Ортодиагональный четырёхугольник

В евклидовой геометрии ортодиагональный четырёхугольник — это четырёхугольник, в котором диагонали пересекаются под прямым углом.

Ортодиагональный четырёхугольник. Согласно описанию этих четырёхугольников, два красных квадрата на двух противоположных сторонах четырёхугольника дают в сумме ту же площадь, что и два синих квадрата на другой паре сторон.

Специальные случаи

Дельтоид является ортодиагональным четырёхугольником, в котором одна диагональ является осью симметрии. Дельтоиды — это в точности ортодиагональные четырёхугольники, имеющие окружность, касающуюся всех четырёх сторон. Таким образом, дельтоиды являются описанными ортодиагональными четырёхугольниками^[1].

Ромб — это ортодиагональный четырёхугольник с двумя парами параллельных сторон (т.е. ортодиагональный четырёхугольник и параллелограмм одновременно).

Квадрат — это частный случай ортодиагонального четырёхугольника, который является одновременно и дельтоидом, и ромбом.

Ортодиагональные равнодиагональные четырёхугольники, в которых диагонали не меньше любой стороны, имеют максимальный диаметр среди всех четырёхугольников, что решает случай n = 4 задачи наибольшего по площади многоугольника единичного диаметра. Квадрат является одним из таких четырёхугольников, но есть бесконечно много других.

Описание

Ортодиагональный четырёхугольник. Параллелограмм Вариньона выделен красным (M₁₂ M₂₃ M₃₄ M₄₁, где M_xy является серединой отрезка [B_x, B_y]).
Антимедиатрисы выделены синим (основанием антимедиатрисы, опущенной из M_xy является точка A_xy).
Середины сторон и основания антимедиатрис лежат на одной окружности. На рисунке точка O — центр этой окружности.

Для любого ортодиагонального четырёхугольника суммы квадратов противоположных сторон равны — для сторон a, b, c и d мы имеем^[2][3]:

${\displaystyle \displaystyle a^{2}+c^{2}=b^{2}+d^{2}.}$

Это следует из теоремы Пифагора, по которой любая из этих двух сумм равна сумме четырёх квадратов расстояний от вершин четырёхугольника до точки пересечения диагоналей.

Обратно — любой четырёхугольник, в котором a² + c² = b² + d², должен быть ортодиагональным ^[4]. Это можно показать разными путями, используя теорему косинусов, вектора, доказательство от противного и комплексные числа ^[5].

Диагонали выпуклого четырёхугольника перпендикулярны тогда и только тогда, когда бимедианы имеют одинаковую длину^[5].

Диагонали выпуклого четырёхугольника ABCD перпендикулярны также тогда и только тогда, когда

${\displaystyle \angle PAB+\angle PBA+\angle PCD+\angle PDC=\pi }$,

где P — точка пересечения диагоналей. Из этого равенства следует почти немедленно, что диагонали выпуклого четырёхугольника перпендикулярны также тогда и только тогда, когда проекции пересечения диагоналей на стороны четырёхугольника являются вершинами вписанного четырёхугольника^[5].

Ортодиагональный четырёхугольник. Нормали к сторонам треугольника (перпендикуляры из точки пересечения диагоналей на стороны четырёхугольника) выделены синим цветом, точки K, L, M, N — основания нормалей.
Прямоугольник, образованный точками пересечения нормалей с противоположными сторонами, выделен красным цветом (вершины прямоугольника — R, S, T, U.
Основания нормалей и пересечения нормалей с противолежащими сторонами лежат на одной окружности. На рисунке точка O — центр этой окружности.

Выпуклый четырёхугольник ортодиагонален тогда и только тогда, когда его параллелограмм Вариньона (вершинами которого служат середины сторон) является прямоугольником^[5]. Также выпуклый четырёхугольник ортодиагонален тогда и только тогда, когда середины его сторон и основания четырёх антимедиатрис являются восемью точками, лежащими на одной окружности^[англ.], окружности восьми точек. Центр этой окружности является центроидом четырёхугольника. Четырёхугольник, образованный основаниями антимедиатрис, называется главным орточетырёхугольником^[6].

Если нормали к сторонам выпуклого четырёхугольника ABCD через пересечение диагоналей пересекают противоположные стороны в точках R, S, T, U, а K, L, M, N — основания нормалей, то четырёхугольник ABCD ортодиагонален тогда и только тогда, когда восемь точек K, L, M, N, R, S, T и U лежат на одной окружности, второй окружности восьми точек. Кроме того, выпуклый четырёхугольник ортодиагонален тогда и только тогда, когда четырёхугольник RSTU является прямоугольником, стороны которого параллельны диагоналям четырёхугольника ABCD^[5].

Ортодиагональный четырёхугольник. Нормали к сторонам треугольника выделены синим цветом, точки K, L, M, N — основания нормалей.
Медианы выделены красным. Основания медиан являются центрами описанных окружностей.

Есть несколько соотношений относительно четырёх треугольников, образованных точкой пересечения диагоналей P и вершинами выпуклого четырёхугольника ABCD. Обозначим через m₁, m₂, m₃, m₄ медианы в треугольниках ABP, BCP, CDP, DAP из P на стороны AB, BC, CD, DA соответственно. Обозначим через R₁, R₂, R₃, R₄ радиусы описанных окружностей, а через h₁, h₂, h₃, h₄ — высоты этих треугольников. Тогда четырёхугольник ABCD ортодиагонален тогда и только тогда, когда выполняется любое из следующих равенств^[5]:

• ${\displaystyle m_{1}^{2}+m_{3}^{2}=m_{2}^{2}+m_{4}^{2}}$
• ${\displaystyle R_{1}^{2}+R_{3}^{2}=R_{2}^{2}+R_{4}^{2}}$
• ${\displaystyle {\frac {1}{h_{1}^{2}}}+{\frac {1}{h_{3}^{2}}}={\frac {1}{h_{2}^{2}}}+{\frac {1}{h_{4}^{2}}}}$

Более того, четырёхугольник ABCD с точкой пересечения диагоналей P ортодиагонален тогда и только тогда, когда центры описанных вокруг треугольников ABP, BCP, CDP и DAP окружностей являются серединами сторон четырёхугольника^[5].

Сравнение с описанным четырёхугольником

Некоторые числовые характеристики описанных четырёхугольников и ортодиагональных четырёхугольников очень похожи, что видно в следующей таблице^[5]. Здесь длины сторон четырёхугольника равны a, b, c, d, радиусы описанных окружностей вокруг треугольников равны R₁, R₂, R₃, R₄, а высоты равны h₁, h₂, h₃, h₄ (как на рисунке).

Описанный четырёхугольник	Ортодиагональный четырёхугольник
${\displaystyle a+c=b+d}$	${\displaystyle a^{2}+c^{2}=b^{2}+d^{2}}$
${\displaystyle R_{1}+R_{3}=R_{2}+R_{4}}$	${\displaystyle R_{1}^{2}+R_{3}^{2}=R_{2}^{2}+R_{4}^{2}}$
${\displaystyle {\frac {1}{h_{1}}}+{\frac {1}{h_{3}}}={\frac {1}{h_{2}}}+{\frac {1}{h_{4}}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{h_{1}^{2}}}+{\frac {1}{h_{3}^{2}}}={\frac {1}{h_{2}^{2}}}+{\frac {1}{h_{4}^{2}}}}$

Площадь

Площадь K ортодиагонального четырёхугольника равна половине произведения длин диагоналей p и q^[7]:

${\displaystyle K={\frac {p\cdot q}{2}}.}$

Обратно — любой выпуклый четырёхугольник, площадь которого равна половине произведения диагоналей, ортодиагонален^[5]. Ортодиагональный четырёхугольник имеет наибольшую площадь среди всех выпуклых четырёхугольников с данными диагоналями.

Другие свойства

• Только для ортодиагональных четырёхугольников площадь не определяется однозначно сторонами и углом между диагоналями^[8]. Например, если из двух ромбов со сторонами a (как у всех ромбов, у них диагонали перпендикулярны) один имеет меньший острый угол, то площади будут различными.
• Если на сторонах любого четырёхугольника (выпуклого, вогнутого или самопересекающегося) нарисовать квадраты, то их центры будут вершинами ортодиагонального четырёхугольника (к тому же и равнодиагонального). Это утверждение носит название теоремы Ван-Обеля.

Свойства ортодиагонального вписанного четырёхугольника

Радиус описанной окружности и площадь

Пусть во вписанном в окружность ортодиагональном четырёхугольнике точка пересечения диагоналей делит одну из диагоналей на отрезки длиной p₁ и p₂, а другую — на отрезки длиной q₁ и q₂. Тогда (первое равенство в Утверждении 11 в книге Архимеда «Леммы»)

${\displaystyle D^{2}=p_{1}^{2}+p_{2}^{2}+q_{1}^{2}+q_{2}^{2}=a^{2}+c^{2}=b^{2}+d^{2}}$,

где D — диаметр описанной окружности. Это выполняется для любых двух перпендикулярных хорд окружности^[9]. Из этой формулы вытекает выражение для радиуса описанной окружности

${\displaystyle R={\tfrac {1}{2}}{\sqrt {p_{1}^{2}+p_{2}^{2}+q_{1}^{2}+q_{2}^{2}}}}$

или, в терминах сторон четырёхугольника,

${\displaystyle R={\tfrac {1}{2}}{\sqrt {a^{2}+c^{2}}}={\tfrac {1}{2}}{\sqrt {b^{2}+d^{2}}}.}$

Отсюда также следует, что

${\displaystyle a^{2}+b^{2}+c^{2}+d^{2}=8R^{2}.}$

Тогда, согласно формуле Эйлера, радиус описанной окружности может быть выражен в терминах диагоналей p и q и расстоянию x между серединами диагоналей

${\displaystyle R={\sqrt {\frac {p^{2}+q^{2}+4x^{2}}{8}}}.}$

Формула для площади K вписанного ортодиагонального четырёхугольника в терминах четырёх сторон получается непосредственно, если скомбинировать теорему Птолемея и формулу площади ортодиагонального четырёхугольника.

${\displaystyle K={\tfrac {1}{2}}(ac+bd).}$

Другие свойства

• Во вписанном ортодиагональном четырёхугольнике антицентр совпадает с точкой пересечения диагоналей^[2].
• Теорема Брахмагупты утверждает, что для любого вписанного ортодиагонального четырёхугольника перпендикуляр к стороне, проходящий через точку пересечения диагоналей, делит пополам противоположную сторону^[2].
• Если ортодиагональный четырёхугольник является вписанным, расстояние от центра описанной окружности до любой стороны равно половине длины противоположной стороны^[2].
• Во вписанном ортодиагональном четырёхугольнике расстояние между серединами диагоналей равно расстоянию между центром описанной окружности и точкой пересечения диагоналей^[2].
• Ортодиагональный четырёхугольник, являющийся также равнодиагональным, является среднеквадратным четырёхугольником, поскольку его параллелограмм Вариньона является квадратом. Его площадь может быть выражена чисто в терминах сторон.

Прямоугольники вписанные в ортодиагональный четырехугольник

В любой ортодиагональный четырехугольник можно вписать бесконечно много прямоугольников, относящихся к следующим двум множествам:

(i) прямоугольники, чьи стороны параллельны диагоналям ортодиагонального четырехугольника

(ii) прямоугольники, определяемые окружностями точек Паскаля.^[10][11][12]

${\displaystyle ABCD}$ - ортодиагональный четырехугольник, ${\displaystyle P_{1}X_{1}Z_{1}Y_{1}}$ и ${\displaystyle P_{2}X_{2}Z_{2}Y_{2}}$ прямоугольники, вписанные в ${\displaystyle ABCD}$, и стороны которых параллельны диагоналям четырехугольник.

${\displaystyle ABCD}$ - ортодиагональный четырехугольник. ${\displaystyle P_{1}}$ и ${\displaystyle Q_{1}}$ точки Паскаля, формируемые с помощью окружности ${\displaystyle \omega _{1}}$, ${\displaystyle \sigma _{P_{1}Q_{1}}}$ – окружность точек Паскаля, определяющая остальные вершины прямоугольника ${\displaystyle P_{1}V_{1}Q_{1}W_{1}}$ вписанного в ${\displaystyle ABCD}$. ${\displaystyle P_{2}}$ и ${\displaystyle Q_{2}}$ точки Паскаля, формируемые с помощью окружности ${\displaystyle \omega _{2}}$, ${\displaystyle \sigma _{P_{2}Q_{2}}}$ – окружность точек Паскаля, определяющая остальные вершины прямоугольника ${\displaystyle P_{2}V_{2}Q_{2}W_{2}}$ вписанного в ${\displaystyle ABCD}$.

Примечания

1. Josefsson, 2010, p. 119—130.
2. Altshiller-Court, 2007, p. 136—138.
3. Mitchell, 2009, p. 306—309.
4. Ismailescu, Vojdany, 2009, p. 195–211.
5. Josefsson, 2012, p. 13–25.
6. Mammana, Micale, Pennisi, 2011, p. 109–119.
7. Harries, 2002, p. 310–311.
8. Mitchell, 2009, p. 306–309.
9. Posamentier, Salkind, 1996, p. 104–105, #4–23.
10. David, Fraivert (2019), "A Set of Rectangles Inscribed in an Orthodiagonal Quadrilateral and Defined by Pascal-Points Circles", Journal for Geometry and Graphics, 23: 5—27, Архивировано из оригинала 23 октября 2020, Дата обращения: 22 июля 2019.
11. David, Fraivert (2017), "Properties of a Pascal points circle in a quadrilateral with perpendicular diagonals" (PDF), Forum Geometricorum, 17: 509—526, Архивировано из оригинала (PDF) 5 декабря 2020, Дата обращения: 18 декабря 2017.
12. Фрейверт, Д. М. (2019), "Новая тема в евклидовой геометрии на плоскости: теория «точек Паскаля», формируемых с помощью окружности на сторонах четырехугольника", Математическое образование: современное состояние и перспективы : материалы Международной научной конференции, Архивировано из оригинала 10 ноября 2019, Дата обращения: 10 ноября 2019

Литература

• Martin Josefsson. Calculations concerning the tangent lengths and tangency chords of a tangential quadrilateral // Forum Geometricorum. — 2010. — Vol. 10. — P. 119–130.
• Martin Josefsson. Characterizations of Orthodiagonal Quadrilaterals // Forum Geometricorum. — 2012. — Vol. 12. — P. 13–25.
• Maria Flavia Mammana, Biagio Micale, Mario Pennisi. The Droz-Farny Circles of a Convex Quadrilateral // Forum Geometricorum. — 2011. — Vol. 11. — P. 109–119.
• N. Altshiller-Court. College Geometry. — Dover Publications, 2007. (Переиздание книги 1952 года, Barnes & Noble)

• Douglas W. Mitchell. The area of a quadrilateral // Mathematical Gazette. — 2009. — Vol. 93. — P. 306–309.
• Dan Ismailescu, Adam Vojdany. Class preserving dissections of convex quadrilaterals // Forum Geometricorum. — 2009. — Vol. 9. — P. 195–211.
• J. Harries. Area of a quadrilateral // Mathematical Gazette. — 2002. — No. 86.
• David Fraivert. Properties of a Pascal points circle in a quadrilateral with perpendicular diagonals // Forum Geometricorum. — 2017. — Vol. 17. — P. 509–526.
• Alfred S. Posamentier, Charles T. Salkind. Challenging Problems in Geometry. 2nd edition. — New York: Dover Publ., 1996. — ISBN 0-486-69154-3.