Равнодиагональный четырёхугольник

В евклидовой геометрии равнодиагональный четырёхугольник — это выпуклый четырёхугольник, две диагонали которого имеют равные длины. Равнодиагональные четырёхугольники имели важное значение в древней индийской математике, где в классификации в первую очередь выделялись равнодиагональные четырёхугольники, и только потом четырёхугольники подразделялись на другие типы [1].

Равнодиагональный четырёхугольник, ромб Вариньона, с перпендикулярными бимедианами

Специальные случаи

Примерами равнодиагональных четырёхугольников являются равнобедренные трапеции, прямоугольники и квадраты.

Равнодиагональный дельтоид, максимизирующий отношение периметра к диаметру, вписанный в треугольник Рёло

Среди всех четырёхугольников наибольшее отношение периметра к диаметру имеет равнодиагональный дельтоид с углами π/3, 5π/12, 5π/6 и 5π/12 [2][3].

Описание

Выпуклый четырёхугольник имеет равные диагонали тогда и только тогда, когда его параллелограмм Вариньона, образованный серединами сторон, является ромбом. Эквивалентное условие — бимедианы четырёхугольника (диагонали параллелогоамма Вариньона) перпендикулярны [4].

Выпуклый четырёхугольник с длинами диагоналей и и длинами бимедианам и является равнодиагональным тогда и только тогда, когда [5]

Площадь

Площадь K равнодиагонального четырёхугольника можно легко вычислить, если известны длины бимедиан m и n. Четырёхугольник равнодиагонален тогда и только тогда, когда [6][7]

Это прямое следствие факта, что площадь выпуклого четырёхугольника равна удвоенной площади параллелограмма Вариньона и что диагонали в этом параллелограмме являются бимедианами четырёхугольника. Если использовать формулы длин бимедиан, площадь можно выразить в терминах сторон a, b, c, d равнодиагонального четырёхугольника и расстояния x между серединами диагоналей [6]

Другую формулу площади можно получить, приняв p = q в формуле площади выпуклого четырёхугольника.

Связь с другими типами четырёхугольников

Параллелограмм равнодиагонален тогда и только тогда, когда он является прямоугольником[8], а трапеция равнодиагональна тогда и только тогда, когда она является равнобедренной. Вписанные равнодиагональные четырёхугольники всегда являются равнобедренными трапециями.

Существует двойственность между равнодиагональными четырёхугольниками и ортодиагональными четырёхугольниками – четырёхугольник равнодиагонален тогда и только тогда, когда его параллелограмм Вариньона имеет перпендикулярные диагонали (т.е. является ромбом), а четырёхугольник имеет перпендикулярные диагонали тогда и только тогда, когда его параллелограмм Вариньона равнодиагонален (т.е. является прямоугольником)[4]. Эквивалентно, четырёхугольник имеет равные диагонали тогда и только тогда, когда в нём бимедианы перпендикулярны, и он имеет перпендикулярные диагонали тогда и только тогда, когда у него равны бимедианы[9], Сильвестер[10] указал дальнейшую связь между равнодиагональными и ортодиагональными четырёхугольниками посредством обобщения теоремы Ван-Обеля [11].

Четырёхугольники, которые одновременно ортодиагональны и равнодиагональны, и у которых диагонали не короче всех сторон четырёхугольника, имеют максимальную площадь по отношению к диаметру, что решает случай n = 4 задачи наибольшего по площади многоугольника единичного диаметра. Квадрат является одним из таких четырёхугольников, но есть бесконечно много других. Равнодиагональные четырёхугольники с перпендикулярными диагоналями называют среднеквадратными четырёхугольниками [12], поскольку это только те четырёхугольники, для которых параллелограмм Вариньона (с вершинами в середине сторон четырёхугольника) является квадратом. Такие четырёхугольники со сторонами a, b, c и d имеют площадь [13].

Примечания

  1. Colebrooke, 1817, с. 58.
  2. Ball, 1973, с. 298–303.
  3. Griffiths, Culpin, 1975, с. 165–175.
  4. de Villiers, 2009, с. 58.
  5. Josefsson, 2014, с. 129-144, Prop.1.
  6. Josefsson, 2014, с. 19.
  7. Josefsson, 2014, с. 129-144, Corollary 4.
  8. Gerdes, 1988, с. 137–162.
  9. Josefsson, 2012, с. 13–25, См. теорему 7 на стр. 19.
  10. Silvester, 2006.
  11. Silvester, 2006, с. 2–12.
  12. Josefsson, 2014, с. 137.
  13. Josefsson, 2014, с. 129-144, T.16.

Литература

  • Henry-Thomas Colebrooke. Algebra, with arithmetic and mensuration, from the Sanscrit of Brahmegupta and Bhascara. — John Murray, 1817. — С. 58.
  • D.G. Ball. A generalisation of π // Mathematical Gazette. — 1973. Т. 57, вып. 402. С. 298–303. doi:10.2307/3616052.
  • David Griffiths, David Culpin. Pi-optimal polygons // Mathematical Gazette. — 1975. Т. 59, вып. 409. С. 165–175. doi:10.2307/3617699.
  • Martin Josefsson. Five Proofs of an Area Characterization of Rectangles // Forum Geometricorum. — 2013. Вып. 13.
  • Martin Josefsson. Properties of equidiagonal quadrilaterals // Forum Geometricorum. — 2014. Вып. 14.
  • Paulus Gerdes. On culture, geometrical thinking and mathematics education // Educational Studies in Mathematics. — 1988. Т. 19, вып. 2. С. 137–162. doi:10.1007/bf00751229. — .
  • Michael de Villiers. Some Adventures in Euclidean Geometry. — Dynamic Mathematics Learning, 2009. — С. 58. — ISBN 9780557102952.
  • Martin Josefsson. Characterizations of Orthodiagonal Quadrilaterals // Forum Geometricorum. — 2012. Т. 12. С. 13–25.
  • John R. Silvester. Extensions of a theorem of Van Aubel // The Mathematical Gazette. — 2006. Т. 90, вып. 517. С. 2–12. — .
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.