Дан выпуклый четырехугольник ABCD, у которого суммы противоположных углов равны: ∠A+∠C=∠B+∠D. Какие дополнительные утверждения о диагоналях и описанных/вписанных окружностях можно сделать и как их доказать
Кратко: из условия ∠A+∠C=∠B+∠D\angle A+\angle C=\angle B+\angle D∠A+∠C=∠B+∠D и ∠A+∠B+∠C+∠D=360∘ \angle A+\angle B+\angle C+\angle D=360^\circ∠A+∠B+∠C+∠D=360∘ следует ∠A+∠C=180∘,
\angle A+\angle C=180^\circ, ∠A+∠C=180∘,
откуда вывод: ABCD — вписанный (конвексный) четырёхугольник (все четыре вершины лежат на одной окружности). Дальше — типичные следствия и короткие доказательства. 1) Вписанность (описанная окружность существует). Доказательство: из равенства сумм противоположных углов получаем ∠A+∠C=180∘\angle A+\angle C=180^\circ∠A+∠C=180∘. Конверсия теоремы об вписанном угле: в выпуклом четырёхугольнике противоположные углы взаимно дополнены тогда и только тогда, когда все вершины лежат на одной окружности. Следовательно ABCD — циклический. 2) Равенства углов, соответствующие одной хорде. В циклическом четырёхугольнике равны любые парные вписанные углы, опирающиеся на одну и ту же хорду. В частности ∠BAD=∠BCD,∠ABC=∠ADC,∠ABD=∠ACD,∠BAC=∠BDC.
\angle BAD=\angle BCD,\qquad \angle ABC=\angle ADC,\qquad \angle ABD=\angle ACD,\qquad \angle BAC=\angle BDC. ∠BAD=∠BCD,∠ABC=∠ADC,∠ABD=∠ACD,∠BAC=∠BDC.
(Доказание — теорема об равенстве вписанных углов.) 3) Теорема Птолемея (связь длин диагоналей и сторон). Если ABCD циклический, то выполняется AC⋅BD=AB⋅CD+BC⋅AD.
AC\cdot BD=AB\cdot CD+BC\cdot AD. AC⋅BD=AB⋅CD+BC⋅AD.
Короткая идея доказательства: применить закон синусов в треугольниках, имеющих одну и ту же описанную окружность (например AB=2Rsin∠ACBAB=2R\sin\angle ACBAB=2Rsin∠ACB и т.д.), затем свести выражения — получается указанное равенство. 4) Пересечение диагоналей — теорема о произведениях отрезков (теорема о пересекающихся хордах). Пусть диагонали пересекаются в точке XXX. Тогда AX⋅CX=BX⋅DX.
AX\cdot CX=BX\cdot DX. AX⋅CX=BX⋅DX.
(Доказательство — теорема о произведении отрезков пересекающихся хорд или из равенства соответствующих углов получаются подобные треугольники.) 5) О вписанной окружности (касательной к четырёхугольнику). Наличие вписанной окружности (чтобы окружность касалась всех четырёх сторон) не вытекает из только углового условия. Классическое необходимое и достаточное условие касательности (теорема Питота) для выпуклого четырехугольника: AB+CD=BC+AD.
AB+CD=BC+AD. AB+CD=BC+AD.
Только при выполнении этого условия существует вписанная окружность. Таким образом из исходного равенства углов нельзя утверждать существование вписанной окружности; требуется дополнительное условие на длины сторон. 6) Если ABCD одновременно вписан и описан (бицентрический, т.е. и циклический, и тангенциальный). Тогда одновременно выполняются Птолемеева формула и Питотово равенство. Площадь KKK циклического четырёхугольника вычисляется по формуле Брахмагупты K=(s−AB)(s−BC)(s−CD)(s−DA),
K=\sqrt{(s-AB)(s-BC)(s-CD)(s-DA)}, K=(s−AB)(s−BC)(s−CD)(s−DA),
где s=AB+BC+CD+DA2s=\tfrac{AB+BC+CD+DA}{2}s=2AB+BC+CD+DA. Для касательного четырёхугольника радиус вписанной окружности rrr равен r=Ksr=\dfrac{K}{s}r=sK. (Для бикцентрических есть также специализированные соотношения между RRR и rrr, но они выходят за рамки краткого ответа.) Итого: из данного условия мы получаем обязательную вписанность (существует описанная окружность) и далее все стандартные свойства циклического четырёхугольника (равенства вписанных углов, теорема Птолемея, теорема о пересекающихся хордах). Наличие вписанной окружности требует отдельного (суммарного) условия на стороны: AB+CD=BC+ADAB+CD=BC+ADAB+CD=BC+AD.
∠A+∠C=∠B+∠D\angle A+\angle C=\angle B+\angle D∠A+∠C=∠B+∠D и ∠A+∠B+∠C+∠D=360∘ \angle A+\angle B+\angle C+\angle D=360^\circ∠A+∠B+∠C+∠D=360∘ следует
∠A+∠C=180∘, \angle A+\angle C=180^\circ,
∠A+∠C=180∘, откуда вывод: ABCD — вписанный (конвексный) четырёхугольник (все четыре вершины лежат на одной окружности). Дальше — типичные следствия и короткие доказательства.
1) Вписанность (описанная окружность существует).
Доказательство: из равенства сумм противоположных углов получаем ∠A+∠C=180∘\angle A+\angle C=180^\circ∠A+∠C=180∘. Конверсия теоремы об вписанном угле: в выпуклом четырёхугольнике противоположные углы взаимно дополнены тогда и только тогда, когда все вершины лежат на одной окружности. Следовательно ABCD — циклический.
2) Равенства углов, соответствующие одной хорде.
В циклическом четырёхугольнике равны любые парные вписанные углы, опирающиеся на одну и ту же хорду. В частности
∠BAD=∠BCD,∠ABC=∠ADC,∠ABD=∠ACD,∠BAC=∠BDC. \angle BAD=\angle BCD,\qquad \angle ABC=\angle ADC,\qquad \angle ABD=\angle ACD,\qquad \angle BAC=\angle BDC.
∠BAD=∠BCD,∠ABC=∠ADC,∠ABD=∠ACD,∠BAC=∠BDC. (Доказание — теорема об равенстве вписанных углов.)
3) Теорема Птолемея (связь длин диагоналей и сторон).
Если ABCD циклический, то выполняется
AC⋅BD=AB⋅CD+BC⋅AD. AC\cdot BD=AB\cdot CD+BC\cdot AD.
AC⋅BD=AB⋅CD+BC⋅AD. Короткая идея доказательства: применить закон синусов в треугольниках, имеющих одну и ту же описанную окружность (например AB=2Rsin∠ACBAB=2R\sin\angle ACBAB=2Rsin∠ACB и т.д.), затем свести выражения — получается указанное равенство.
4) Пересечение диагоналей — теорема о произведениях отрезков (теорема о пересекающихся хордах).
Пусть диагонали пересекаются в точке XXX. Тогда
AX⋅CX=BX⋅DX. AX\cdot CX=BX\cdot DX.
AX⋅CX=BX⋅DX. (Доказательство — теорема о произведении отрезков пересекающихся хорд или из равенства соответствующих углов получаются подобные треугольники.)
5) О вписанной окружности (касательной к четырёхугольнику).
Наличие вписанной окружности (чтобы окружность касалась всех четырёх сторон) не вытекает из только углового условия. Классическое необходимое и достаточное условие касательности (теорема Питота) для выпуклого четырехугольника:
AB+CD=BC+AD. AB+CD=BC+AD.
AB+CD=BC+AD. Только при выполнении этого условия существует вписанная окружность. Таким образом из исходного равенства углов нельзя утверждать существование вписанной окружности; требуется дополнительное условие на длины сторон.
6) Если ABCD одновременно вписан и описан (бицентрический, т.е. и циклический, и тангенциальный).
Тогда одновременно выполняются Птолемеева формула и Питотово равенство. Площадь KKK циклического четырёхугольника вычисляется по формуле Брахмагупты
K=(s−AB)(s−BC)(s−CD)(s−DA), K=\sqrt{(s-AB)(s-BC)(s-CD)(s-DA)},
K=(s−AB)(s−BC)(s−CD)(s−DA) , где s=AB+BC+CD+DA2s=\tfrac{AB+BC+CD+DA}{2}s=2AB+BC+CD+DA . Для касательного четырёхугольника радиус вписанной окружности rrr равен r=Ksr=\dfrac{K}{s}r=sK . (Для бикцентрических есть также специализированные соотношения между RRR и rrr, но они выходят за рамки краткого ответа.)
Итого: из данного условия мы получаем обязательную вписанность (существует описанная окружность) и далее все стандартные свойства циклического четырёхугольника (равенства вписанных углов, теорема Птолемея, теорема о пересекающихся хордах). Наличие вписанной окружности требует отдельного (суммарного) условия на стороны: AB+CD=BC+ADAB+CD=BC+ADAB+CD=BC+AD.