Дан ромб с известной диагональю и углом при одной вершине; предложите способ определить радиусы вписанной и описанной окружностей и обоснуйте формулы через тригонометрию или координаты
Обозначим известную диагональ через d1d_1d1, данный угол при вершине через α\alphaα. Пусть вторая диагональ равна d2d_2d2, сторона ромба — aaa. 1) Связь сторон и диагоналей (тригонометрия). Диагонали ромба делят углы пополам и являются диагоналями параллелограмма, поэтому d1=2asinα2,d2=2acosα2.
d_1=2a\sin\frac\alpha2,\qquad d_2=2a\cos\frac\alpha2. d1=2asin2α,d2=2acos2α.
Отсюда a=d12sin(α/2),d2=d1cot(α/2).
a=\frac{d_1}{2\sin(\alpha/2)},\qquad d_2=d_1\cot(\alpha/2). a=2sin(α/2)d1,d2=d1cot(α/2). 2) Радиус вписанной окружности rrr. Площадь ромба через диагонали S=d1d22S=\dfrac{d_1d_2}{2}S=2d1d2, полупериметр s=2as=2as=2a. Для вписанной окружности r=S/sr=S/sr=S/s, значит r=d1d24a.
r=\frac{d_1d_2}{4a}. r=4ad1d2.
Подставляя выражения для d2d_2d2 и aaa, r=d1⋅(d1cot(α/2))4⋅(d1/(2sin(α/2)))=d12cosα2.
r=\frac{d_1\cdot(d_1\cot(\alpha/2))}{4\cdot\big(d_1/(2\sin(\alpha/2))\big)} =\frac{d_1}{2}\cos\frac\alpha2. r=4⋅(d1/(2sin(α/2)))d1⋅(d1cot(α/2))=2d1cos2α.
(Аналогично: r=d22sin(α/2)r=\dfrac{d_2}{2}\sin(\alpha/2)r=2d2sin(α/2).) 3) Радиус описанной окружности RRR. Описанная окружность, проходящая через все 4 вершины, существует только если ромб циклический, т.е. когда противоположные углы в сумме дают π\piπ. Для ромба это выполняется только при α=π/2\alpha=\pi/2α=π/2 (квадрат). В этом случае центр — пересечение диагоналей, и R=d12.
R=\frac{d_1}{2}. R=2d1.
(Также при квадрате R=a2R=\dfrac{a}{\sqrt2}R=2a.) Краткая координатная проверка: поместите центр ромба в начало координат, вершины в (±d1/2,0)(\pm d_1/2,0)(±d1/2,0), (0,±d2/2)(0,\pm d_2/2)(0,±d2/2). Уравнение стороны и расстояние от начала координат до этой прямой дают тот же результат r=d1/2cos(α/2)r=d_1/2\cos(\alpha/2)r=d1/2cos(α/2). Итого: a=d12sin(α/2),d2=d1cot(α/2),r=d12cos(α/2),
a=\frac{d_1}{2\sin(\alpha/2)},\qquad d_2=d_1\cot(\alpha/2),\qquad r=\frac{d_1}{2}\cos(\alpha/2), a=2sin(α/2)d1,d2=d1cot(α/2),r=2d1cos(α/2),
и описанная окружность есть только при α=π/2\alpha=\pi/2α=π/2, тогда R=d1/2R=d_1/2R=d1/2.
1) Связь сторон и диагоналей (тригонометрия). Диагонали ромба делят углы пополам и являются диагоналями параллелограмма, поэтому
d1=2asinα2,d2=2acosα2. d_1=2a\sin\frac\alpha2,\qquad d_2=2a\cos\frac\alpha2.
d1 =2asin2α ,d2 =2acos2α . Отсюда
a=d12sin(α/2),d2=d1cot(α/2). a=\frac{d_1}{2\sin(\alpha/2)},\qquad d_2=d_1\cot(\alpha/2).
a=2sin(α/2)d1 ,d2 =d1 cot(α/2).
2) Радиус вписанной окружности rrr. Площадь ромба через диагонали S=d1d22S=\dfrac{d_1d_2}{2}S=2d1 d2 , полупериметр s=2as=2as=2a. Для вписанной окружности r=S/sr=S/sr=S/s, значит
r=d1d24a. r=\frac{d_1d_2}{4a}.
r=4ad1 d2 . Подставляя выражения для d2d_2d2 и aaa,
r=d1⋅(d1cot(α/2))4⋅(d1/(2sin(α/2)))=d12cosα2. r=\frac{d_1\cdot(d_1\cot(\alpha/2))}{4\cdot\big(d_1/(2\sin(\alpha/2))\big)}
=\frac{d_1}{2}\cos\frac\alpha2.
r=4⋅(d1 /(2sin(α/2)))d1 ⋅(d1 cot(α/2)) =2d1 cos2α . (Аналогично: r=d22sin(α/2)r=\dfrac{d_2}{2}\sin(\alpha/2)r=2d2 sin(α/2).)
3) Радиус описанной окружности RRR. Описанная окружность, проходящая через все 4 вершины, существует только если ромб циклический, т.е. когда противоположные углы в сумме дают π\piπ. Для ромба это выполняется только при α=π/2\alpha=\pi/2α=π/2 (квадрат). В этом случае центр — пересечение диагоналей, и
R=d12. R=\frac{d_1}{2}.
R=2d1 . (Также при квадрате R=a2R=\dfrac{a}{\sqrt2}R=2 a .)
Краткая координатная проверка: поместите центр ромба в начало координат, вершины в (±d1/2,0)(\pm d_1/2,0)(±d1 /2,0), (0,±d2/2)(0,\pm d_2/2)(0,±d2 /2). Уравнение стороны и расстояние от начала координат до этой прямой дают тот же результат r=d1/2cos(α/2)r=d_1/2\cos(\alpha/2)r=d1 /2cos(α/2).
Итого:
a=d12sin(α/2),d2=d1cot(α/2),r=d12cos(α/2), a=\frac{d_1}{2\sin(\alpha/2)},\qquad d_2=d_1\cot(\alpha/2),\qquad r=\frac{d_1}{2}\cos(\alpha/2),
a=2sin(α/2)d1 ,d2 =d1 cot(α/2),r=2d1 cos(α/2), и описанная окружность есть только при α=π/2\alpha=\pi/2α=π/2, тогда R=d1/2R=d_1/2R=d1 /2.