Как найти центр многоугольника

Как вычислить центр многоугольника в 2D и 3D пространстве

Рассмотрим простой выпуклый многоугольник в двумерном декартовом пространстве. Если задан список координат вершин, отсортированных в ориентации против часовой стрелки, например, [[x0, y0], . [xn, yn]] . Как можно вычислить центр многоугольника (точку внутри многоугольника, которая равноудалена всем вершинам)?

Также рассмотрим второй случай, когда многоугольник помещен в трехмерное декартово пространство, а его нормальный вектор не параллелен ни одной из декартовых осей. Как можно вычислить центр, не поворачивая многоугольник?

Я могу читать C / C ++, Fortran, MATLAB и Python, однако любой псевдокод также приветствуется.

ИЗМЕНИТЬ

Теперь я понимаю, что мой вопрос был неправильно сформулирован. Я прошу прощения за это. Похоже, что то, что я искал, — это центр тяжести многоугольника (то есть точка, в которой картонный вырез будет балансировать, предполагая однородную плотность и однородное гравитационное поле).

Ответы (2)

Ваше определение центра вообще не имеет смысла.

Чтобы увидеть это, просто нарисуйте три невыровненные точки на плоскости и вычислите одну — единственную окружность, которая проходит для всех трех точек. Ясно, что ваш центр треугольника должен быть центром этого круга.

Теперь нарисуйте четвертую точку, которая не лежит на окружности и образует четырехгранный многоугольник. Что такое центр? На плоскости нет точки, равноудаленной от всех вершин.

Также обратите внимание, что даже в случае треугольников с использованием точки, равноудаленной от вершин, вы можете получить точки вне и далеко от многоугольника, а также численно нестабильно (при любых ε> 0 и M> 0 вы всегда можете построить треугольник, в котором специфическое перемещение вершины на расстояние меньше ε перемещает центр на расстояние больше M).

Обычно используемые «центры», которые легко вычислить, — это среднее значение всех вершин, среднее значение границы, центр масс или даже просто центр ограничивающего прямоугольника, выровненного по оси. Однако все они могут выходить за пределы многоугольника, если многоугольник не выпуклый, но в вашем случае они могут работать.

Самый простой разумный (поскольку он не зависит от системы координат) — это барицентр вершин (код на Python):

что-то плохое в том, что просто разделение одной стороны многоугольника дает вам другой центр (другими словами, это зависит от вершин, а не от набора точек, ограниченных многоугольником). Самым простым, что зависит от многоугольника, является центр масс границы IMO:

Для них обоих расширение до 3d тривиально . просто добавьте z , используя те же формулы.

В случае общего (не обязательно выпуклого, не обязательно односвязного) многоугольника «центром», который я нашел полезным, но который нетривиально вычислить, является () внутренняя точка, которая находится на максимальном расстоянии от границы (в другими словами «самая внутренняя» точка).

В этом случае я прибег к использованию дискретного (растрового) представления и преобразования гауссова расстояния.

Прежде всего, для многоугольника центроид не всегда может означать равноудаленную длину от центроида до вершин. В большинстве случаев это, вероятно, НЕ правда. При этом вы можете найти центроид, просто найдя среднее значение ваших x координат и среднее значение ваших y координат. В Matlab: centroidx = mean(xcoords) и centroidy = mean(ycoords) — координаты центроида. См. это, если вам действительно нужно больше.

Центроид — Centroid

В математика и физика, центроид или геометрический центр плоской фигуры — это среднее арифметическое положение всех точек на рисунке. Неформально, это точка, в которой вырез формы может быть идеально сбалансирован на кончике булавки.

Определение распространяется на любой объект в n- мерном пространстве : его центроид — это среднее положение всех точек во всех направлениях координат.

В то время как в геометрии слово барицентр является синонимом центроида, в астрофизике и астрономии барицентр — это центр масс двух или более тел, вращающихся по орбите друг с другом. В физике центр масс — это среднее арифметическое всех точек , взвешенных по локальной плотности или удельному весу. Если физический объект имеет однородную плотность, его центр масс совпадает с центроидом его формы.

В geography центроид радиальной проекции области земной поверхности на уровень моря — это географический центр региона.

Содержание

1 История
2 Свойства
3 Примеры
4 Расположение
- 4.1 Метод отвеса
- 4.2 Метод балансировки
- 4.3 Из конечного набора точек
- 4.4 Путем геометрического разложения
- 4.5 По интегральной формуле
- 4.6 Ограниченной области
- 4.7 L-образного объекта
- 4.8 Треугольника
- 4.9 Многоугольника
- 4.10 Конуса или пирамиды
- 4.11 Тетраэдра и n -мерный симплекс
- 4.12 Полушария
История

Термин «центроид» появился недавно чеканка (1814 г.). Он используется в качестве замены старых терминов «центр тяжести » и «центр масс », когда необходимо подчеркнуть чисто геометрические аспекты этой точки. Термин свойственен английскому языку. Французы чаще всего используют «центр притяжения», а другие используют термины схожего значения.

Центр тяжести, как следует из названия, возник в механике, скорее всего, в связи со строительством. Когда, где и кем он был изобретен, неизвестно, так как эта концепция, вероятно, пришла в голову многим людям индивидуально с небольшими различиями.

Хотя возможно Евклид все еще был активен в Александрии в детстве Архимеда (287–212 до н.э.), несомненно, что когда Архимед посетил Александрия, Евклида там больше не было. Таким образом, Архимед не мог усвоить теорему о том, что медианы треугольника пересекаются в точке — центре тяжести треугольника непосредственно от Евклида, поскольку этого утверждения нет в Элементах Евклида. Первое явное утверждение этого предположения принадлежит Герону Александрийскому (возможно, I век н.э.) и встречается в его «Механике». Между прочим, можно добавить, что это положение не входило в учебники по геометрии плоскости до XIX века.

Хотя Архимед прямо не заявляет об этом утверждении, он косвенно ссылается на него, предполагая, что он был с ним знаком. Однако Жан Этьен Монтукла (1725–1799), автор первой истории математики (1758), категорически заявляет (т. I, стр. 463), что центр тяжести твердых тел является предметом Архимеда не трогал.

В 1802 году Шарль Босу (1730–1813) опубликовал двухтомный Essai sur l’histoire générale des mathématiques. Эта книга была высоко оценена современниками, судя по тому, что уже через два года после публикации она была переведена на итальянский (1802–03), английский (1803) и немецкий (1804) языки. Боссут считает, что Архимед обнаружил центроид плоских фигур, но ничего не говорит о твердых телах.

Свойства

Геометрический центроид выпуклого объекта всегда лежит в объект. У невыпуклого объекта центр тяжести может находиться за пределами самой фигуры. Центроид кольца кольца или чаши, например, лежит в центральной пустоте объекта.

Если центроид определен, он является фиксированной точкой всех изометрий в его группе симметрии. В частности, геометрический центр тяжести объекта лежит на пересечении всех его гиперплоскостей симметрии . Центроид многих фигур (правильный многоугольник, правильный многогранник, цилиндр, прямоугольник, ромб, круг, сфера, эллипс, эллипсоид, суперэллипс, суперэллипсоид и т. д.) может определяться только этим принципом.

В частности, центр тяжести параллелограмма является точкой пересечения его двух диагоналей . Это не относится к другим четырехугольникам .

. По той же причине центроид объекта с трансляционной симметрией не определен (или находится за пределами ограничивающего пространства), поскольку сдвиг не имеет фиксированной точки..

Примеры

Центроид треугольника — это пересечение трех медиан треугольника (каждая медиана соединяет вершину с серединой противоположной стороны).

Другие свойства центроида треугольника см. В ниже.

Определение местоположения

Метод отвесной линии

Центроид равномерно плотной плоской пластинки, например, на рисунке (а) ниже, может быть определено экспериментально с использованием отвеса и штифта для нахождения совмещенного центра масс тонкого тела однородной плотности, имеющего такую же форму. Корпус удерживается штифтом, вставленным в точку за пределами предполагаемого центра тяжести, таким образом, что он может свободно вращаться вокруг штифта; затем отвес снимается со штифта (рисунок b). Положение отвеса отслеживается на поверхности, и процедура повторяется со шпилькой, вставленной в любой другой точке (или в нескольких точках) за пределами центроида объекта. Единственной точкой пересечения этих линий будет центроид (рисунок c). При условии, что тело имеет однородную плотность, все линии, построенные таким образом, будут включать центроид, и все линии будут пересекаться в одном и том же месте.

(a) (b) (c)

Этот метод может быть расширен (теоретически) на вогнутые формы, где центр тяжести может лежать вне формы, и фактически к твердым телам (опять же с однородной плотностью), где центр тяжести может находиться внутри тела. (Виртуальные) положения отвесов должны быть записаны другими способами, кроме их рисования по форме.

Метод балансировки

Для выпуклых двумерных форм центр тяжести может быть найден путем уравновешивания формы на меньшей форме, такой как вершина узкого цилиндра. Центроид находится где-то в пределах диапазона контакта между двумя формами (и точно в точке, где форма будет балансировать на штифте). В принципе, для определения центра тяжести с произвольной точностью можно использовать все более узкие цилиндры. На практике воздушные потоки делают это невозможным. Однако, отмечая диапазон перекрытия нескольких весов, можно достичь значительного уровня точности.

конечного набора точек

Центроид конечного набора k <\ displaystyle k>точек x 1, x 2, …, Xk <\ displaystyle \ mathbf _ <1>, \ mathbf _ <2>, \ ldots, \ mathbf _ > в R п <\ displaystyle \ mathbb ^ > равно

Эта точка минимизирует сумму квадратов евклидовых расстояний между собой и каждая точка в наборе.

Путем геометрического разложения

Центроид плоской фигуры X <\ displaystyle X>можно вычислить, разделив его на конечное число более простых фигур X 1, X 2,…, X n <\ displaystyle X_ <1>, X_ <2>, \ dots, X_ > , вычисление центроида C i <\ displaystyle C_ > и области A i <\ displaystyle A_ > каждой части, а затем вычисление

Отверстия на рисунке X <\ displaystyle X >, перекрытия между частями или части, выходящие за пределы рисунка, могут быть обработаны с использованием отрицательных областей A i <\ displaystyle A_ > . А именно, меры A i <\ displaystyle A_ > следует принимать с положительными и отрицательными знаками таким образом, чтобы сумма знаков A i <\ displaystyle A_ > для всех частей, которые окружают данную точку p <\ displaystyle p>равно 1, если p <\ displaystyle p>принадлежит X <\ displaystyle X>, иначе 0.

Например, рисунок ниже (а) легко разделить на квадрат и треугольник, оба с положительной площадью; и круглое отверстие с отрицательной площадью (b).

(a) 2D-объект (b) Объект, описанный с использованием более простых элементов (c) Центроиды элементов объекта

Центроид каждой части можно найти в любом списке центроидов простых форм (в). Тогда центроид фигуры — это средневзвешенное значение трех точек. Горизонтальное положение центроида от левого края рисунка

x = 5 × 10 2 + 13,33 × 1 2 10 2 — 3 × π 2,5 2 10 2 + 1 2 10 2 — π 2,5 2 ≈ 8,5 единицы измерения. <\ displaystyle x = <\ frac <5 \ times 10 ^ <2>+13,33 \ times <\ frac <1><2>> 10 ^ <2>-3 \ times \ pi 2,5 ^ <2>> <10 ^ <2>+ <\ frac <1><2>> 10 ^ <2>— \ pi 2,5 ^ <2>>> \ приблизительно 8,5 <\ mbox >.>

Вертикальное положение центроид находится точно так же.

Та же формула верна для любых трехмерных объектов, за исключением того, что каждый A i <\ displaystyle A_ > должен быть объемом X i < \ displaystyle X_ > , а не его площадь. Это также справедливо для любого подмножества R d <\ displaystyle \ mathbb ^ > , для любого измерения d <\ displaystyle d>с областями, замененными на d <\ displaystyle d>-размерные меры частей.

По интегральной формуле

Центроид подмножества X из R n <\ displaystyle \ mathbb ^ > также может быть вычислен интегралом

где интегралы берутся по всему пространству R n <\ displaystyle \ mathbb ^ > , а g — характеристика функция подмножества, которая равна 1 внутри X и 0 вне его. Обратите внимание, что знаменатель — это просто мера множества X. Эта формула не может быть применена, если у множества X есть нулевая мера или если любой интеграл расходится.

Другая формула для центроида:

где C k — это k-я координата C, а S k (z) — это мера пересечения X с гиперплоскостью, определяемая уравнением x k = z. И снова знаменатель — это просто мера X.

Для плоской фигуры, в частности, координаты центра масс:

где A — площадь фигуры X; S y (x) — длина пересечения X с вертикальной линией на абсциссе x; и S x (y) — аналогичная величина для поменяемых местами осей.

ограниченной области

где A <\ displaystyle A>— площадь региона (заданная как ∫ ab [f (x) — g (x)] dx <\ displaystyle \ int _ ^ [f (x) -g (x)] \; dx> ).

L-образного объекта

Это метод определения ce ntroid L-образного объекта.

Разделите фигуру на два прямоугольника, как показано на рис. 2. Найдите центроиды этих двух прямоугольников, нарисовав диагонали. Нарисуйте линию, соединяющую центроиды. Центроид фигуры должен лежать на этой линии AB.

Разделите фигуру на два других прямоугольника, как показано на рис. 3. Найдите центроиды этих двух прямоугольников, нарисовав диагонали. Нарисуйте линию, соединяющую центроиды. Центроид L-образной формы должен лежать на этой прямой CD.

Поскольку центр тяжести формы должен лежать как вдоль AB, так и вдоль CD, он должен быть на пересечении этих двух линий в точке O. точка O может находиться внутри или снаружи L-образного объекта.

треугольника

Центроид треугольника — это точка пересечения его медиан (линии соединение каждой вершины со средней точкой противоположной стороны). Центроид делит каждую из медиан в соотношении 2: 1, то есть находится на расстояния от каждой стороны до противоположной вершины (см. Рисунки справа). Его декартовы координаты — это означает координат трех вершин. То есть, если три вершины равны L = (x L, y L), <\ displaystyle L = (x_ , y_ ),> M = (x M, y M), <\ displaystyle M = (x_ , y_ ),> и N = (x N, y N), <\ displaystyle N = (x_ , y_ ),> , то центроид (обозначенный здесь C, но чаще всего обозначаемый G в геометрии треугольника ) равен

C = 1 3 (L + M + N) = (1 3 (x L + x M + x N), 1 3 (y L + y M + y N)). <\ displaystyle C = <\ frac <1><3>> (L + M + N) = \ left ( <\ frac <1><3>> (x_ + x_ + x_ ), \; \; <\ frac <1><3>> (y_ + y_ + y_ ) \ right).>

В трилинейных координатах центроид может быть выражен любым из этих эквивалентных способов с точки зрения длин сторон a, b, c и углов при вершинах L, M, N:

Центроид также является физическим центром масс, если треугольник сделан из однородного листа материала; или если вся масса сосредоточена в трех вершинах и поровну разделена между ними. С другой стороны, если масса распределена по периметру треугольника с равномерной линейной плотностью, то центр масс находится в центре Шпикера (центр среднего треугольника ), который (в общем случае) не совпадает с геометрическим центром тяжести полного треугольника.

Площадь треугольника в 1,5 раза превышает длину любой стороны, умноженную на перпендикулярное расстояние от стороны до центроида.

Центроид треугольника лежит на его прямой Эйлера между его ортоцентром H и его центром описанной окружности O, ровно в два раза ближе к последнему, чем к первому:

CH ¯ = 4 CN ¯ CO ¯ = 2 CN ¯ IC ¯

Если G — центр тяжести треугольника ABC, то:

(Площадь △ ABG) = (Площадь △ ACG) = (Площадь △ BCG) = 1 3 (Площадь △ ABC) <\ displaystyle \ displaystyle (<\ text <Площадь>> \ треугольник \ mathrm ) = (<\ text <Площадь>> \ треугольник \ mathrm ) = (<\ text <Площадь>> \ треугольник \ mathrm ) = <\ frac <1><3>> (<\ text <Площадь>> \ треугольник \ mathrm )>

Любая из трех медиан, проходящих через центроид, делит площадь треугольника пополам. Это неверно для других линий, проходящих через центроид; наибольшее отклонение от деления на равные площади происходит, когда линия, проходящая через центр тяжести, параллельна стороне треугольника, образуя меньший треугольник и трапецию ; в этом случае площадь трапеции равна 5/9 площади исходного треугольника.

Пусть P — любая точка на плоскости треугольника с вершинами A, B, C и центроидом G. Тогда сумма Квадрат расстояний P от трех вершин превышает сумму квадратов расстояний от центроида G до вершин в три раза больше квадрата расстояния между P и G:

PA 2 + PB 2 + PC 2 = GA 2 + GB 2 + GC 2 + 3 PG 2. <\ displaystyle PA ^ <2>+ PB ^ <2>+ PC ^ <2>= GA ^ <2>+ GB ^ <2>+ GC ^ <2>+ 3PG ^ <2>.>

сумма квадратов сторон треугольника равна троекратной сумме квадратов расстояний от центроида до вершин:

AB 2 + BC 2 + CA 2 = 3 (GA 2 + GB 2 + GC 2). <\ displaystyle AB ^ <2>+ BC ^ <2>+ CA ^ <2>= 3 (GA ^ <2>+ GB ^ <2>+ GC ^ <2>).>

Центроид треугольника равен точка, которая максимизирует произведение ориентированных расстояний от точки до сторон треугольника.

Пусть ABC — треугольник, пусть G — его центр тяжести, а D, E и F — середины BC, CA и AB соответственно. Для любой точки P в плоскости ABC тогда

P A + P B + P C ≤ 2 (P D + P E + P F) + 3 P G.

многоугольника

Центроид несамопересекающегося замкнутого многоугольника, определяемое n вершинами (x 0,y0), (x 1,y1). (x n − 1, y n − 1), является точкой ( C x, C y), где

C x = 1 6 A ∑ i = 0 n — 1 (xi + xi + 1) (xiyi + 1 — xi + 1 yi), <\ displaystyle C _ <\ mathrm > = <\ frac <1><6A>> \ sum _ ^ (x_ + x_ ) (x_ \ y_ -x_ \ y_ ),> и C y = 1 6 A ∑ i = 0 п — 1 (yi + yi + 1) (xiyi + 1 — xi + 1 yi), <\ displaystyle C _ <\ mathrm > = <\ frac <1><6A>> \ sum _ ^ (y_ + y_ ) (x_ \ y_ -x_ \ y_ ),>

и где A — подписанная площадь многоугольника, как описано формулой шнурка :

A = 1 2 ∑ i = 0 n — 1 (xiyi + 1 — xi + 1 yi). <\ displaystyle A = <\ frac <1><2>> \ sum _ ^ (x_ \ y_ -x_ \ y_ ).>

В этих формулах предполагается, что вершины пронумерованы в порядке их появления по периметру многоугольника; кроме того, вершина (x n, y n) предполагается такой же, как (x 0, y 0), значение i + 1 <\ displaystyle i + 1>в последнем случае должно выполняться в цикле до i = 0 <\ displaystyle i = 0>. (Если точки пронумерованы по часовой стрелке, площадь A, вычисленная, как указано выше, будет отрицательной; однако координаты центроида будут правильными даже в этом случае.)

Конуса или пирамиды

Центроид конуса или пирамиды расположен на отрезке линии, который соединяет вершину с центроидом основания. Для твердого конуса или пирамиды центр тяжести составляет 1/4 расстояния от основания до вершины. Для конуса или пирамиды, представляющих собой просто оболочку (полую) без основания, центроид составляет 1/3 расстояния от плоскости основания до вершины.

тетраэдра и n-мерного симплекса

A тетраэдр представляет собой объект в трехмерном пространстве, имеющий четыре треугольника в качестве его граней. Отрезок, соединяющий вершину тетраэдра с центром тяжести противоположной грани, называется срединной, а отрезок, соединяющий середины двух противоположных ребер, называется бимедианой. Следовательно, есть четыре медианы и три бимедианы. Эти семь отрезков пересекаются в центре тетраэдра. Медианы делятся на центроид в соотношении 3: 1. Центроид тетраэдра — это середина между его точкой Монжа и центром описанной области (центром описанной сферы). Эти три точки определяют линию Эйлера тетраэдра, которая аналогична прямой Эйлера треугольника.

Эти результаты обобщаются на любой n-мерный симплекс следующим образом. Если набор вершин симплекса равен v 0,…, vn <\ displaystyle , \ ldots, v_ >> , то рассматриваемые вершины как векторов, центроид равен

Геометрический центроид совпадает с центром масс, если масса равномерно распределена по всему симплексу или сосредоточена в вершинах как n + 1 равных масс.

полушария

Центроид твердого полушария (т.е. половина твердого шара) делит отрезок прямой, соединяющий центр шара с полюсом полушария в соотношении 3: 5 (т.е. лежит на 3/8 пути от центра до полюса). Центроид полого полушария (то есть половина полой сферы) делит отрезок прямой, соединяющий центр сферы с полюсом полушария пополам.

Как найти центр окружности описанной около многоугольника

Как найти центр окружности описанной около многоугольника

Ключевые слова: многоугольник, правильный многоугольник, сторона, угол, вписанная, описанная окружность

Выпуклый многоугольник называется правильным, если у него все стороны равны и все углы равны.

Центром правильного многоугольника называется точка, равноудаленная от всех его вершин и всех его сторон.

Центральным углом правильного многоугольника называется угол, под которым видна сторона из его центра.

См. также:
Вписанная окружность, Описанная окружность, Выпуклый четырёхугольник, Произвольный выпуклый многоугольник

Центр описанной окружности

Где находится центр описанной около треугольника окружности? Что можно сказать о центре окружности, описанной около многоугольника?

Центр описанной около треугольника окружности является точкой пересечения серединных перпендикуляров к сторонам треугольника.

окружность (O;R) — описанная около ∆ ABC.

O — точка пересечения серединных перпендикуляров к сторонам ∆ ABC.

Соединим отрезками точки O и A, O и C.

OA=OC (как радиусы), следовательно, треугольник AOC — равнобедренный с основанием AC (по определению).

По свойству равнобедренного треугольника, высота и медиана, проведенные к основанию AC, совпадают):

Следовательно, центр описанной окружности — точка O — лежит на прямой, перпендикулярной стороне AC и проходящей через ее середину, то есть на серединном перпендикуляре к AC.

Аналогично доказывается, что точка O лежит на серединном перпендикуляре к стороне AB.

Так как серединные перпендикуляры к сторонам треугольника пересекаются в одной точке, то точка O — центр описанной около треугольника ABC окружности.

Что и требовалось доказать.

Аналогичные рассуждения можно применить и для многоугольника, около которого можно описать окружность.

Центр описанной около многоугольника окружности является точкой пересечения серединных перпендикуляров к сторонам этого многоугольника.

2 Comments

на мой взгляд у вас опечатка — «Соединим отрезками точки O и A, O и C.

OA=OB( написано ОВ вместо ОС) (как радиусы), следовательно, треугольник AOB — равнобедренный с основанием AC (по определению).»

Описанная окружность

Окружность описанная около многоугольника — это окружность, на которой лежат все вершины многоугольника. Вписанный в окружность многоугольник — это многоугольник, все вершины которого лежат на окружности. На рисунке 1 четырехугольник АВСD вписан в окружность с центром О, а четырехугольник АЕСD не является вписанным в эту окружность, так как вершина Е не лежит на окружности.

Теорема

Около любого треугольника можно описать окружность.

Доказательство

Дано: произвольный АВС.

Доказать: около АВС можно описать окружность.

Доказательство:

1. Проведем серединные перпендикуляры к сторонам АВС, которые пересекутся в точке О (по свойству серединных перпендикуляров треугольника). Соединим точку О с точками А, В и С (Рис. 2).

Точка О равноудалена от вершин />АВС (по теореме о серединном перпендикуляре), поэтому ОА = ОВ = ОС. Следовательно, окружность с центром О радиуса ОА проходит через все три вершины треугольника, значит, является описанной около />АВС. Теорема доказана.

Замечание 1

Около треугольника можно описать только одну окружность.

Доказательство

Предположим, что около треугольника можно описать две окружности. Тогда центр каждой из них равноудален от его вершин и поэтому совпадает с точкой О пересечения серединных перпендикуляров к сторонам треугольника, а радиус равен расстоянию от точки О до вершин треугольника. Следовательно, эти окружности совпадают, т.е. около треугольника можно описать только одну окружность. Что и требовалось доказать.

Замечание 2

Около четырехугольника не всегда можно описать окружность.

Доказательство

Рассмотрим, например, ромб, не являющийся квадратом. Такой ромб можно «поместить» в окружность так, что две его вершины будут лежать на этой окружности (Рис. 3), но нельзя «поместить» ромб в окружность так, чтобы все его вершины лежали на окружности, т.к. диаметр окружности, равный одной из диагоналей ромба, будет больше (меньше) второй диагонали, т.е. нельзя описать окружность. Что и требовалось доказать.

Если же около четырехугольника можно описать окружность, то его углы обладают следующим замечательным свойством:

В любом вписанном четырехугольнике сумма противоположных углов равна 180 0 .

Доказательство

Рассмотрим четырехугольник АВСD, вписанный в окружность (Рис. 4).

Углы В и D — вписанные, тогда по теореме о вписанном угле: В = АDС, D = АВС, откуда следует В + D = АDС + АВС = (АDС + АВС). Дуги АDС и АВС вместе составляют окружность, градусная мера которой равна 360 0 , т.е. АDС + АВС = 360 0 , тогда В + D = 360 0 = 180 0 . Что и требовалось доказать.

Верно и обратное утверждение:

Если сумма противоположных углов четырехугольника равна 180 0 , то около него можно описать окружность.

Доказательство

Дано: четырехугольник АВСD, />BАD + />BСD = 180 0 .

Доказать: около АВСD можно описать окружность.

Доказательство:

Проведем окружность через три вершины четырехугольника: А, В и D (Рис. 5), — и докажем, что она проходит также через вершину С, т.е. является описанной около четырехугольника АВСD.

Предположим, что это не так. Тогда вершина С лежит либо внутри круга, либо вне его.

Рассмотрим первый случай, когда точка С лежит внутри круга (Рис. 6).

ВСD — внешний угол СFD, следовательно, BСD = ВFD + FDE. (1)

Углы ВFD и FDE — вписанные. По теореме о вписанном угле ВFD = ВАD и FDE = ЕF, тогда, подставляя данные равенства в (1), получим: BСD = ВАD + ЕF = (ВАD + ЕF), следовательно, ВСDВАD.

BАD — вписанный, тогда по теореме о вписанном угле BАD = ВЕD, тогда BАD + BСD(ВЕD + ВАD).

Дуги ВЕD и ВАD вместе составляют окружность, градусная мера которой равна 360 0 , т.е. ВЕD + ВАD = 360 0 , тогда BАD + BСD360 0 = 180 0 .

Итак, мы получили, что BАD + BСD180 0 . Но это противоречит условию BАD + BСD =180 0 , и, значит, наше предположение ошибочно, т.е. точка С лежит на окружности, значит, около четырехугольника АВСD можно описать окружность.

Рассмотрим второй случай, когда точка С лежит вне круга (Рис. 7).

По теореме о сумме углов треугольника в ВСF: С + В + F = 180 0 , откуда С = 180 0 — ( В + F). (2)

В — вписанный, тогда по теореме о вписанном угле В = ЕF. (3)

F и ВFD — смежные, поэтому F + ВFD = 180 0 , откуда F = 180 0 — ВFD = 180 0 — ВАD. (4)

Подставим (3) и (4) в (2), получим:

С = 180 0 — (ЕF + 180 0 — ВАD) = 180 0 — ЕF — 180 0 + ВАD = (ВАD — ЕF), следовательно, СВАD.

А — вписанный, тогда по теореме о вписанном угле А = ВЕD, тогда А + С(ВЕD + ВАD). Но это противоречит условию А + С =180 0 , и, значит, наше предположение ошибочно, т.е. точка С лежит на окружности, значит, около четырехугольника АВСD можно описать окружность. Что и требовалось доказать.

Читать:
Доказать что проектирование трехмерного пространства на координатную ось