Çift merkezli dörtgen

testwiki sitesinden
17.01, 30 Haziran 2024 tarihinde imported>InternetArchiveBot tarafından oluşturulmuş 2520 numaralı sürüm (1 kaynak kurtarıldı ve 0 kaynak ölü olarak işaretlendi.) #IABot (v2.0.9.5)
(fark) ← Önceki sürüm | Güncel sürüm (fark) | Sonraki sürüm → (fark)
Gezinti kısmına atla Arama kısmına atla
Şablon:Ortala

Öklid geometrisinde, bir çift merkezli dörtgen, hem bir iç teğet çembere hem de çevrel çembere sahip olan bir dışbükey (konveks) dörtgendir. Bu çemberlerin çevreleri, yarıçapları ve merkezlerine sırasıyla iç çap (inradius) ve çevrel çap (circumradius), iç merkez (incenter) ve çevrel merkez (circumcenter) denir. Tanımdan, çift merkezli dörtgenlerin hem teğetler dörtgeninin hem de kirişler dörtgeninin tüm özelliklerine sahip olduğu anlaşılmaktadır. Bu dörtgenler için diğer isimler kiriş-teğet dörtgeni[1] ve iç teğet ve dış teğet dörtgenidir. Ayrıca nadiren çift çemberli dörtgen[2] ve çift işaretlenmiş dörtgen olarak adlandırılmıştır.[3]

İç içe iki çember, çift merkezli bir dörtgenin iç teğet çemberi ve çevrel çemberiyse, çevrel çemberdeki her nokta, aynı iç teğet çembere ve çevrel çembere sahip çift merkezli bir dörtgenin tepe noktasıdır.[4] Bu, Fransız matematikçi Jean-Victor Poncelet (1788–1867) tarafından kanıtlanan Poncelet doğal sonucunun (porizminin) bir sonucudur.

Özel durumlar

Şablon:Ortala

Çift merkezli dörtgenlerin örnekleri, kareler, dik deltoidler ve ikizkenar teğet yamuklardır.

Tanımlama

Şablon:Ortala

Kenarları a, b, c, d olan bir dışbükey dörtgen ABCD, ancak ve ancak karşı kenarlar teğetler dörtgeni için Pitot teoremini ve zıt açıların bütünler olduğu kirişler dörtgeni özelliğini sağlıyorsa çift merkezlidir; yani,

{a+c=b+dA+C=B+D=π.

Diğer üç nitelendirme, teğetler dörtgenindeki iç teğet çemberin kenarlara teğet olduğu noktalarla ilgilidir. Çember, sırasıyla W, X, Y, Z'de AB, BC, CD, DA kenarlarına teğet ise, teğetler dörtgeni ABCD ancak ve ancak aşağıdaki üç koşuldan herhangi biri geçerliyse aynı zamanda kirişler dörtgenidir:[5]

  • WY, XZ'ye diktir.
  • AWWB=DYYC
  • ACBD=AW+CYBX+DZ

Bu üçünden ilki, temas dörtgeni WXYZ'nin bir ortodiyagonal dörtgen olduğu anlamına gelir.

E, F, G, H sırasıyla WX, XY, YZ, ZW'nin orta noktaları ise, teğetler dörtgeni ABCD, ancak ve ancak EFGH dörtgeni bir dikdörtgense aynı zamanda kirişler dörtgenidir.[5]

Başka bir nitelendirmeye göre, eğer I, karşıt kenarların uzantılarının J ve K'de kesiştiği bir teğetler dörtgenindeki iç teğet çemberin merkezi ise, o zaman dörtgen de, ancak ve ancak JIK bir dik açı ise kirişler dörtgenidir.[5]

Yine bir başka gerekli ve yeterli koşul, teğetler dörtgen ABCD'nin, ancak ve ancak Newton doğrusu, temas dörtgeni WXYZ'nin Newton doğrusuna dik olması durumunda kirişler dörtgeni olmasıdır. (Bir dörtgenin Newton doğrusu, köşegenlerinin orta noktaları tarafından tanımlanan doğrudur.)[5]

Çizim

Şablon:Ortala

Çift merkezli bir dörtgen oluşturmak için basit bir yöntem vardır:

Merkez I etrafında r yarıçaplı Cr iç teğet çemberi ile başlar ve daha sonra Cr iç teğet çemberi içinde birbirine dik iki WY ve XZ kirişleri çizilir. Kirişlerin uç noktalarında, iç teğet çembere a, b, c ve d teğetleri çizilir. Bunlar, çift merkezli bir dörtgenin köşeleri olan dört A, B, C ve D noktasında kesişir.[6] Çevrel çemberi çizmek için, çift merkezli dörtgen sırasıyla a ve b kenarlarına iki dik açıortay p1 ve p2 çizilir. Dikey açıortaylar p1 ve p2, çevrel çember CR'nin merkezi O'da iç teğet çember Cr'nin merkezi I arasındaki x mesafede kesişir. Çevrel çember, merkez O etrafında çizilebilir.

Bu yapının geçerliliği, bir teğetler dörtgeni ABCD'de, temas dörtgeni WXYZ'nin, ancak ve ancak teğetler dörtgeninin aynı zamanda kirişler dörtgeni olması durumunda dikey köşegenlere sahip olduğu nitelendirmesinden kaynaklanmaktadır.

Alan

Dört nicelik cinsinden formüller

Çift merkezli bir K dörtgeninin alanı, dörtgenin dört niceliğiyle (kenar uzunlukları) birkaç farklı şekilde ifade edilebilir. Kenarlar a, b, c, d ise, alan:[7][8][9][10][11] K=abcd.

Bu, Brahmagupta formülünün özel bir halidir. Ayrıca bir teğetler dörtgeninin alanı için trigonometrik formülden doğrudan türetilebilir. Tersinin geçerli olmadığına dikkat edin: Çift merkezli olmayan bazı dörtgenler de K=abcd alanına sahiptir.[12] Böyle bir dörtgene bir örnek, kare olmayan bir dikdörtgendir.

Alan ayrıca teğet uzunlukları e, f, g, h[8] cinsinden de aşağıdaki şekilde ifade edilebilir: Şablon:Rp

K=efgh4(e+f+g+h).

İç teğet çemberin merkezi I olan çift merkezli dörtgen ABCD'nin alanı için bir formül aşağıdaki gibidir:[9] K=AICI+BIDI.

Çift merkezli bir dörtgenin teğet kirişleri k, l ve köşegenleri p, q varsa, alanı aşağıdaki şekilde ifade edilebilir:[8] Şablon:Rp

K=klpqk2+l2.

Eğer k, l teğet kirişleri ve m, n dörtgenin bimedyanlarıysa, alan aşağıdaki formül[9] kullanılarak hesaplanabilir.

K=|m2n2k2l2|kl

Dörtgen bir dik deltoid ise bu formül kullanılamaz, çünkü bu durumda payda sıfırdır.

M ve N köşegenlerin orta noktaları ve E ve karşıt kenarların uzantılarının kesişme noktaları ise, çift merkezli bir dörtgenin alanı şu şekilde verilir:

K=2MNEIFIEF

burada I iç teğet çemberin merkezidir.[9]

Üç nicelik cinsinden formüller

Çift merkezli bir dörtgenin alanı, iki karşıt kenar ve köşegenler arasındaki θ açısı cinsinden ifade edilebilir.[9] K=actanθ2=bdcotθ2.

İki komşu açı ve iç teğet çemberin yarıçapı r cinsinden, alan[9] aşağıdaki formül ile verilmiştir.

K=2r2(1sinA+1sinB).

Alan, çevrel çemberin yarıçapı R ve iç teğet çemberin yarıçapı r cinsinden aşağıdaki şekilde verilebilir.

K=r(r+4R2+r2)sinθ

burada θ, köşegenler arasındaki açıdır.[13]

M ve N köşegenlerin orta noktaları ve E ve F karşıt kenarların uzantılarının kesişme noktaları ise, alan da şu şekilde ifade edilebilir:

K=2MNEQFQ

burada Q, iç teğet çemberin merkezinden geçen EF doğrusuna dik olan ayağıdır.[9]

Eşitsizlikler

Eğer r ve R sırasıyla iç teğet çemberin yarıçapı ve çevresel çemberin yarıçapı ise, K alanı aşağıdaki eşitsizlikleri sağlar:[14] 4r2K2R2.

Sadece dörtgen bir kare ise her iki taraf için de eşitlik söz konusudur.

Alan için bir başka eşitsizlik ise[15] Şablon:Rp

K43r4R2+r2'dir.

burada r ve R sırasıyla iç teğet çemberin yarıçapı ve çevrel çemberin yarıçapıdır.

Alan için bir öncekinden daha keskin bir üst sınır veren benzer bir eşitsizlik ise:[13] Kr(r+4R2+r2)'dir.

eşitlik ancak ve ancak dörtgen bir dik deltoid ise geçerlidir.

Ek olarak, a, b, c, d ve yarı çevre s kenarları ile:

2Ksr+r2+4R2;[15] Şablon:Rp
6Kab+ac+ad+bc+bd+cd4r2+4R2+4rr2+4R2;[15] Şablon:Rp
4Kr2abcd169r2(r2+4R2).[15] Şablon:Rp

Açı formülleri

a, b, c, d sırasıyla AB, BC, CD, DA çift merkezli dörtgenin kenarlarına karşılık gelen uzunluklar ise, ABCDtepe açıları tanjant fonksiyonu ile hesaplanabilir:[9] tanA2=bcad=cotC2,

tanB2=cdab=cotD2.

Aynı gösterimleri kullanarak, sinüs ve kosinüs fonksiyonları için aşağıdaki formüller geçerlidir:[16] sinA2=bcad+bc=cosC2,

cosA2=adad+bc=sinC2,
sinB2=cdab+cd=cosD2,
cosB2=abab+cd=sinD2.

Köşegenler arasındaki θ açısı aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:[10]

tanθ2=bdac.

İç yarıçap (inradius) ve dış yarıçap (circumradius)

Çift merkezli bir dörtgenin iç teğet çemberinin yarıçapı r, aşağıdaki ifadeye[7] göre a, b, c, d kenarlarıyla belirlenir.

r=abcda+c=abcdb+d.

Çevrel çemberin yarıçapı R, Parameshvara formülünün özel bir durumu olarak aşağıda verilmiştir.[7] R=14(ab+cd)(ac+bd)(ad+bc)abcd.

İç teğet çemberin yarıçapı, aşağıdaki formüle göre ardışık teğet uzunlukları e, f, g, h cinsinden de ifade edilebilir:[17]Şablon:Rp

r=eg=fh.

Bu iki formül gerçekte, iç teğet çemberinin yarıçapı r olan bir teğetler dörtgeninin kirişler dörtgeni olması için gerekli ve yeterli koşullardır.

Çift merkezli bir dörtgenin dört kenarı a, b, c, d, dördüncü dereceden denklemin dört çözümüdür.

y42sy3+(s2+2r2+2r4R2+r2)y22rs(4R2+r2+r)y+r2s2=0

burada s yarı çevre, r ve R ise sırasıyla iç teğet çemberin yarıçapı ve çevrel çemberin yarıçapıdır.[18] Şablon:Rp

Teğet uzunlukları e, f, g, h ve iç teğet çemberinin yarıçapı r olan çift merkezli bir dörtgen varsa, teğet uzunlukları ev, fv, gv, hv ve iç teğet çemberinin yarıçapı rv olan çift merkezli bir dörtgen vardır, burada v herhangi bir gerçel sayı olabilir.[19] Şablon:Rp

Çift merkezli bir dörtgen, aynı kenar uzunluk dizisine sahip diğer herhangi bir teğetler dörtgenine göre daha büyük bir yarıçapa sahiptir.[20] Şablon:Rp

Eşitsizlikler

Çevrel çemberin yarıçapı R ve iç teğet çemberin yarıçapı r aşağıdaki eşitsizliği sağlar:

R2r

Bu eşitsizlik, L. Fejes Tóth tarafından 1948'de kanıtlanmıştır.[19] Sadece iki çember eş merkezli olduğunda (birbirleriyle aynı merkeze sahip olduklarında) eşitlik geçerli olur; o zaman dörtgen bir karedir. Eşitsizlik, yukarıdaki alan için çifte eşitsizlik kullanılarak birkaç farklı şekilde kanıtlanabilir.

Önceki eşitsizliğin bir uzantısı[2][21]Şablon:Rp

r2R12(sinA2cosB2+sinB2cosC2+sinC2cosD2+sinD2cosA2)1

burada ancak ve ancak her iki tarafta da eşitlik olduğu zaman dörtgen bir karedir.[16]Şablon:Rp

Bir çift merkezli dörtgenin yarı çevresi s, aşağıdaki eşitsizliği sağlar:[19]Şablon:Rp

8r(4R2+r2r)s4R2+r2+r

burada r ve R sırasıyla iç teğet çemberin yarıçapı ve çevrel çemberin yarıçapıdır.

Ayrıca,[15]Şablon:Rp

2sr2abc+abd+acd+bcd2r(r+r2+4R2)2

ve

abc+abd+acd+bcd2K(K+2R2).[15]Şablon:Rp

İç teğet çemberin merkezi (incenter) ve çevrel çemberin merkezi (circumcenter) arasındaki uzunluk

Şablon:Ortala

Fuss teoremi

Fuss teoremi, herhangi bir çift merkezli dörtgenin iç teğet çemberinin yarıçapı r ve çevrel çemberinin yarıçapı R ile iç teğet çemberinin merkezi I ve çevrel çemberinin merkezi O arasındaki x uzunluğu arasında bir ilişki verir. Bu ilişki, aşağıdaki gibi ifade edilebilir:[1][11][22] 1(Rx)2+1(R+x)2=1r2,

veya eşdeğer olarak,

2r2(R2+x2)=(R2x2)2.

1792'de Leonhard Euler'in öğrencisi olan İsviçreli matematikçi Nicolaus Fuss (1755–1826) tarafından türetilmiştir. Denklemi x için çözersek;

x=R2+r2r4R2+r2.

Üçgenler için Euler teoreminin analogu olan çift merkezli dörtgenler için Fuss teoremi, eğer bir dörtgen çift merkezli ise, iki ilişkili çemberin yukarıdaki denklemlere göre birbiriyle ilişkili olduğunu söyler. Aslında, tersi de geçerlidir: Fuss teoremindeki koşulu sağlayan merkezler arasında R ve r yarıçaplı ve iki çemberin merkezleri arasındaki uzaklık x mesafeli iki çember (biri diğerinin içinde) verildiğinde, bunlardan birini çevreleyen ve diğerine içeriden teğet olan bir dışbükey dörtgen vardır.[23] (ve sonra Poncelet kapanma teoremine göre, sonsuz sayıda vardır).

Fuss teoreminin ifadesinde x’in r ve R cinsinden ifade edilerek x20 uygulanması, yukarıda belirtilen eşitsizliği R2r olarak elde etmenin başka bir yoludur. Bir genelleme aşağıdaki şekilde yapılabilir:[19]Şablon:Rp

2r2+x2R22r2+x2+2rx.

Carlitz özdeşliği

İç teğet çember ve çevrel çemberin merkezleri arasındaki mesafe x için bir başka formül, Amerikan matematikçi Leonard Carlitz (1907-1999) tarafından verilmiştir.[24] İfade aşağıdaki gibi yazılır:

x2=R22Rrμ

burada r ve R, sırasıyla iç teğet çemberin ve çevrel çemberin yarıçapları ve

μ=(ab+cd)(ad+bc)(a+c)2(ac+bd)=(ab+cd)(ad+bc)(b+d)2(ac+bd)'dir.

Burada a, b, c, d, çift merkezli dörtgenin kenarlarıdır.

Teğet uzunlukları ve kenarlar için eşitsizlikler

Teğet uzunlukları e, f, g, h için aşağıdaki eşitsizlikler geçerlidir:[19]Şablon:Rp

4re+f+g+h4rR2+x2R2x2

ve

4r2e2+f2+g2+h24(R2+x2r2)

burada r iç teğet çemberin yarıçapı, R çevrel çemberin yarıçapı ve x, iç teğet çemberin merkezi ile çevrel çemberin merkezi arasındaki mesafedir. a, b, c, d kenarları aşağıdaki eşitsizlikleri sağlar[19]Şablon:Rp

8ra+b+c+d8rR2+x2R2x2

ve

4(R2x2+2r2)a2+b2+c2+d24(3R22r2).

İç teğet çemberin merkezinin diğer özellikleri

Çevrel çemberin merkezi, iç teğet çemberin merkezi ve çift merkezli dörtgenin köşegenlerinin kesişimleri aynı doğru üzerindedir yani doğrusaldır.[25]

I iç teğet çemberin merkezinden bir ABCD çift merkezli dörtgeninin dört köşesine olan dört mesafe ile ilgili aşağıdaki eşitlik söz konusudur:[26] 1AI2+1CI2=1BI2+1DI2=1r2

burada r iç teğet çemberin yarıçapıdır.

Eğer P, iç teğet çemberinin merkezi I olan bir çift merkezli dörtgen ABCD'nin köşegenlerinin kesişme noktası ise aşağıdaki eşitlik geçerlidir.[27] APCP=AI2CI2.

Bir çift merkezli dörtgen ABCD içinde, iç teğet çemberin yarıçapı r ve çevrel çemberin yarıçapı R’ye ilişkin bir eşitsizlik aşağıdaki şekilde yazılabilir.[28] 4r2AICI+BIDI2R2

burada I, iç teğet çemberin merkezidir.

Köşegenlerin özellikleri

Çift merkezli bir dörtgende köşegenlerin uzunlukları, sırasıyla kirişler dörtgeni ve teğetler dörtgeninde sağlanan formüller olan kenarlar veya teğet uzunlukları cinsinden ifade edilebilir.

Köşegenleri p ve q olan çift merkezli bir dörtgende, aşağıdaki özdeşlik geçerlidir:[11] pq4r24R2pq=1

burada r ve R sırasıyla iç teğet çemberin yarıçapı ve çevrel çemberin yarıçapıdır. Bu eşitlik, aşağıdaki gibi yeniden yazılabilir:[13] r=pq2pq+4R2

veya köşegenlerin çarpımı için ikinci dereceden bir denklem olarak çözerek, aşağıdaki biçim elde edilir:

pq=2r(r+4R2+r2).

Çift merkezli bir dörtgende p ve q köşegenlerin çarpımı için bir eşitsizlik aşağıdaki gibidir:[14] 8pq(a+b+c+d)2

burada a, b, c, d kenarlardır. Bu eşitsizlik, 1967'de Amerikan matematikçi Murray S. Klamkin tarafından kanıtlanmıştır.

Bir çember üzerinde yer alan dört iç teğet çember merkezi

ABCD bir çift merkezli dörtgen ve O, çevrel çemberin merkezi olsun. O zaman OAB, OBC, OCD, ODA gibi dört üçgenin iç teğet çemberlerinin merkezleri bir çember üzerinde yer alır.[29]

Ayrıca bakınız

Kaynakça

Şablon:Kaynakça

  1. 1,0 1,1 Şablon:Kitap kaynağı
  2. 2,0 2,1 Yun, Zhang, "Euler's Inequality Revisited", Mathematical Spectrum, Volume 40, Number 3 (May 2008), pp. 119-121. First page available at Şablon:Web kaynağı.
  3. Şablon:Kitap kaynağı
  4. Weisstein, Eric W. "Poncelet Transverse." From MathWorld – A Wolfram Web Resource,
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 Şablon:Kaynak.
  6. Şablon:Kitap kaynağı
  7. 7,0 7,1 7,2 Weisstein, Eric, Bicentric Quadrilateral at MathWorld, Accessed on 2011-08-13.
  8. 8,0 8,1 8,2 Şablon:Kaynak.
  9. 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7 Şablon:Kaynak.
  10. 10,0 10,1 Durell, C. V. and Robson, A., Advanced Trigonometry, Dover, 2003, pp. 28, 30.
  11. 11,0 11,1 11,2 Yiu, Paul, Euclidean Geometry, 1998, ss. 158-164.
  12. Lord, Nick, "Quadrilaterals with area formula K=abcd.", Mathematical Gazette 96, July 2012, 345-347.
  13. 13,0 13,1 13,2 Şablon:Kaynak.
  14. 14,0 14,1 Şablon:Kitap kaynağı
  15. 15,0 15,1 15,2 15,3 15,4 15,5 Inequalities proposed in Crux Mathematicorum, 2007.
  16. 16,0 16,1 Şablon:Kaynak.
  17. M. Radic, Z. Kaliman, and V. Kadum, "A condition that a tangential quadrilateral is also a chordal one", Mathematical Communications, 12 (2007) 33–52.
  18. Pop, Ovidiu T., "Identities and inequalities in a quadrilateral", Octogon Mathematical Magazine, Vol. 17, No. 2, October 2009, pp 754-763.
  19. 19,0 19,1 19,2 19,3 19,4 19,5 Radic, Mirko, "Certain inequalities concerning bicentric quadrilaterals, hexagons and octagons", Journal of Inequalities in Pure and Applied Mathematics, Volume 6, Issue 1, 2005,
  20. Şablon:Kaynak.
  21. Shattuck, Mark, “A Geometric Inequality for Cyclic Quadrilaterals”, Forum Geometricorum 18, 2018, 141-154. http://forumgeom.fau.edu/FG2018volume18/FG201822.pdf Şablon:Webarşiv This paper also gives various inequalities in terms of the arc lengths subtended by a cyclic quadrilateral’s sides.
  22. Şablon:Kaynak.
  23. Şablon:Kaynak.
  24. Calin, Ovidiu, Euclidean and Non-Euclidean Geometry a metric approach, pp. 153–158.
  25. Bogomolny, Alex, Collinearity in Bicentric Quadrilaterals, 2004.
  26. Juan Carlos Salazar, Fuss Theorem for Bicentric Quadrilateral, 2003, .
  27. Crux Mathematicorum 34 (2008) no 4, p. 242.
  28. Şablon:Web kaynağı
  29. Alexey A. Zaslavsky, One property of bicentral quadrilaterals, 2019,