托勒密定理

數學中,托勒密定理歐幾里得幾何學中的一個關於四邊形的定理。托勒密定理指出凸四邊形兩組對邊乘積之和不小於兩條對角線的乘積,當且僅當四邊形為圓內接四邊形,兩組和相同。或退化為直線以取得(這時也稱為歐拉定理)。 狹義的托勒密定理也可以敘述為:若且僅若圓內接凸四邊形兩對對邊乘積的和等於兩條對角線的乘積,則這個凸四邊形內接於一圓。托勒密定理實際上也可以看做一種判定圓內接四邊形的方法。

一般的四邊形中,

證明

幾何證明

 
  1. 設ABCD是圓內接四邊形
  2. BC上,圓周角∠BAC = ∠BDC,而在AB上,∠ADB = ∠ACB。
  3. 在AC上取一點K,使得∠ABK = ∠CBD; 因為∠ABK + ∠CBK = ∠ABC = ∠CBD + ∠ABD,所以∠CBK = ∠ABD。
  4. 因此△ABK與△DBC相似,同理也有△ABD相似於△KBC。
  5. 因此AK/AB = CD/BD,且CK/BC = DA/BD;
  6. 因此AK·BD = AB·CD,且CK·BD = BC·DA;
  7. 兩式相加,得(AK+CK)·BD = AB·CD + BC·DA;
  8. 但AK+CK = AC,因此AC·BD = AB·CD + BC·DA。即得證

和差化積證明

設弦AB,BC及CD對應的圓周角分別為   ,外接圓的半徑為 ,則有      。於是,原托勒密等式化為

 

現在,只需用和差化積公式,即可推得上式兩邊都等於 。即得證。

複數證明

用a、b、c、d分別表示四邊形頂點A、B、C、D的複數,則AB、CD、AD、BC、AC、BD的長度分別是:(a-b)、(c-d)、(a-d)、(b-c)、(a-c)、(b-d)。
首先注意到複數恆等式  ,兩邊取,運用三角不等式 
等號成立的條件是(a-b)(c-d)與(a-d)(b-c)的輻角相等,這與A、B、C、D四點共圓等價。因此托勒密定理得證。

複數證明中的複數可以換成賦范向量空間中的向量。這說明了定理中的四點不一定限於同一平面

逆定理的幾何證明

 

用幾何方法也可以同時證明托勒密定理以及它的逆定理。設  為任意一個凸四邊形。作三角形  與三角形  順相似,則會有:

 (紅色角)

因此,

 

同時,根據相似三角形的性質還有:

 

由此可知三角形  與三角形  也是順相似三角形。這兩個順相似關係說明:

 
 

兩式相加,得到:

 

等號成立當且僅當   三點共線,也就等價於   因此有

 
 

即是等價於    四點共圓。因此命題得證。[1]

反演的證明

使用反演方法,可以得出托勒密定理與三角不等式互為對偶命題的結論。事實上,設有凸四邊形 內接於圓,那麼以其中一點 為中心,以半徑 作反演,則圓變為不過點  的直線,點    變為這條直線上的三點:    。這三點之間有:

 

而反演變換中的長度關係為:

 

代入  式就得到:

 

通分,並除以 ,就可得到:

 

而如果    四點不共圓的話,那麼以  為中心反演之後的三個點   將在另一個圓上,因此不共線。  式里的等號也要改為大於等於號。這正是托勒密定理。[2]

與西姆松定理的關係

 

西姆松定理也是一個與四點共圓有關的定理。利用圓內接四邊形邊長之間的三角關係,可以將托勒密定理作為西姆松定理的推論[3]

西姆松定理說明:過一個三角形  外的一點  作它到三角形三邊的垂線,設垂足分別是 (如左圖),那麼 這三個點在同一條直線上當且僅當  在三角形 外接圓上(也就是說 四點共圓)。 注意到由於  都是直角, 四點共圓,並且這個圓的直徑就是 。因此:

 

而根據圓內弦長的關係,有: 

其中  為外接圓的半徑。所以代入上式就可得到:

 

同理可得:

 


而在三角形 中,兩邊長之和大於第三邊:

 

所以有:

 

等號當且僅當 共線,也就是 四點共圓的時候取得。這正是托勒密定理。[4]

推廣

托勒密定理的一個推廣是開世定理。開世定理將圓內接四邊形的四個頂點換為與外接圓相內切的四個小圓,而四邊形的邊變為圓與圓之間的外公切線。開世定理可以看做是「利用托勒密定理慘澹經營得到的結果」[5]

對一般的四邊形,托勒密定理給出了它的對角線與邊長之間的不等關係。如果要掌握更為精確的關係,可以通過以下的公式:

 [6]

由這個公式可以推出托勒密定理: 的絕對值小於等於1,所以

 
 

也就是說

 
 


等號僅在 ,也就是說  的時候取到,這正好等價於四邊形內接於圓。

參見

參考與注釋

  1. ^ R.A.約翰遜,《近代歐氏幾何學》,第51頁
  2. ^ R.A.約翰遜,《近代歐氏幾何學》,第52頁
  3. ^ R.A.約翰遜,《近代歐氏幾何學》,第117頁
  4. ^ (英文)Harold Scott Macdonald Coxeter, Samuel L. Greitzer. Geometry revisited. The Mathematical Association of America; 1ST edition. 1967. ISBN 978-0883856192. ,p.42
  5. ^ R.A.約翰遜,《近代歐氏幾何學》,第102-103頁,原文如此
  6. ^ R.A.約翰遜,《近代歐氏幾何學》,第54頁

參考書籍