Orthodiagonal quadrilateral
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/16/Orthodiagonal_quadrilateral.svg/240px-Orthodiagonal_quadrilateral.svg.png)
유클리드 기하학(Euclidean geometry)에서, 직교대각선 사변형은 대각선(diagonal)이 직각(right angle)에서 교차하는 사변형(quadrilateral)입니다. 다시 말해서, 그것은 비-인접한 꼭짓점(vertices) 사이의 선분(line segment)이 서로 직교(orthogonal) (수직)인 넷의-변 도형입니다.
Special cases
연(kite) 하나의 대각선이 대칭의 직선인 직교대각선 사변형입니다. 연은 네 변 모두에 접하는 원(circle)을 포함하는 정확하게 직교대각선 사변형입니다; 즉, 연은 접하는(tangential) 직교대각선 사변형입니다.[1]
마름모(rhombus)는 두 쌍의 평행 변을 갖는 직교대각선 사변형입니다 (즉, 평행사변형(parallelogram)이기도 한 직교대각선 사변형입니다).
정사각형(square)은 연과 마름모 둘 다의 극한하는 경우입니다.
대각선 길이가 적어도 사변형의 모든 변의 길이만큼 긴 직교 같은-대각선(equidiagonal) 사변형은 모든 사변형 중 지름에 대한 최대 넓이를 가지며, 최대 작은 다각형(biggest little polygon) 문제의 n = 4 경우를 해결합니다. 정사각형은 그러한 사변형 중 하나이지만, 무한하게 많은 것들이 있습니다. 역시 등대각선인 직교 사변형은 바리논의 평행-사변형(Varignon parallelogram)이 정사각형이기 때문에 중간-정사각형 사변형(midsquare quadrilateral)입니다. 그 넓이는 순수하게 변의 크기로 표현될 수 있습니다.
Characterizations
임의의 직교대각선 사변형에 대해, 두 반대편 변의 제곱의 합은 다른 두 반대편 변의 제곱의 합과 같습니다: 연속적인 변 a, b, c, 및 d에 대해, 우리는 다음을 가집니다:[2][3]
이것은 피타고라스 정리(Pythagorean theorem)에서 따른 것인데, 이들 두 제곱의 합 중 하나는 사변형의 꼭짓점에서 대각선이 교차하는 점까지의 넷의 제곱된 거리의 합과 같도록 확장될 수 있습니다. 반대로, a2 + c2 = b2 + d2인 임의의 사변형은 직교대각선이어야 합니다.[4] 이것은 코사인 법칙(law of cosines), 벡터(vectors), 간접 증명(indirect proof), 및 복소수(complex number)를 사용하는 것을 포함하여 다양한 방법으로 입증될 수 있습니다.[5]
볼록 사변형의 대각선이 수직인 것과 둘의 쌍-중앙선(bimedians)이 같은 길이를 가지는 것은 필요충분(iff) 조건입니다.
다른 특성화에 따르면, 볼록 사변형 ABCD의 대각선이 수직인 것과 다음인 것은 필요충분 조건입니다:
여기서 P는 대각선의 교차점입니다. 이 방정식으로부터, 거의 즉시 볼록 사변형의 대각선이 수직인 것과 대각 교차점을 사변형의 변 위로의 투영(projections)이 순환 사변형(cyclic quadrilateral)의 꼭짓점인 것이 필요충분 조건이 따릅니다.[5]
볼록 사변형이 직교대각선인 것과 그것의 꼭짓점이 그것의 변의 중간점(midpoint)인 바리논의 평행-사변형(Varignon parallelogram)이 직사각형(rectangle)인 것은 필요충분 조건입니다.[5] 관련된 특성화는 볼록 사변형이 직교대각선인 것과 넷의 적도(maltitudes)의 변과 발의 중간점이 여덟 일치-순환 점(concyclic points): 여덟 점 원(eight point circle)인 것이 필요충분 조건임을 말합니다. 이 원의 중심은 사변형의 도형중심(centroid)입니다. 적도의 발에 의해 형성된 사변형을 주요 직교 사변형(principal orthic quadrilateral)이라고 불립니다.[6]
만약 대각선 교차를 통한 볼록 사변형 ABCD의 변에 대한 법선(normals)이 R, S, T, U에서 반대편 변을 교차하고, K, L, M, N가 이들 법선의 발이면, ABCD가 직교대각선인 것과 여덟 점 K, L, M, N, R, S, T and U이 일치-순환적; 두 번째 여덟 점 원(second eight point circle)인 것은 필요충분 조건입니다. 관련된 특성화는 볼록 사변형이 직교대각선인 것과 RSTU이 그것의 변이 ABCD의 대각선에 평행(parallel)한 직사각형인 것은 필요충분 조건임을 말합니다.[5]
대각선 교차 P와 볼록 사변형 ABCD의 꼭짓점에 의해 형성된 넷의 삼각형(triangle)에 관련하는 몇 가지 메트릭 특성화가 있습니다. m1, m2, m3, m4는 삼각형 ABP, BCP, CDP, DAP에서 P에서 변 AB, BC, CD, DA까지의 중앙선(medians)을 각각 나타냅니다. 만약 R1, R2, R3, R4 및 h1, h2, h3, h4가 이들 삼각형 각각의 둘레원의 반지름과 고도를 나타내면, 사변형 ABCD이 직교대각선인 것과 다음 등식 중 임의의 하나가 유지되는 것은 필요충분 조건입니다:[5]
게다가, 대각선의 교차점 P를 갖는 사변형 ABCD가 직교대각선인 것과 삼각형 ABP, BCP, CDP 및 DAP의 둘레중심이 사변형 변의 중간점인 것은 필요충분 조건입니다.[5]
Comparison with a tangential quadrilateral
접하는 사변형(tangential quadrilateral)과 직교대각선 사변형의 몇 가지 메트릭 특성화는 이 테이블에서 볼 수 있듯이, 모양에서 매우 유사합니다.[5] 변 a, b, c, d, 둘레반지름 R1, R2, R3, R4, 및 고도 h1, h2, h3, h4의 표기법은 두 유형의 사변형에서 위와 같습니다.
접하는 사변형 | 직교대각선 사변형 |
---|---|
Area
직교대각선 사변형의 넓이 K는 대각선 p와 q의 길이의 곱의 절반과 같습니다:[7]
반대로, 넓이가 이 공식으로 계산될 수 있는 임의의 볼록 사변형은 직교대각선이어야 합니다.[5] 직교대각선 사변형은 주어진 대각선을 갖는 모든 볼록 사변형 중 가장 큰 넓이를 가집니다.
Other properties
- 직교대각선 사변형은 대각선에 의해 형성된 변과 각도가 넓이를 고유하게 결정하지 않는 유일한 사변형입니다.[3] 예를 들어, 두 마름모는, 둘 다가 공통 변 a를 갖지만 (및, 모든 마름모에 대한 것처럼, 둘 다는 대각선 사이에 직각을 가짐), 하나는 다른 마름모보다 더 작은 예각(acute angle)을 가지면, 다른 넓이를 가집니다 (전자의 넓이는 예각이 영으로 접근할 때 영으로 접근합니다).
- 만약 정사각형(square)이 임의의 (볼록, 오목, 또는 교차된) 사변형의 변에 바깥쪽으로 세워지면, 그것들의 중심(center) (도형중심(centroid))은 역시 같은-대각선(equidiagonal) (즉, 같은 길이의 대각선을 가짐)인 직교대각선 사변형의 꼭짓점입니다. 이것은 판 오벨의 정리(van Aubel's theorem)라고 불립니다.
- 직교대각선 사변형의 각 변은 파스칼 점 원과 적어도 하나의 공통점을 가집니다.[8]
Properties of orthodiagonal quadrilaterals that are also cyclic
Circumradius and area
순환(cyclic) 직교대각선 사변형 (원(circle)에 내접(inscribed)될 수 있는 것)에 대해, 대각선의 교차점이 한 대각선을 길이 p1과 p2의 선분으로 나누고 다른 대각선을 길이 q1과 q2의 선분으로 나눈다고 가정합니다. 그런 다음[9] (첫 번째 상등은 아르키메데스(Archimedes) 보조정리의 책(Book of Lemmas)의 제안 11입니다)
여기서 D는 둘레원(circumcircle)의 지름(diameter)입니다. 이것은 대각선이 원의 수직 현이기 때문입니다. 이들 방정식은 다음 둘레반지름(circumradius) 표현을 산출합니다:
또는, 사변형의 변의 관점에서, 다음으로 산출됩니다:[2]
역시 다음임을 따릅니다:[2]
따라서, 오일러의 사변형 정리(Euler's quadrilateral theorem)에 따르면, 둘레반지름은 대각선 p와 q와 대각선의 중점 사이의 거리 x의 항으로 다음처럼 표현될 수 있습니다:
넷의 변의 관점에서 순환 직교대각선 사변형의 넓이(area) K에 대해 공식은 프톨레마이오스의 정리(Ptolemy's theorem)와 직교대각선 사변형의 넓이(area of an orthodiagonal quadrilateral)에 대해 공식을 결합할 때 직접 얻어질 수 있습니다. 그 결과는 다음입니다:[10]: p.222
Other properties
- 순환 직교대각선 사변형에서, 반중심(anticenter)은 대각선이 교차하는 점과 일치합니다.[2]
- 브라마굽타의 정리(Brahmagupta's theorem)는 순환 직교대각선 사변형에 대해, 대각선의 교차점을 통해 임의의 변에서 수직이 반대편 변을 이등분한다고 말합니다.[2]
- 만약 직교대각선 사변형이 역시 순환적이면, 둘레중심(circumcenter) (둘레접된 원의 중심)에서 임의의 변까지의 거리는 반대쪽 변의 길이의 절반과 같습니다.[2]
- 순환 직교대각선 사변형에서, 대각선의 중간점 사이의 거리는 둘레중심과 대각선이 교차하는 점 사이의 거리와 같습니다.[2]
Infinite sets of inscribed rectangles
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/A_set_of_inscribed_rectangles_whose_sides_are_parallel_to_the_diagonals_of_the_quadrilateral.png/220px-A_set_of_inscribed_rectangles_whose_sides_are_parallel_to_the_diagonals_of_the_quadrilateral.png)
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/11/A_set_of_inscribed_rectangles_defined_by_Pascal-points_circles.png/220px-A_set_of_inscribed_rectangles_defined_by_Pascal-points_circles.png)
모든 각 직교대각선 사변형에 대해, 우리는 둘의 무한 직사각형의 집합을 내접할 수 있습니다:
- (i) 그것의 한 변이 사변형의 대각선과 평행한 직사각형의 집합
- (ii) 파스칼-점 원에 의해 정의된 직사각형의 집합.[11]
References
- ^ Josefsson, Martin (2010), "Calculations concerning the tangent lengths and tangency chords of a tangential quadrilateral" (PDF), Forum Geometricorum, 10: 119–130.
- ^ a b c d e f g Altshiller-Court, N. (2007), College Geometry, Dover Publications. Republication of second edition, 1952, Barnes & Noble, pp. 136-138.
- ^ a b Mitchell, Douglas, W. (2009), "The area of a quadrilateral", The Mathematical Gazette, 93 (July): 306–309.
- ^ Ismailescu, Dan; Vojdany, Adam (2009), "Class preserving dissections of convex quadrilaterals" (PDF), Forum Geometricorum, 9: 195–211.
- ^ a b c d e f g h Josefsson, Martin (2012), "Characterizations of Orthodiagonal Quadrilaterals" (PDF), Forum Geometricorum, 12: 13–25.
- ^ Mammana, Maria Flavia; Micale, Biagio; Pennisi, Mario (2011), "The Droz-Farny Circles of a Convex Quadrilateral" (PDF), Forum Geometricorum, 11: 109–119.
- ^ Harries, J. (2002), "Area of a quadrilateral", The Mathematical Gazette, 86 (July): 310–311
- ^ David, Fraivert (2017), "Properties of a Pascal points circle in a quadrilateral with perpendicular diagonals" (PDF), Forum Geometricorum, 17: 509–526.
- ^ Posamentier, Alfred S.; Salkind, Charles T. (1996), Challenging Problems in Geometry (second ed.), Dover Publications, pp. 104–105, #4–23.
- ^ Josefsson, Martin (2016), "Properties of Pythagorean quadrilaterals", The Mathematical Gazette, 100 (July): 213–224.
- ^ 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.