s4ر{\displaystyle s\geq 4r}

حيث r هو نصف قطر الدائرة الداخلية. يتحقق التساوي إذا وفقط إذا كان الشكل الرباعي مربعًا . هذا يعني أنه بالنسبة للمساحة K = rs ، توجد المتباينة التالية:

ك4ر2{\displaystyle K\geq 4r^{2}}

يتحقق التساوي إذا وفقط إذا كان الشكل الرباعي المماسي مربعًا.

خصائص التقسيم

شكل رباعي مماس نصف قطره الداخلي r

تقسم القطع المستقيمة الأربعة الواقعة بين مركز الدائرة الداخلية والنقاط التي تمس فيها الشكل الرباعي الشكل الرباعي إلى أربعة أشكال طائرة ورقية قائمة .

إذا قطع خط شكلًا رباعيًا مماسًا إلى مضلعين متساويين في المساحة والمحيط ، فإن هذا الخط يمر عبر مركز الدائرة الداخلية . [ 4 ]

نصف القطر الداخلي

يُعطى نصف القطر الداخلي في شكل رباعي مماس ذي أضلاع متتالية a و b و c و d بواسطة [ 7 ]

ر=كs=كأ+ج=كب+د{\displaystyle r={\frac {K}{s}}={\frac {K}{a+c}}={\frac {K}{b+d}}}

حيث K هي مساحة الشكل الرباعي و s هو نصف محيطه. بالنسبة للشكل الرباعي المماسي ذي الأضلاع المعطاة، يكون نصف قطر الدائرة الداخلية أكبر ما يمكن عندما يكون الشكل الرباعي دائريًا أيضًا (وبالتالي شكلًا رباعيًا ثنائي المركز ).

من حيث أطوال المماس ، فإن نصف قطر الدائرة الداخلية هو [ 8 ] : Lemma2 [ 13 ]

ر=هـوز+وزح+زحهـ+حهـوهـ+و+ز+ح.{\displaystyle \displaystyle r={\sqrt {\frac {efg+fgh+ghe+hef}{e+f+g+h}}}.}

يمكن التعبير عن نصف قطر الدائرة الداخلية بدلالة المسافات من مركز الدائرة الداخلية I إلى رؤوس الشكل الرباعي المماسي ABCD . إذا كان u = AI و v = BI و x = CI و y = DI ، فإن

ر=2(σ-uvx)(σ-vxy)(σ-xyu)(σ-yuv)uvxy(uv+xy)(ux+vy)(uy+vx){\displaystyle r=2{\sqrt {\frac {(\sigma -uvx)(\sigma -vxy)(\sigma -xyu)(\sigma -yuv)}{uvxy(uv+xy)(ux+vy)(uy+vx)}}}}

أينσ=12(uvx+vxy+xyu+yuv){\displaystyle \sigma ={\tfrac {1}{2}}(uvx+vxy+xyu+yuv)}[ 14 ]

إذا كانت الدوائر الداخلية في المثلثات ABC و BCD و CDA و DAB لها أنصاف أقطارر1،ر2،ر3،ر4{\displaystyle r_{1},r_{2},r_{3},r_{4}}وبالتالي، فإن نصف قطر الدائرة الداخلية للشكل الرباعي المماسي ABCD يُعطى بالعلاقة التالية:

ر=جي+جي2-4ر1ر2ر3ر4(ر1ر3+ر2ر4)2(ر1ر3+ر2ر4){\displaystyle r={\frac {G+{\sqrt {G^{2}-4r_{1}r_{2}r_{3}r_{4}(r_{1}r_{3}+r_{2}r_{4})}}}{2(r_{1}r_{3}+r_{2}r_{4})}}}

أينجي=ر1ر2ر3+ر2ر3ر4+ر3ر4ر1+ر4ر1ر2{\displaystyle G=r_{1}r_{2}r_{3}+r_{2}r_{3}r_{4}+r_{3}r_{4}r_{1}+r_{4}r_{1}r_{2}}[ 15 ]

صيغ الزوايا

إذا كانت e و f و g و h هي أطوال المماس من الرؤوس A و B و C و D على التوالي إلى النقاط التي يكون فيها الدائرة الداخلية مماسًا لأضلاع الشكل الرباعي المماسي ABCD ، فيمكن حساب زوايا الشكل الرباعي من [ 3 ].

الخطيئةأ2=هـوز+وزح+زحهـ+حهـو(هـ+و)(هـ+ز)(هـ+ح)،{\displaystyle \sin {\frac {A}{2}}={\sqrt {\frac {efg+fgh+ghe+hef}{(e+f)(e+g)(e+h)}}},}
الخطيئةب2=هـوز+وزح+زحهـ+حهـو(و+هـ)(و+ز)(و+ح)،{\displaystyle \sin {\frac {B}{2}}={\sqrt {\frac {efg+fgh+ghe+hef}{(f+e)(f+g)(f+h)}}},}
الخطيئةج2=هـوز+وزح+زحهـ+حهـو(ز+هـ)(ز+و)(ز+ح)،{\displaystyle \sin {\frac {C}{2}}={\sqrt {\frac {efg+fgh+ghe+hef}{(g+e)(g+f)(g+h)}}},}
الخطيئةد2=هـوز+وزح+زحهـ+حهـو(ح+هـ)(ح+و)(ح+ز).{\displaystyle \sin {\frac {D}{2}}={\sqrt {\frac {efg+fgh+ghe+hef}{(h+e)(h+f)(h+g)}}}.}

الزاوية بين وترَي التماس k و l معطاة بواسطة [ 3 ]

الخطيئةφ=(هـ+و+ز+ح)(هـوز+وزح+زحهـ+حهـو)(هـ+و)(و+ز)(ز+ح)(ح+هـ).{\displaystyle \sin {\varphi }={\sqrt {\frac {(e+f+g+h)(efg+fgh+ghe+hef)}{(e+f)(f+g)(g+h)(h+e)}}}.}

الأقطار

إذا كانت e و f و g و h هي أطوال المماسات من A و B و C و D على التوالي إلى النقاط التي يكون عندها الدائرة الداخلية مماسًا لأضلاع الشكل الرباعي المماسي ABCD ، فإن أطوال القطرين p = AC و q = BD هي [ 8 ] : اللمة 3

ص=هـ+زو+ح((هـ+ز)(و+ح)+4وح)،{\displaystyle \displaystyle p={\sqrt {{\frac {e+g}{f+h}}{\Big (}(e+g)(f+h)+4fh{\Big )}}},}
q=و+حهـ+ز((هـ+ز)(و+ح)+4هـز).{\displaystyle \displaystyle q={\sqrt {{\frac {f+h}{e+g}}{\Big (}(e+g)(f+h)+4eg{\Big )}}}.}

أوتار التماس

إذا كانت e و f و g و h هي أطوال المماس لرباعي مماس، فإن أطوال أوتار التماس هي [ 3 ].

ك=2(هـوز+وزح+زحهـ+حهـو)(هـ+و)(ز+ح)(هـ+ز)(و+ح)،{\displaystyle \displaystyle k={\frac {2(efg+fgh+ghe+hef)}{\sqrt {(e+f)(g+h)(e+g)(f+h)}}},}
ل=2(هـوز+وزح+زحهـ+حهـو)(هـ+ح)(و+ز)(هـ+ز)(و+ح){\displaystyle \displaystyle l={\frac {2(efg+fgh+ghe+hef)}{\sqrt {(e+h)(f+g)(e+g)(f+h)}}}}

حيث يربط وتر التماس ذو الطول k بين الضلعين اللذين طولهما a = e + f و c = g + h ، ويربط وتر التماس ذو الطول l بين الضلعين اللذين طولهما b = f + g و d = h + e . وتحقق النسبة التربيعية لأوتار التماس المعادلة [ 3 ].

ك2ل2=بدأج.{\displaystyle {\frac {k^{2}}{l^{2}}}={\frac {bd}{ac}}.}

وترين متماسين

يكون وتر التماس بين الضلعين AB و CD في الشكل الرباعي المماسي ABCD أطول من وتر التماس بين الضلعين BC و DA إذا وفقط إذا كان ثنائي المتوسط ​​بين الضلعين AB و CD أقصر من ثنائي المتوسط ​​بين الضلعين BC و DA . [ 17 ] : ص 162

إذا كان للشكل الرباعي المماسي ABCD نقطتا تماس W على AB و Y على CD ، وإذا كان وتر التماس WY يتقاطع مع القطر BD عند النقطة M ، فإن نسبة أطوال المماساتبدبليودY{\displaystyle {\tfrac {BW}{DY}}}يساوي النسبةبمدم{\displaystyle {\tfrac {BM}{DM}}}من قطاعات القطر BD . [ 18 ]

النقاط المتوازية

إنشاء خط نيوتن (باللون الأحمر) لشكل رباعي مماس (باللون الأزرق)، يوضح محاذاة المركز الداخلي I، ومنصفات الأقطار M1 وM2، والوسط M3 للقطعة المستقيمة JK ( باللون الأخضر ) التي تصل بين تقاطع الأضلاع المتقابلة.

إذا كانت M1 و M2 منتصفي قطري الشكل الرباعي المماسي ABCD ، مركزه الداخلي I ، على التوالي ، في الشكل الرباعي المماسي ABCD ، وكانت أضلاعه المتقابلة تلتقي عند J و وكانت M3 منتصف JK ، فإن النقاط M3 و M1 و I و M2 تقع على استقامة واحدة . [ 4 ] : ​​ص 42. والخط الذي يمر بها هو خط نيوتن للشكل الرباعي.

إذا تقاطعت امتدادات الأضلاع المتقابلة في شكل رباعي مماس عند النقطتين J و K ، وتقاطعت امتدادات الأضلاع المتقابلة في شكل رباعي تماس معه عند النقطتين L و M ، فإن النقاط الأربع J و L و K و M تقع على استقامة واحدة. [ 19 ] : النتيجة 3

يتم تقسيم الشكل الرباعي المماسي إلى أربعة مثلثات تلتقي عند مركزها الداخلي I ، ومراكزها العمودية (باللون الأرجواني) وتقاطع أقطارها P (باللون الأخضر) كلها على خط مستقيم واحد.

إذا كانت الدائرة الداخلية مماسية للأضلاع AB و BC و CD و DA عند النقاط T1 و T2 و T3 و T4 على التوالي، وإذا كانت النقاط N1 وN2 وN3 و N4 مترافقة متساوية الذرات لهذه النقاط بالنسبة للأضلاع المقابلة ( أي أن AT1 = BN1 وهكذا ) ، فإن نقطة ناجل للرباعي المماسي تُعرَّف بأنها نقطة تقاطع الخطين N1N3 و N2N4 . يقسم هذان الخطان محيط الرباعي إلى قسمين متساويين. والأهم من ذلك، أن نقطة ناجل N ومركز المساحة G ومركز الدائرة الداخلية I تقع على استقامة واحدة بهذا الترتيب، و NG = 2GI . يُسمى هذا الخط خط ناجل للرباعي المماسي. [ 20 ]

في شكل رباعي مماس ABCD مركزه الداخلي I وتتقاطع أقطاره عند النقطة P ، ولتكن HX و HY و HZ و HW مراكز تعامد المثلثات AIB و BIC و CID و DIA . عندئذٍ ، تكون النقاط P و HX و HY و HZ و HW على استقامة واحدة . [ 10 ] : ص 28

الخطوط المتلاقية والمتعامدة

القطران والوتران المماسان متلاقيان . [ 11 ] [ 10 ] : ص 11. يمكن النظر إلى هذا كحالة حدية لنظرية بريانشون ، التي تنص على أن السداسي الذي تمس جميع أضلاعه مقطعًا مخروطيًا واحدًا له ثلاثة أقطار تلتقي في نقطة واحدة. من شكل رباعي مماس، يمكن تكوين سداسي بزاوية 180 درجة، بوضع رأسين جديدين عند نقطتي تماس متقابلتين؛ تقع جميع أضلاع هذا السداسي الستة على خطوط مماسة للدائرة المحيطة، لذا تلتقي أقطاره في نقطة واحدة. لكن اثنين من هذه الأقطار هما نفس قطري الشكل الرباعي المماسي، والقطر الثالث للسداسي هو الخط المار بنقطتي تماس متقابلتين. بتكرار هذه الحجة نفسها مع نقطتي التماس الأخريين، يكتمل برهان النتيجة.

إذا تقاطعت امتدادات الأضلاع المتقابلة في شكل رباعي مماس عند النقطتين J و K ، وتقاطعت أقطاره عند النقطة P ، فإن JK يكون عموديًا على امتداد IP حيث I هي مركز الدائرة الداخلية. [ 19 ] : النتيجة 4

مركز

يقع مركز الدائرة الداخلية للشكل الرباعي المماسي على خط نيوتن الخاص به (الذي يصل بين منتصفي قطريه). [ 21 ] : نظرية 3

يمكن التعبير عن نسبة ضلعين متقابلين في شكل رباعي مماس بدلالة المسافات بين مركز الدائرة الداخلية I والرؤوس وفقًا لـ [ 10 ] : ص 15

أبجد=أناأأنابأناجأناد،بجدأ=أنابأناجأنادأناأ.{\displaystyle {\frac {AB}{CD}}={\frac {IA\cdot IB}{IC\cdot ID}},\quad \quad {\frac {BC}{DA}}={\frac {IB\cdot IC}{ID\cdot IA}}.}

إن حاصل ضرب ضلعين متجاورين في شكل رباعي مماسي ABCD ذي مركز داخلي I يحقق [ 22 ]

أببج=أناب2+أناأأنابأناجأناد.{\displaystyle AB\cdot BC=IB^{2}+{\frac {IA\cdot IB\cdot IC}{ID}}.}

إذا كانت النقطة I هي مركز الدائرة الداخلية للشكل الرباعي المماسي ABCD ، فإن [ 10 ] : ص 16

أناأأناج+أنابأناد=أببججددأ.{\displaystyle IA\cdot IC+IB\cdot ID={\sqrt {AB\cdot BC\cdot CD\cdot DA}}.}

يتطابق مركز الدائرة الداخلية I في الشكل الرباعي المماسي ABCD مع "مركز رأس" الشكل الرباعي إذا وفقط إذا [ 10 ] : ص 22

أناأأناج=أنابأناد.{\displaystyle IA\cdot IC=IB\cdot ID.}

إذا كانت M p و M q هما منتصفات القطرين AC و BD على التوالي في شكل رباعي مماس ABCD مع مركز داخلي I ، فإن [ 10 ] : ص.19 [ 23 ]

أنامصأنامq=أناأأناجأنابأناد=هـ+زو+ح{\displaystyle {\frac {IM_{p}}{IM_{q}}}={\frac {IA\cdot IC}{IB\cdot ID}}={\frac {e+g}{f+h}}}

حيث تمثل e و f و g و h أطوال المماس عند النقاط A و B و C و D على التوالي. وبدمج المساواة الأولى مع خاصية سابقة، فإن "مركز رأس" الشكل الرباعي المماسي يتطابق مع مركز الدائرة الداخلية إذا وفقط إذا كان مركز الدائرة الداخلية هو منتصف القطعة المستقيمة الواصلة بين منتصفي قطري الشكل.

إذا صُممت آلية رباعية القضبان على شكل شكل رباعي مماس، فإنها ستظل مماسية بغض النظر عن كيفية ثني الآلية، شريطة أن يظل الشكل الرباعي محدبًا. [ 24 ] [ 25 ] (على سبيل المثال، إذا تم تشويه مربع إلى معين، فإنه يظل مماسًا، وإن كان ذلك لدائرة داخلية أصغر). إذا تم تثبيت أحد الأضلاع في وضع ثابت، فعند ثني الشكل الرباعي، يرسم مركز الدائرة الداخلية دائرة نصف قطرهاأبجد/s{\displaystyle {\sqrt {abcd}}/s}حيث a و b و c و d هي الأضلاع بالتسلسل و s هو نصف المحيط.

توصيفات في المثلثات الفرعية الأربعة

وصف تشاو وسيميونوف للمثلثات بدلالة أنصاف أقطار الدوائر داخل كل مثلث من المثلثات الأربعة.

في المثلثات غير المتداخلة APB و BPC و CPD و DPA التي تشكلها الأقطار في الشكل الرباعي المحدب ABCD ، حيث تتقاطع الأقطار عند النقطة P ، توجد الخصائص التالية للأشكال الرباعية المماسية.

لنفترض أن r1 و r2 و r3 و r4 تمثل أنصاف أقطار الدوائر الداخلية في المثلثات الأربعة APB و BPC و CPD و DPA على التوالي . وقد أثبت تشاو وسيميونوف أن الشكل الرباعي يكون مماسًا إذا وفقط إذا [ 26 ] .

1ر1+1ر3=1ر2+1ر4.{\displaystyle {\frac {1}{r_{1}}}+{\frac {1}{r_{3}}}={\frac {1}{r_{2}}}+{\frac {1}{r_{4}}}.}

وقد أثبت فاينشتين هذا التوصيف قبل خمس سنوات. [ 16 ] : ص 169 [27] وفي حل مسألته، قدم فاسيليف وسينديروف توصيفًا مشابهًا. إذا كانت h1 وh2 و h3 و h4 تمثل الارتفاعات في المثلثات الأربعة نفسها ( من نقطة تقاطع الأقطار إلى أضلاع الشكل الرباعي) ، فإن الشكل الرباعي يكون مماسًا إذا وفقط إذا [ 5 ] [ 27 ]

1ح1+1ح3=1ح2+1ح4.{\displaystyle {\frac {1}{h_{1}}}+{\frac {1}{h_{3}}}={\frac {1}{h_{2}}}+{\frac {1}{h_{4}}}.}

ثمة توصيف مشابه آخر يتعلق بأنصاف أقطار الدوائر الخارجية r a و r b و r c و r d في المثلثات الأربعة نفسها (حيث تكون الدوائر الخارجية الأربعة مماسة لأحد أضلاع الشكل الرباعي وامتدادات أقطاره). يكون الشكل الرباعي مماسًا إذا وفقط إذا [ 1 ] : ص 70

1رأ+1رج=1رب+1رد.{\displaystyle {\frac {1}{r_{a}}}+{\frac {1}{r_{c}}}={\frac {1}{r_{b}}}+{\frac {1}{r_{d}}}.}

إذا كانت R1 و R2 و R3 و R4 تمثل أنصاف أقطار الدوائر المحيطة بالمثلثات APB و BPC و CPD و DPA على التوالي ، فإن الشكل الرباعي ABCD يكون مماسًا إذا وفقط إذا [ 28 ] : ص 23-24

R1+R3=R2+R4.{\displaystyle R_{1}+R_{3}=R_{2}+R_{4}.}

في عام ١٩٩٦، كان فاينشتين على الأرجح أول من أثبت توصيفًا رائعًا آخر للأشكال الرباعية المماسية، والذي ظهر لاحقًا في العديد من المجلات والمواقع الإلكترونية. [ ١ ] : ص ٧٢-٧٣. ينص هذا التوصيف على أنه عند تقسيم شكل رباعي محدب إلى أربعة مثلثات غير متداخلة بواسطة قطريه، فإن مراكز الدوائر الداخلية لهذه المثلثات الأربعة تكون متحدة الدائرة إذا وفقط إذا كان الشكل الرباعي مماسًا. في الواقع، تُشكل مراكز الدوائر الداخلية شكلًا رباعيًا دائريًا متعامد الأقطار . [ ١ ] : ص ٧٤. ومن النتائج ذات الصلة أنه يمكن استبدال الدوائر الداخلية بالدوائر الخارجية لنفس المثلثات (المماسة لأضلاع الشكل الرباعي وامتدادات أقطاره). وبالتالي، يكون الشكل الرباعي المحدب مماسًا إذا وفقط إذا كانت مراكز الدوائر الخارجية الأربعة هي رؤوس شكل رباعي دائري . [ ١ ] : ص ٧٤. 73

يكون الشكل الرباعي المحدب ABCD ، الذي تتقاطع أقطاره عند النقطة P ، مماسًا إذا وفقط إذا كانت المراكز الخارجية الأربعة في المثلثات APB و BPC و CPD و DPA المقابلة للرأسين B و D تقع على دائرة واحدة. [ 1 ] : ص 79. إذا كانت R <sub>a </sub> و R<sub> b</sub> و R<sub> c</sub> و R<sub> d </sub> هي أنصاف أقطار المراكز الخارجية في المثلثات APB و BPC و CPD و DPA المقابلة للرأسين B و D على التوالي ، فإن شرطًا آخر هو أن يكون الشكل الرباعي مماسًا إذا وفقط إذا [ 1 ] : ص 80.

1Rأ+1Rج=1Rب+1Rد.{\displaystyle {\frac {1}{R_{a}}}+{\frac {1}{R_{c}}}={\frac {1}{R_{b}}}+{\frac {1}{R_{d}}}.}

علاوة على ذلك، يكون الشكل الرباعي المحدب ABCD الذي تتقاطع أقطاره عند النقطة P مماسًا إذا وفقط إذا [ 5 ]

أ(أPب)+ج(جPد)=ب(بPج)+د(دPأ){\displaystyle {\frac {a}{\triangle (APB)}}+{\frac {c}{\triangle (CPD)}}={\frac {b}{\triangle (BPC)}}+{\frac {d}{\triangle (DPA)}}}

حيث ∆( APB ) هي مساحة المثلث APB .

لنرمز إلى القطعتين اللتين يقسمهما تقاطع القطر P مع القطر AC بالرمزين AP = p1 و PC = p2 ، وبالمثل يقسم P القطر BD إلى القطعتين BP = q1 و PD = q2 . عندئذٍ يكون الشكل الرباعي مماسًا إذا وفقط إذا تحققت إحدى المتساويات التالية: [ 29 ]

أص2q2+جص1q1=بص1q2+دص2q1{\displaystyle ap_{2}q_{2}+cp_{1}q_{1}=bp_{1}q_{2}+dp_{2}q_{1}}

أو [ 1 ] : ص 74

(ص1+q1-أ)(ص2+q2-ج)(ص1+q1+أ)(ص2+q2+ج)=(ص2+q1-ب)(ص1+q2-د)(ص2+q1+ب)(ص1+q2+د){\displaystyle {\frac {(p_{1}+q_{1}-a)(p_{2}+q_{2}-c)}{(p_{1}+q_{1}+a)(p_{2}+q_{2}+c)}}={\frac {(p_{2}+q_{1}-b)(p_{1}+q_{2}-d)}{(p_{2}+q_{1}+b)(p_{1}+q_{2}+d)}}}

أو [ 1 ] : ص 77

(أ+ص1-q1)(ج+ص2-q2)(أ-ص1+q1)(ج-ص2+q2)=(ب+ص2-q1)(د+ص1-q2)(ب-ص2+q1)(د-ص1+q2).{\displaystyle {\frac {(a+p_{1}-q_{1})(c+p_{2}-q_{2})}{(a-p_{1}+q_{1})(c-p_{2}+q_{2})}}={\frac {(b+p_{2}-q_{1})(d+p_{1}-q_{2})}{(b-p_{2}+q_{1})(d-p_{1}+q_{2})}}.}

شروط اعتبار الشكل الرباعي المماسي نوعًا آخر من الأشكال الرباعية

معين

يكون الشكل الرباعي المماسي معينًا إذا وفقط إذا كانت زواياه المتقابلة متساوية. [ 30 ]

طائرة ورقية

يكون الشكل الرباعي المماسي شكلاً يشبه الطائرة الورقية إذا وفقط إذا تحقق أي من الشروط التالية: [ 16 ]

  • المساحة تساوي نصف حاصل ضرب القطرين .
  • الأقطار متعامدة .
  • القطعتان المستقيمتان اللتان تربطان نقطتي التماس المتقابلتين لهما أطوال متساوية.
  • يكون لزوج واحد من أطوال المماس المتعاكسة أطوال متساوية.
  • الخطوط الثنائية لها أطوال متساوية.
  • حاصل ضرب الجانبين المتقابلين متساوٍ.
  • يقع مركز الدائرة الداخلية على القطر الذي يمثل محور التناظر.

رباعي الأضلاع ثنائي المركز

الشكل الرباعي ثنائي المركز ABCD : الشكل الرباعي المتلامس (الوردي) متعامد القطر.

إذا كانت الدائرة الداخلية مماسية للأضلاع AB و BC و CD و DA عند W و X و Y و Z على التوالي، فإن الشكل الرباعي المماسي ABCD يكون دائريًا أيضًا (وبالتالي ثنائي المركز ) إذا وفقط إذا تحقق أي من الشروط التالية: [ 2 ] [ 3 ] : ص 124 [ 19 ]

  • WY عمودي على XZ
  • أدبليوجY=بدبليودY{\displaystyle AW\cdot CY=BW\cdot DY}
  • أجبد=أدبليو+جYبX+دZ{\displaystyle {\frac {AC}{BD}}={\frac {AW+CY}{BX+DZ}}}

أول هذه الثلاثة يعني أن الشكل الرباعي المتلامس WXYZ هو شكل رباعي متعامد الأقطار .

يكون الشكل الرباعي المماسي ثنائي المركز إذا وفقط إذا كان نصف قطر دائرته الداخلية أكبر من نصف قطر دائرة أي شكل رباعي مماسي آخر له نفس ترتيب أطوال أضلاعه. [ 31 ] : ص 392-393

شبه منحرف مماس

إذا كانت الدائرة الداخلية مماسة للضلعين AB و CD عند النقطتين W و Y على التوالي، فإن الشكل الرباعي المماسي ABCD يكون أيضًا شبه منحرف ذي ضلعين متوازيين AB و CD إذا وفقط إذا [ 32 ] : نظرية 2

أدبليودY=بدبليوجY{\displaystyle AW\cdot DY=BW\cdot CY}

ويكون AD و BC ضلعين متوازيين في شبه منحرف إذا وفقط إذا

أدبليوبدبليو=جYدY.{\displaystyle AW\cdot BW=CY\cdot DY.}

انظر أيضاً

مراجع

  1. ١ ٢ ٣ ٤ ٥ ٦ ٧ ٨ ٩ ١٠ ١١ ١٢ ١٣ جوزيفسون، مارتن (٢٠١١)، "مزيد من توصيفات الأشكال الرباعية المماسية" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، ١١ : ٦٥-٨٢ ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ ٢٠١٦-٠٣-٠٤ ، تم استرجاعه بتاريخ ٢٠١٢-٠٢-٢٠.
  2. 1 2 براينت، فيكتور؛ دنكان، جون (2010)، "عجلات داخل عجلات"، المجلة الرياضية ، 94 (نوفمبر): 502-505 ، doi : 10.1017/S0025557200001856.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 جوزيفسون، مارتن (2010)، "حسابات تتعلق بأطوال المماس وأوتار التماس لشكل رباعي مماس" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 10 : 119-130 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 13-08-2011 ، تم استرجاعه بتاريخ 11-01-2011.
  4. 1 2 3 4 5 أندريسكو، تيتو؛ إنيسكو ، بوجدان (2006)، كنوز أولمبياد الرياضيات ، بيركهاوسر، الصفحات من 64 إلى 68 .
  5. 1 2 3 مينكوليت، نيكوسور ( 2009)، "خصائص الشكل الرباعي المماسي" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 9 : 113-118.
  6. جوزيفسون، مارتن (2012)، "خصائص مترية متشابهة للأشكال الرباعية المماسية والخارجية" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 12 : 63-77 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 16 يناير 2022 ، تم استرجاعه بتاريخ 14 يونيو 2018
  7. 1 2 3 4 5 دوريل، سي في؛ روبسون، أ. (2003)، علم المثلثات المتقدم ، طبعة دوفر المعاد طباعتها، ص 28-30 .
  8. 1 2 3 حجة، موفق (2008)، "شرط أن يكون الشكل الرباعي المحيط دائريًا" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 8 : 103-106 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 2019-11-26 ، تم استرجاعه في 2011-08-31.
  9. سيدونز، أ. و.؛ هيوز، ر. ت. (1929)، علم المثلثات ، مطبعة جامعة كامبريدج، ص 203 .
  10. 1 2 3 4 5 6 7 8 غرينبيرغ، داريج، إعادة النظر في الأشكال الرباعية المحاطة ، 2008
  11. 1 2 ييو، بول، الهندسة الإقليدية ،تمت أرشفة هذا النص في 2019-03-02 على موقع Wayback Machine ، 1998، الصفحات 156-157.
  12. هويت، جون ب. (1986)، "تعظيم مساحة شبه المنحرف"، المجلة الرياضية الأمريكية الشهرية ، 93 (1): 54-56 ، doi : 10.2307/2322549 ، JSTOR 2322549 .
  13. هويت، جون ب. (1984)، "مسائل سريعة، س694"، مجلة الرياضيات ، 57 (4): 239، 242.
  14. جوزيفسون، مارتن (2010)، "حول نصف قطر الدائرة الداخلية لشكل رباعي مماس" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 10 : 27-34 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 19-12-2021 ، تم استرجاعه بتاريخ 16-02-2012.
  15. بوغومولني، ألكسندر (2016)، علاقة Inradii في الشكل الرباعي القابل للكتابة، قطع العقدة ،.
  16. 1 2 3 جوزيفسون، مارتن (2011)، "متى يكون الشكل الرباعي المماسي شكلاً يشبه الطائرة الورقية؟" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 11 : 165-174 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 15 أبريل 2012.
  17. جوزيفسون، مارتن (2011)، "مساحة الشكل الرباعي ثنائي المركز" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 11 : 155-164 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 2020-01-05 ، تم استرجاعه بتاريخ 2012-05-13.
  18. غوتيريز، أنطونيو، "الرباعي المحيط، القطر، الوتر، النسبة"،تم الاطلاع عليه بتاريخ 2012-04-09.
  19. 1 2 3 جوزيفسون، مارتن ( 2010)، "خصائص الأشكال الرباعية ثنائية المركز" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 10 : 165-173.
  20. مياكيشيف، أليكسي (2006)، "حول خطين مميزين مرتبطين برباعي الأضلاع" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 6 : 289-295 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 31-12-2019 ، تم استرجاعه بتاريخ 15-04-2012.
  21. ديرغياديس، نيكولاوس؛ كريستودولو، ديميتريس م. (2017)، "مركزا الدائرة الداخلية لشكل رباعي محدب عشوائي" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 17 : 245-254 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 24-04-2018 ، تم استرجاعه بتاريخ 21-06-2017.
  22. أندريسكو، تيتو؛ فينغ، زومينغ (2005)، 103 مسائل في حساب المثلثات من تدريب فريق الولايات المتحدة الأمريكية في أولمبياد الرياضيات الدولي ، بيركهاوزر، ص 176-177 .
  23. " تحديد النسبة OM/ON " ، منشور في " فن حل المشكلات " ، 2011 [ تمت إزالة الرابط ]
  24. بارتون، هيلين (1926)، "حول دائرة متصلة بأربعة قضبان قابلة للطي"، المجلة الرياضية الأمريكية الشهرية ، 33 (9): 462-465 ، doi : 10.2307/2299611 ، JSTOR 2299611 .
  25. بوغومولني، ألكسندر، "متى يكون الشكل الرباعي قابلاً للكتابة؟"، مجموعة متنوعة من الألغاز والمسائل الرياضية التفاعلية ،.
  26. تشاو، وو وي؛ سيميونوف، بلامين (2000)، "عندما تحتوي الأشكال الرباعية على دوائر داخلية (حل المسألة 10698)"، المجلة الرياضية الأمريكية الشهرية ، 107 (7): 657-658 ، doi : 10.2307/2589133 ، JSTOR 2589133 .
  27. 1 2 فاينشتاين، آي؛ فاسيليف، ن.؛ Senderov، V. ( 1995)، "(حل المشكلة) M1495"، كفانت (6): 27-28
  28. جوزيفسون، مارتن (2012)، "خصائص الأشكال الرباعية المتعامدة" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 12 : 13-25 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 2020-12-05 ، تم استرجاعه بتاريخ 2012-04-09.
  29. هوهن، لاري (2011)، "صيغة جديدة تتعلق بأقطار وأضلاع الشكل الرباعي" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 11 : 211-212 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 16-06-2013 ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 09-05-2012.
  30. دي فيلييرز، مايكل (2011)، "المضلعات الدائرية متساوية الزوايا والمضلعات المحيطة متساوية الأضلاع"، المجلة الرياضية ، 95 (مارس): 102-107 ، doi : 10.1017/S0025557200002461.
  31. هيس، ألبريشت (2014)، "حول دائرة تحتوي على مراكز الدوائر الداخلية للأشكال الرباعية المماسية" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 14 : 389-396 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 14-12-2014 ، تم استرجاعه بتاريخ 15-12-2014.
  32. جوزيفسون، مارتن (2014)، "إعادة النظر في مثلث النقطة القطرية" (ملف PDF) ، منتدى الهندسة ، 14 : 381-385 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 2014-12-03 ، تم استرجاعه في 2016-07-30.