Brocardin pisteet

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Kolmion Brocardin piste saadaan kolmen ympyrän leikkauspisteestä. Kukin ympyrä sivuaa kolmion sivua tangentiaalisesti.

Brocardin pisteet liittyvät geometriassa kolmioihin. On osoitettu, että jokaisessa kolmiossa voidaan piirtää kolmion kärjistä ceviaanit, jotka leikkaavat toisensa yhteisessä pisteessä ja samalla erkanevat samankätisestä sivusta saman suuruisen Brocardin kulman \omega verran. Kulman \omega suuruus riippuu kolmion kulmista. Jos ceviaanit erkanevat kulman oikeasta vai vasemasta kyljestä, kutsutaan leikkauspisteitä vastaavasti Ensimmäiseksi- (merkitään \Omega) tai Toiseksi Brocardin pisteeksi (merkitään \Omega '). Brocardin pisteet ovat kolmion sisäpisteitä, mutta ne eivät kuulu kolmion merkillisiin pisteisiin niin sanotun symmetrian puutteen vuoksi.[1]. Pisteet on nimetty ranskalaisen matemaatikon Henri Brocardin (1845−1922) mukaan.[2][3][4]

Brocardin pisteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Brocardin kulma on kuvassa valittu alkamaan kolmion kulman oikeasta kyljestä. Saatu leikkauspiste on silloin ensimmäinen Brocardin piste.

Kolmion ABC sivut merkitään a, b ja c. On olemassa täsmälleen yksi piste \Omega, jolle janat A\Omega, B\Omega ja C\Omega muodostavat saman kulman \omega, sivujen c, a ja b kanssa, eli

\angle \Omega AB = \angle \Omega BC = \angle \Omega CA = \omega.\,

Ceviaanin ja kolmion sivun välinen kulma voidaan valita kahdella tavalla. Kun käytetään ceviaanin ja kulman oikean kyljen välistä kulmaa (katso animaatiota), saadaan leikkauspisteeksi ensimmäinen Brocardin piste ja kun käytetään kulmassa vasenta kylkeä saadaan toinen Brocardin piste. Ne ovat toistensa isogonaalisia konjugaatteja.[2][3]

Brocardin kulma[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Brocardin kulma ensimmäiselle- ja toiselle Brocardin pisteelle ovat aina samat. Kulman suuruus riippuu kolmion muodosta, mutta se on sellainen, että Brocardin pisteet ovat kolmion sisäpiste.[3]

Jos kolmion kulmat ovat \alpha , \beta ja \gamma, saadaan Brocardin kulmaksi \omega

\cot \omega = \cot \alpha + \cot \beta + \cot \gamma [3]

tai jos kolmion sivut ovat a, b ja c sekä kolmion pinta-ala A, saadaan

\cot \omega = \frac{a^2+b^2+c^2}{4A}. [3]

Ensimmäinen Brocardin piste[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Brocardin ensimmäinen- ja toinen piste sekä Brocardin keskipiste.

Ensimmäinen Brocardin piste (merkitään usein \Omega, joskus myös \tau_1 tai Z_1) muodostuu ceviaaneista, joiden Brocardin kulma mitataan kolmion kulman oikeasta kyljestä. Pisteen trilineaariset koordinaatit ovat

\frac{c}{b}:\frac{a}{c}:\frac{b}{a}. [5]

Toinen Brocardin piste[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Toisen Brocardin pisteen (merkitään \Omega ', joskus myös \tau_2 tai Z_2) kulma mitataan kolmion kulmien oikeasta kyljestä. Toisen pisteen trilineaariset koordinaatit ovat

\frac{b}{c}:\frac{c}{a}:\frac{a}{b}. [6]

Brocardin keskipiste[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Brocardin keskipiste (merkitään joskus M) sijaitsee ensimmäisen- ja toisen Brocardin pisteen yhdistävän janan keskipisteessä. Toisin kuin kaksi ensimmäistä Brocardin pistettä, Brocardin keskipiste on kolmion merkillinen piste ja tunnetaan Kimberlingin merkinnällä X_{39}.[7][8]

Keskipisteen trilineaariset koordinaatit ovat

a(b^2+c^2):b(c^2+a^2):c(b^2+c^2) = \sin (\alpha + \omega):\sin (\beta + \omega):\sin (\gamma + \omega),

missä \omega on Brocardin kulma. Pisteen barysentriset koordinaatit ovat

a^2(b^2+c^2):b^2(c^2+a^2):c^2(b^2+c^2). [8]

Konstruktio ympyröillä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Brocardin piste sijaitsee sellaisessa kolmion sisäpisteessä, että sen pisteen ja kolmion sivujen päätepisteiden kautta kulkevat ympyrät sivuavat kukin aina yhtä sivua tangenttiaalisesti. Kehäkulmalauseella voidaan osoittaa, että kaarta vastaan oleva kehäkulma on yhtä suuri kuin kaaren päätepisteessä olevan tangentin ja kaaren jänteen välinen kulma. Piirtämiseen tarvitaan suora kulma ja harppi.

Ensimmäisen Brocardin pisteen konstruointi aloitetaan valitsemalla kolmion sivu, johon piirretään kaksi normaalia. Sivun vasempaan päätepisteeseen on määritelty Brocardin kulma, joten piirrettävän ympyrän tangentiaalinen piste sijaitsee sivun oikeassa päätepisteeseessä. Siihen piirretään normaali, joka on kohtisuorassa viereiseen sivuun nähden. Sivulle piirretään myös keskinormaali, joka leikaa ensimmäistä normaalia. Harpilla piirretään ympyrä, joka kulkee sivun päätepisteiden kautta. Muille sivuille muodostetaan omat ympyrät samalla tavalla. Ympyrät leikkaavat yhteisessä pisteessä, joka on ensimmäinen Brocardin piste.[4]

Toinen Brocardin toinen piste sijaitsee kolmen ympyrän leikkauspisteessä, joka muodostetaan peilikuvamaisesti. Ympyrät sivuavat tangentiaalisesti viereistä sivua nyt sivun vasemmassa päätepisteessä, koska Brocardin kulma on sivun toisessa päässä.[4]

Brocardin ympyrä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Brocardin ympyrän (engl. Brocard's circle), joka tunnetaan myös seitsemän pisteen ympyränä (engl. seven-point circle), halkaisijan muodostaa jana OK, jonka päätepisteitä ovat ulkoympyrän keskipiste O ja symmediaaninen piste K. [9]

Halkaisijan keskipiste on samalla Brocardin ympyrän keskipiste (Kimberlingin merkillinen piste X_{182}). Ympyrän säde voidaan laskea usealla tavalla. Kun merkitään kolmion sivut ja kolmion ympäröivän ympyrän säde sekä Brocardin kulma kirjaimilla a,b,c,R ja \omega, saadaan säteelle lausekkeet

R_B=R\sqrt{(a^4+b^4+c^4)-(a^2b^2+b^2c^2+c^2a^2)} = \frac{R\sqrt{1-4\sin^2\omega}}{2\cos\omega}. [10]

Ympyrän kehällä olevia pisteitä ovat ainakin

Brocardin kolmiot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ensimmäinen Brocardin kolmio[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ensimmäinen Brocardin kolmio syntyy Brocardin ympyrään siten, että ceviaanit, jotka kulkevat ensimmäisen Brocardin pisteen kautta, leikkaavat ympyrän kolmessa pisteessä. Ceviaanit, jotka kulkevat toisen Brocardin pisteen kautta, leikkaavat saman ympyrän samoissa pisteissä. Kolmio syntyy, kun nämä kolme pistettä yhdistetään janoilla, ja se on käänteisesti yhdenmuotoinen referenssikolmion kanssa. Käänteisesti yhdenmuotoiset monikulmioiden kulmat ovat samat, mutta esiintyvät käänteisessä järjestyksessä.[11]

Kun referenssikolmion kärjistä piirtää sitä ympäröivälle ympyrälle suorat, jotka ovat ensimmäisen Brocardin kolmion sivujen suuntaisia, leikkaavat ne ympyrän kehällä yhteisessä pisteessä. Pistettä kutsutaan Steinerin pisteeksi ja se on eräs kolmion merkillinen piste (Kimberlingin merkinnöin X_{99}).[12][13]

Koska Brocardin kolmio on yhdenmuotoinen referenssikolmionsa kanssa, voidaan sivujen pituudet ja pinta-ala laskea ketoimen \sigma avulla:

a'=\sigma a
b'=\sigma b ja
c'=\sigma c

sekä

A' = \sigma^2 A,

missä

\sigma = \frac{\sqrt{a^4-a^2b^2+b^4-a^2c^2-b^2c^2+c^4}}{a^2+b^2+c^2}. [14]

Referenssikolmion painopiste (Kimberlingin merkinnöin X_{2}) on yhteinen Brocardin kolmion painopisteen kanssa ja symmediaaninen piste on Brocardin kolmion Steinerin piste.[14]

Toinen Brocardin kolmio[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Toinen Brocardin kolmio syntyy kuuden ympyrän kaarista, jotka kulkevat sivun päätepisteden ja toisen Brocardin pisteen kautta. Samasta kolmion kärjestä erkanevat ja eri Brocardin pisteen kautta kulkevat ympyrät leikkaavat toisensa yhdessä toisen Brocardin kolmion kärjessä. Toinen tapa konstruoida tämä kolmio on piirtää ceviaanit symmediaaniseen pisteeseen, jolloin ceviaanien ja Brocardin ympyrän leikkauspisteet muodostavat toisen Brocardin kolmion kärjet. Tämä kolmio ei ole yhdenmuotoinen referenssikolmion kanssa. Sen keskinormaalien leikkauspiste X_{3} on referenssikolmion Brocardin ympyrän keskipiste X_{182}.[15]

Jos referenssikolmiolle piirtää ulkoympyrän ja jatkaa symmediaaniselle pisteelle K piirrettyjä ceviaaneja ulkoympyrälle saakka, sijaitsevat toisen Brocardin kolmion kärjet näiden jatkettujen ceviaanien keskipisteissä.[15]

On olemassa myös kolmas- ja neljäs Brocardin kolmio.[16]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Koivulahti, Perttu: Trilineaariset koordinaatit (Pro Gradu), Jyväskylän yliopisto, 2012
  2. a b Weisstein, Eric W.: Brocard Points (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  3. a b c d e Weisstein, Eric W.: Brocard Angle (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  4. a b c Lehtinen, Matti: Matematiikan historia (pdf) (Oulun Yliopiston luento) 2011. Oulu: Oulun Yliopisto. Viitattu 28.8.2013.
  5. Weisstein, Eric W.: First Brocard Point (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  6. Weisstein, Eric W.: Second Brocard Point (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  7. Weisstein, Eric W.: Brocard Midpoint (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  8. a b Kimberling, Clark: Encyclopedia: Brocardin keskipiste X(39) (html) Tekijän kotisivut. 2013. Evansville: Evansvillen Yliopisto. Viitattu 28.8.2013. (englanniksi)
  9. Weisstein, Eric W.: Brocard Circle (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  10. Kimberling, Clark: Encyclopedia: Brocardin ympyrän halkaisijan keskipiste X(182) (html) Tekijän kotisivut. 2013. Evansville: Evansvillen Yliopisto. Viitattu 28.8.2013. (englanniksi)
  11. Weisstein, Eric W.: Brocard Triangles (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  12. Gutierrez, Antonio: Steiner Point
  13. Weisstein, Eric W.: Steiner Points (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  14. a b Weisstein, Eric W.: First Brocard Triangle (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  15. a b Weisstein, Eric W.: Second Brocard Triangle (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  16. Gibert, B: Brocard Triangles

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]