Вписанная окружность - NiNa.Az

Окружность называют вписанной в угол, если она лежит внутри угла и касается его сторон. Центр окружности, вписанной в угол, лежит на биссектрисе этого угла.

Окружность, вписанная в многоугольник ABCDE

Окружность называется вписанной в выпуклый многоугольник, если она лежит внутри данного многоугольника и касается всех его сторон.

В многоугольнике

• Если в данный выпуклый многоугольник можно вписать окружность, то биссектрисы всех внутренних углов данного многоугольника пересекаются в одной точке, которая является центром вписанной окружности.

• Радиус вписанной в многоугольник окружности равен отношению его площади ${\displaystyle S}$ к его полупериметру ${\displaystyle p}$:

${\displaystyle r={\frac {S}{p}}}$

В треугольнике

Основная статья: Вписанная в треугольник окружность

Окружность, вписанная в треугольник со сторонами a, b, c.

Свойства вписанной окружности:

• В каждый треугольник можно вписать окружность, притом только одну.
• Центр ${\displaystyle I}$ вписанной окружности равноудалён от всех сторон и является точкой пересечения биссектрис треугольника.
• Радиус ${\displaystyle r}$ вписанной в треугольник окружности равен:

${\displaystyle r={\frac {1}{2}}{\sqrt {\frac {(-a+b+c)(a-b+c)(a+b-c)}{a+b+c}}};}$

• Радиус ${\displaystyle R}$ описанной вокруг треугольника окружности равен:

${\displaystyle R={\frac {abc}{\sqrt {(a+b+c)(a+b-c)(a-b+c)(-a+b+c)}}};}$

${\displaystyle {\frac {1}{r}}={\frac {1}{h_{a}}}+{\frac {1}{h_{b}}}+{\frac {1}{h_{c}}}}$

где ${\displaystyle a,b,c}$ — стороны треугольника, ${\displaystyle h_{a},h_{b},h_{c}}$ — высоты, проведённые к соответствующим сторонам;

${\displaystyle r={\frac {S}{p}}={\sqrt {\frac {(p-a)(p-b)(p-c)}{p}}}}$

Формула Эйлера

где ${\displaystyle S}$ — площадь треугольника, а ${\displaystyle p}$ — его полупериметр.

${\displaystyle r={\frac {p-a}{\operatorname {ctg} (\alpha /2)}}={\frac {p-b}{\operatorname {ctg} (\beta /2)}}={\frac {p-c}{\operatorname {ctg} (\gamma /2)}}}$, ${\displaystyle p}$ — полупериметр треугольника (Теорема котангенсов).

• Если ${\displaystyle AB}$ — основание равнобедренного треугольника ${\displaystyle \triangle ABC}$, то окружность, касающаяся сторон угла ${\displaystyle \angle ACB}$ в точках ${\displaystyle A}$ и ${\displaystyle B}$, проходит через центр вписанной окружности треугольника ${\displaystyle \triangle ABC}$.
• Теорема Эйлера: ${\displaystyle R^{2}-2Rr=|OI|^{2}}$, где ${\displaystyle R}$ — радиус описанной вокруг треугольника окружности, ${\displaystyle r}$ — радиус вписанной в него окружности, ${\displaystyle O}$ — центр описанной окружности, ${\displaystyle I}$ — центр вписанной окружности.

${\displaystyle |OI|^{2}={\frac {a\,b\,c\,}{a+b+c}}\left[{\frac {a\,b\,c\,}{(a+b-c)\,(a-b+c)\,(-a+b+c)}}-1\right]}$

• Если прямая, проходящая через точку ${\displaystyle I}$ параллельно стороне ${\displaystyle AB}$, пересекает стороны ${\displaystyle BC}$ и ${\displaystyle CA}$ в точках ${\displaystyle A_{1}}$ и ${\displaystyle B_{1}}$, то ${\displaystyle A_{1}B_{1}=A_{1}B+AB_{1}}$.
• Если точки касания вписанной в треугольник ${\displaystyle T}$ окружности соединить отрезками с его сторонами, то получится треугольник ${\displaystyle T_{1}}$ со свойствами:
  • Биссектрисы T являются серединными перпендикулярами T₁
  • Пусть T₂ — ортотреугольник T₁. Тогда его стороны параллельны сторонам исходного треугольника T.
  • Пусть T₃ — серединный треугольник T₁. Тогда биссектрисы T являются высотами T₃.
  • Пусть T₄ — ортотреугольник T₃, тогда биссектрисы T являются биссектрисами T₄.
• Радиус вписанной в прямоугольный треугольник с катетами a, b и гипотенузой c окружности равен ${\displaystyle {\frac {a+b-c}{2}}={\frac {ab}{a+b+c}}}$.
• Расстояние от вершины С треугольника до точки, в которой вписанная окружность касается стороны, равно ${\displaystyle d={\frac {a+b-c}{2}}=p-c}$.
• Расстояние от вершины C до центра вписанной окружности равно ${\displaystyle l_{c}={\frac {r}{\sin({\frac {\gamma }{2}})}}}$, где ${\displaystyle r}$ — радиус вписанной окружности, а γ — угол вершины C.
• Расстояние от вершины C до центра вписанной окружности может также быть найдено по формулам ${\displaystyle l_{c}={\sqrt {(p-c)^{2}+r^{2}}}}$ и ${\displaystyle l_{c}={\sqrt {ab-4Rr}}}$
• Теорема о трезубце или теорема трилистника: Если D — точка пересечения биссектрисы угла A с описанной окружностью треугольника ABC, I и J — соответственно центры вписанной и вневписанной окружности, касающейся стороны BC, тогда ${\displaystyle |DI|=|DB|=|DC|=|DJ|}$.

Полувписанная окружность и центр гомотетии G для вписанной и описанной окружностей с радиусами соответственно r и R. Лемма Веррьера: Центр вписанной окружности лежит на отрезке, соединяющем точки касания сторон треугольника и окружности Веррьера (полувписанной окружности)

• Лемма Веррьера: пусть окружность ${\displaystyle V}$ касается сторон ${\displaystyle AB}$, ${\displaystyle AC}$ и дуги ${\displaystyle BC}$ описанной окружности треугольника ${\displaystyle ABC}$. Тогда точки касания окружности ${\displaystyle V}$ со сторонами и центр вписанной окружности треугольника ${\displaystyle ABC}$ лежат на одной прямой.

• Теорема Фейербаха. Окружность девяти точек касается всех трёх вневписанных окружностей, а также вписанной окружности. Точка касания окружности Эйлера и вписанной окружности известна как точка Фейербаха.

Связь вписанной и описанной окружностей

• Формула Эйлера: Если ${\displaystyle d}$ — расстояние между центрами вписанной и описанной окружностей, а их радиусы равны ${\displaystyle r}$ и ${\displaystyle R}$ соответственно, то ${\displaystyle d^{2}=R^{2}-2Rr}$.
• Формулы для отношения и произведения радиусов:

${\displaystyle {\frac {r}{R}}={\frac {4S^{2}}{pabc}}=\cos \alpha +\cos \beta +\cos \gamma -1;}$

${\displaystyle 2Rr={\frac {abc}{a+b+c}}}$,

${\displaystyle {\frac {r}{R}}=4\sin {\frac {\alpha }{2}}\sin {\frac {\beta }{2}}\sin {\frac {\gamma }{2}}=\cos \alpha +\cos \beta +\cos \gamma -1}$

где ${\displaystyle p}$ — полупериметр треугольника, ${\displaystyle S}$ — его площадь.

${\displaystyle {\frac {r}{R}}={\frac {(a+b-c)(a-b+c)(-a+b+c)}{2abc}}}$

• Перпендикуляры, восставленные к сторонам треугольника в точках касания вневписанных окружностей, пересекаются в одной точке. Эта точка симметрична центру вписанной окружности относительно центра описанной окружности.

• Для треугольника можно построить полувписанную окружность, или окружность Варьера. Это окружность, касающаяся двух сторон треугольника и его описанной окружности внутренним образом. Отрезки, соединяющие вершины треугольника и соответствующие точки касания окружностей Веррьера с описанной окружностью, пересекаются в одной точке. Эта точка служит центром гомотетии с положительным коэффициентом, переводящей описанную окружность во вписанную.
• Центр вписанной окружности лежит на отрезке, соединяющем точки касания сторон треугольника и полувписанной окружности.

Полувписанная окружность и центр гомотетии G для вписанной и описанной окружностей с радиусами соответственно r и R

Связь центра вписанной окружности и середин высот треугольника

• Теорема Ригби. Если к любой стороне остроугольного треугольника провести высоту и касающуюся ее с другой стороны вневписанную окружность, то точка касания последней с этой стороной, середина упомянутой высоты, а также инцентр лежат на одной прямой..
• Из теоремы Ригби следует, что 3 отрезка, соединяющих середину каждой из 3 высот треугольника с точкой касания вневписанной окружности, проведенной к той же стороне, что и высота, пересекаются в инцентре.

В четырёхугольнике

• Описанный четырёхугольник, если у него нет самопересечений («простой»), должен быть выпуклым.
• Некоторые (но не все) четырёхугольники имеют вписанную окружность. Они называются описанными четырёхугольниками. Среди свойств этих четырёхугольников наиболее важным является то, что суммы противоположных сторон равны. Это утверждение называется теоремой Пито.
• Иными словами, в выпуклый четырёхугольник ABCD можно вписать окружность тогда и только тогда, когда суммы его противоположных сторон равны: ${\displaystyle AB+CD=BC+AD}$.

Теорема Ньютона (планиметрия) и прямая Ньютона

• Во всяком описанном четырёхугольнике две середины диагоналей и центр вписанной окружности лежат на одной прямой (теорема Ньютона). На ней же лежит середина отрезка с концами в точках пересечения продолжений противоположных сторон четырёхугольника (если они не параллельны). Эта прямая называется прямой Ньютона. На рисунке она зелёная, диагонали красные, отрезок с концами в точках пересечения продолжений противоположных сторон четырёхугольника тоже красный.
• Центр описанной около четырёхугольника окружности — точка пересечения высот треугольника с вершинами в точке пересечения диагоналей и точках пересечения противоположных сторон ().

В сферическом треугольнике

Вписанная окружность для сферического треугольника — это окружность, касающаяся всех его сторон.

• Тангенс радиуса вписанной в сферический треугольник окружности равен^:73-74

${\displaystyle \operatorname {tg} r={\sqrt {\frac {\sin(p-a)\sin(p-b)\sin(p-c)}{\sin p}}}}$

• Вписанная в сферический треугольник окружность принадлежит сфере. Радиус, проведенный из центра сферы через центр вписанной окружности пересечет сферу в точке пересечения биссектрис углов (дуг больших кругов сферы, делящих углы пополам) сферического треугольника^:20-21.

Обобщения

• Вписанной сферой называется сфера, касающаяся всех граней многогранника.
• Эллипс Штейнера — вписанный в треугольник эллипс.

См. также

• Вневписанная окружность
• Внеописанный четырёхугольник
• Вписанная и вневписанные в треугольник окружности
• Вписанные и описанные фигуры для треугольника
• Замечательные прямые треугольника
• Замечательные точки треугольника
• ^[англ.]
• Описанная окружность
• Описанный четырёхугольник
• Ортоцентр
• Степень точки относительно окружности
• Теорема Мансиона
• Теорема о трезубце
• Теорема Тебо 2 и 3
• Теорема Фейербаха
• Теорема Харкорта
• Точки Аполлония
• Треугольник
• Центроид
• Центроид треугольника

Примечания

1. Altshiller-Court, 1925, p. 79.
2. Ефремов Д. Новая геометрия треугольника. — Одесса, 1902. — С. 130. — 334 с. Архивировано 4 марта 2016 года.
3. Ефремов Д. Новая геометрия треугольника. Изд. 2. Серия: Физико-математическое наследие (репринтное воспроизведение издания).. — Москва: Ленанд, 2015. — 352 с. — ISBN 978-5-9710-2186-5. Архивировано 22 июля 2020 года.
4. Longuet-Higgins, Michael S., «On the ratio of the inradius to the circumradius of a triangle», 87, March 2003, 119—120.
5. Мякишев А. Г. Элементы геометрии треугольника. Серия: «Библиотека „Математическое просвещение“». М.: МЦНМО, 2002. c. 11, п. 5
6. Ross Honsberger. Episodes in Nineteenth and Twentieth Century Euclidean Geometry. Washington, DC: The Mathematical Association of America, 1996, ISBN 978-0883856390. p. 30, Figure 34, §3. An Unlikely Collinearity.
7. Здесь радиус окружности измеряется по сфере, то есть представляет собой градусную меру дуги большого круга, соединяющей точку пересечения радиуса сферы, проведенного из центра сферы через центр окружности, со сферой и точку касания окружностью стороны треугольника.
8. Степанов Н. Н. Сферическая тригонометрия. — М.—Л.: ОГИЗ, 1948. — 154 с.

Литература

• Факультативный курс по математике. 7-9 / Сост. И. Л. Никольская. — М.: Просвещение, 1991. — С. 89. — 383 с. — ISBN 5-09-001287-3.
• Понарин Я. П. Элементарная геометрия. В 2 т. — М.: МЦНМО, 2004. — С. 52-53. — ISBN 5-94057-170-0.
• Altshiller-Court, Nathan (1925), College Geometry: An Introduction to the Modern Geometry of the Triangle and the Circle (2nd ed.), New York: Barnes & Noble, LCCN 52013504