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.
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:
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
«Приведен диаметр круга, также даны стороны треугольника, четырехугольника, пятиугольника, шестиугольника и десятиугольника, которые описывает тот же круг».[7]
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
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,
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:
Этот вывод соответствует Третья теоремакак 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.
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.
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:
^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».
^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».
^Интересную статью о построении правильного пятиугольника и определении длины стороны можно найти по следующей ссылке. [1]
^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)
^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