Вписанный четырехугольник и его свойства. Подробная теория.

 

«Описанная окружность» мы видели, что вокруг всякого треугольника можно описать окружность. То есть, для всякого треугольника найдётся такая окружность, что все три вершины треугольника «сидят» на ней. Вот так:

Вопрос: а можно ли то же самое сказать о четырехугольнике? Правда ли, что всегда найдётся окружность, на которой будут «сидеть» все четыре вершины четырехугольника?

Вот оказывается, что это НЕПРАВДА! НЕ ВСЕГДА четырехугольник можно вписать в окружность. Есть очень важное условие:

Четырехугольник можно вписать в окружность тогда и только тогда, когда сумма двух его противоположных углов равна  .

На нашем рисунке:

.

Посмотри, углы   и   лежат друг напротив друга, значит, они противоположные. А что же тогда с углами   и  ? Они вроде бы тоже противоположные? Можно ли вместо углов   и   взять углы   и  ?

Конечно, можно! Главное, чтобы у четырехугольника нашлись какие-то два противоположных угла, сумма которых будет  . Оставшиеся два угла тогда сами собой тоже дадут в сумме  . Не веришь? Давай убедимся. Смотри:

Пусть  . Помнишь ли ты, чему равна сумма всех четырех углов любого четырехугольника? Конечно,  . То есть   - всегда!  . Но  , → .

Волшебство прямо!

Так что запомни крепко-накрепко:

Если четырехугольник вписан в окружность, то сумма любых двух его противоположных углов равна  

и наоборот:

Если у четырехугольника есть два противоположных угла, сумма которых равна  , то такой четырехугольник вписанный.

Доказывать всё это мы здесь не будем (если интересно, заглядывай в следующие уровни теории). Но давай посмотрим, к чему приводит этот замечательный факт о том, что у вписанного четырехугольника сумма противоположных углов равна  .

Вот, например, приходит в голову вопрос, а можно ли описать окружность вокруг параллелограмма? Попробуем сперва «методом тыка».

Вот как-то не получается.

Теперь применим знание:

предположим, что нам как-то удалось посадить на параллелограмм   окружность. Тогда непременно должно быть:  , то есть  .

А теперь вспомним о свойствах параллелограмма:

у всякого параллелограмма противоположные углы равны.

То есть  .

У нас получилось, что

  →  

А что же углы   и  ? Ну, то же самое конечно.

  – вписанный →   →  

  - параллелограмм→   →  

Потрясающе, правда?

Получилось, что если параллелограмм вписан в окружность, то все его углы равны  , то есть это прямоугольник!

И ещё при этом – центр окружности совпадает с точкой пересечения диагоналей этого прямоугольника. Это, так сказать, в качестве бонуса прилагается.

Ну, вот значит, выяснили, что параллелограмм, вписанный в окружность – прямоугольник.

А теперь поговорим о трапеции. Что будет, если трапецию вписать в окружность? А оказывается, будет равнобедренная трапеция. Почему?

Вот пусть трапеция   вписана в окружность. Тогда опять  , но из-за параллельности прямых   и    .

Значит, имеем:   →   → трапеция равнобокая.

Даже проще чем с прямоугольником, правда? Но запомнить нужно твёрдо – пригодиться: Трапеция, вписанная в окружность – равнобедренная.

Давай ещё раз перечислим самые главные утверждения, касающиеся четырехугольника, вписанного в окружность:

1. Четырехугольник вписан в окружность тогда и только тогда, когда сумма двух его противоположных углов равна  
2. Параллелограмм, вписанный в окружность – непременно прямоугольник и центр окружности совпадает с точкой пересечения диагоналей
3. Трапеция, вписанная в окружность – равнобокая.

 

Вписанный четырехугольник. Средний уровень

 

Известно, что для всякого треугольника существует описанная окружность (это мы доказывали в теме «Описанная окружность»). Что же можно сказать о четырёхугольнике? Вот, оказывается, что НЕ ВСЯКИЙ четырехугольник можно вписать в окружность, а есть такая теорема:

Четырёхугольник вписан в окружность тогда и только тогда, когда сумма его противоположных углов равна  .

На нашем рисунке –  

Давай попробуем понять, почему так? Другими словами, мы сейчас докажем эту теорему. Но прежде чем доказывать, нужно понять, как устроено само утверждение. Ты заметил в утверждении слова «тогда и только тогда»? Такие слова означают, что вредные математики впихнули два утверждения в одно.

Расшифровываем:

1. «Тогда» означает: Если четырехугольник вписан в окружность, то сумма любых двух его противоположных углов равна  .
2. «Только тогда» означает: Если у четырёхугольника найдутся два противоположных угла, сумма которых равна  , то такой четырехугольник можно вписать в окружность.

Прямо как у Алисы: «думаю, что говорю» и «говорю, что думаю».

А теперь разбираемся, отчего же верно и 1, и 2?

Сначала 1.

Пусть четырехугольник   вписан в окружность. Отметим её центр   и проведём радиусы   и  . Что же получится? Помнишь ли ты, что вписанный угол вдвое меньше соответствующего центрального? Если помнишь – сейчас применим, а если не очень – загляни в тему «Окружность. Вписанный угол».

Итак,

  - вписанный  

  - вписанный  

Но посмотри:  .

Значит,

 .

Получаем, что если   – вписанный, то

 .

Ну, и ясно, что   и   тоже в сумме составляет  . (нужно так же рассмотреть   и  ).

Теперь и «наоборот», то есть 2.

Пусть оказалось так, что у четырехугольника   сумма каких – то двух противоположных углов равна  . Скажем, пусть

 .

Мы пока не знаем, можем ли описать вокруг него окружность. Но мы точно знаем, что вокруг треугольника   мы гарантированно окружность описать можем. Так и сделаем это.

Если точка   не «села» на окружность, то она неминуемо оказалась или снаружи или внутри.

Рассмотрим оба случая.

Пусть сначала точка   – снаружи. Тогда отрезок   пересекает окружность в какой-то точке  . Соединим   и  . Получился вписанный (!) четырехугольник  .

Про него уже знаем, что сумма его противоположных углов равна  , то есть  , а по условию у нас  .

Получается, что должно бы быть так, что  .

Но это никак не может быть поскольку   – внешний угол для   и значит,  .

А внутри? Проделаем похожие действия. Пусть точка   внутри.

Тогда продолжение отрезка   пересекает окружность в точке  . Снова   – вписанный четырехугольник  , а по условию  должно выполняться  , но   - внешний угол для   и значит,  , то есть опять никак не может быть так, что  .

То есть точка   не может оказаться ни снаружи, ни внутри окружности – значит, она на окружности!

Доказали всю-всю теорему!

Теперь посмотрим, какие же хорошие следствия даёт эта теорема.

Следствие 1

Параллелограмм, вписанный в окружность, может быть только прямоугольником.

Давай-ка поймём, почему так. Пусть параллелограмм   вписан в окружность. Тогда должно выполняться  .

Но из свойств параллелограмма мы знаем, что  .

То есть

 

И то же самое, естественно, касательно углов   и  .

Вот и получился прямоугольник – все углы по  .

Но, кроме того, есть ещё дополнительный приятный факт: центр окружности, описанной около прямоугольника, совпадает с точкой пересечения диагоналей.

Давай поймём почему. Надеюсь, ты отлично помнишь, что угол, опирающийся на диаметр – прямой.

Ну вот,

  - диаметр,

  - диаметр

а значит,   – центр. Вот и всё.

Следствие 2

Трапеция, вписанная в окружность – равнобедренная.

Докажем?

Пусть трапеция   вписана в окружность. Тогда  .

Но  

То есть

   . И так же  .

Всё ли мы обсудили? Не совсем. На самом деле есть ещё один, «секретный» способ, как узнавать вписанный четырехугольник. Мы этот способ сформулируем не очень строго (но понятно), а докажем только в последнем уровне теории.

Итак:

Если в четырёхугольнике можно наблюдать такую картинку, как здесь на рисунке (тут углы, «смотрящие» на сторону   из точек   и  , равны), то такой четырехугольник – вписанный.

Это очень важный рисунок – в задачах часто бывает легче найти равные углы, чем сумму углов   и  .

Несмотря на совершенное отсутствие строгости в нашей формулировке, она верна, и более того, всегда принимается проверяющими ЕГЭ. Ты должен писать примерно так:

«  - вписанный» - и всё будет отлично!

Не забывай этот важный признак – запомни картинку, и, возможно, она тебе вовремя бросится в глаза при решении задачки.

Вписанный четырехугольник. Краткое описание и основные формулы

Если четырехугольник вписан в окружность, то сумма любых двух его противоположных углов равна  

и наоборот:

Если у четырехугольника есть два противоположных угла, сумма которых равна  , то такой четырехугольник вписанный.

Четырехугольник вписан в окружность тогда и только тогда, когда сумма двух его противоположных углов равна  .

 .

Параллелограмм, вписанный в окружность – непременно прямоугольник, и центр окружности совпадает с точкой пересечения диагоналей.

Трапеция, вписанная в окружность – равнобокая.