نظرية بطليموس

في الهندسة الإقليدية ، تُعرّف نظرية بطليموس بأنها العلاقة بين أضلاع وقطري الشكل الرباعي الدائري (وهو شكل رباعي تقع رؤوسه على دائرة مشتركة). سُميت النظرية نسبةً إلى الفلكي والرياضي اليوناني بطليموس (كلاوديوس بطليموس). [ 1 ] استخدم بطليموس هذه النظرية كأداة مساعدة في إنشاء جدول الأوتار ، وهو جدول حسابي مثلثي طبّقه في علم الفلك.
إذا كانت رؤوس الشكل الرباعي الدائري هي A و B و C و D بالترتيب، فإن النظرية تنص على ما يلي:
يمكن التعبير عن هذه العلاقة لفظياً على النحو التالي:
- إذا كان الشكل الرباعي دائريًا ، فإن حاصل ضرب أطوال أقطاره يساوي مجموع حاصل ضرب أطوال أزواج الأضلاع المتقابلة.
علاوة على ذلك، فإن عكس نظرية بطليموس صحيح أيضاً:
- في الشكل الرباعي، إذا كان مجموع حاصل ضرب أطوال زوجيه المتقابلين يساوي حاصل ضرب أطوال أقطاره، فإنه يمكن رسم الشكل الرباعي داخل دائرة، أي أنه شكل رباعي دائري .
لتقدير فائدة وأهمية نظرية بطليموس بشكل عام، من المفيد بشكل خاص دراسة نتائجها الرئيسية .
نتائج متعلقة بالمضلعات المرسومة داخل المضلعات
مثلث متساوي الأضلاع

ينتج عن نظرية بطليموس كنتيجة نظرية [ 2 ] تتعلق بالمثلث متساوي الأضلاع المرسوم داخل دائرة.
معطى مثلث متساوي الأضلاع مرسوم داخل دائرة، ونقطة على الدائرة.
المسافة من النقطة إلى أبعد رأس في المثلث هي مجموع المسافات من النقطة إلى الرأسين الأقرب.
البرهان: يتبع مباشرة من نظرية بطليموس:
تُطبَّق هذه النتيجة على خوارزمية لحساب أشجار شتاينر الدنيا ذات البنية الثابتة، وذلك باستبدال أزواج أوراق الشجرة A و B ، التي يجب أن تتصل بنقطة شتاينر ، بالنقطة الثالثة C من مثلثها متساوي الأضلاع. يجب أن تقع نقطة شتاينر المجهولة على القوس AB من الدائرة، ويضمن هذا الاستبدال بقاء طول الشجرة ثابتًا بغض النظر عن موقعها. [ 3 ]
مربع
يمكن رسم أي مربع داخل دائرة مركزها مركز المربع. إذا كان طول أضلاعها الأربعة المشتركة يساويإذن، طول القطر يساويوفقًا لنظرية فيثاغورس ، ومن الواضح أن علاقة بطليموس صحيحة.
المستطيل

بشكلٍ أعم، إذا كان الشكل الرباعي مستطيلاً بأضلاع a و b وقطر d، فإن نظرية بطليموس تُختزل إلى نظرية فيثاغورس. في هذه الحالة، يتطابق مركز الدائرة مع نقطة تقاطع القطرين. ويكون حاصل ضرب القطرين d²، وبالتالي فإن الطرف الأيمن من علاقة بطليموس هو مجموع a² + b² .
يشير كوبرنيكوس - الذي استخدم نظرية بطليموس على نطاق واسع في أعماله المثلثية - إلى هذه النتيجة على أنها "نتيجة بديهية" أو نتيجة واضحة بذاتها:
- علاوة على ذلك، من الواضح ( manifestum est ) أنه عندما يتم تحديد الوتر المحيط بقوس ما، يمكن أيضًا إيجاد ذلك الوتر الذي يحيط ببقية نصف الدائرة. [ 4 ]
البنتاغون

ومن الأمثلة الأكثر إثارة للاهتمام العلاقة بين طول الضلع (أ) وطول الأوتار الخمسة (المشتركة) (ب ) في خماسي منتظم. بإكمال المربع ، نحصل على النسبة الذهبية : [ 5 ]
جانب من عشرة أضلاع

إذا تم الآن رسم القطر AF بحيث ينصف DC بحيث يكون DF و CF هما الضلعان c من مضلع عشري داخلي، فيمكن تطبيق نظرية بطليموس مرة أخرى - هذه المرة على الشكل الرباعي الدائري ADFC الذي يكون قطره d أحد أقطاره:
- أينهي النسبة الذهبية.
- [ 6 ]
ومن ثم يُحسب طول ضلع المضلع العشاري المرسوم داخل الدائرة بدلالة قطر الدائرة. بتطبيق نظرية فيثاغورس على المثلث القائم الزاوية AFD، نحصل على "b" بدلالة القطر، ثم يُحسب طول ضلع المضلع الخماسي "a" [ 7 ] كما يلي:
كما كتب كوبرنيكوس (متبعًا لبطليموس)،
- "إذا تم إعطاء قطر الدائرة، فإن أضلاع المثلث والرباعي والخماسي والسداسي والعشاري التي تحيط بها نفس الدائرة تكون معطاة أيضًا." [ 8 ]
البراهين
دليل مرئي

يُظهر هذا الرسم المتحرك عرضًا مرئيًا لنظرية بطليموس، استنادًا إلى ديريك وهيرستين (2012). [ 9 ]
البرهان بتشابه المثلثات

ليكن ABCD شكلاً رباعياً دائرياً . على الوتر BC، الزاويتان المحيطيتان ∠BAC = ∠BDC، وعلى AB، ∠ADB = ∠ACB. أنشئ النقطة K على AC بحيث ∠ABK = ∠CBD؛ بما أن ∠ABK + ∠CBK = ∠ABC = ∠CBD + ∠ABD، فإن ∠CBK = ∠ABD.
الآن، بالنظر إلى الزوايا المشتركة، فإن المثلث ABK يشابه المثلث DBC، وكذلك المثلث ABD يشابه المثلث KBC. بالتالي، AK/AB = CD/BD، وCK/BC = DA/BD؛ وبالمثل، AK⋅BD = AB⋅CD، وCK⋅BD = BC⋅DA. بجمع المعادلتين، نحصل على AK⋅BD + CK⋅BD = AB⋅CD + BC⋅DA، وبتحليل هذه المعادلة نحصل على (AK+CK)·BD = AB⋅CD + BC⋅DA. لكن بما أن AK+CK = AC، فإن AC⋅BD = AB⋅CD + BC⋅DA، وهو المطلوب إثباته [ 10 ].
البرهان بصيغته الحالية صالح فقط للأشكال الرباعية الدائرية البسيطة . إذا كان الشكل الرباعي يتقاطع مع نفسه، فإن النقطة K ستكون خارج القطعة المستقيمة AC. ولكن في هذه الحالة، AK − CK = ±AC، مما يعطي النتيجة المتوقعة.
الدليل من خلال خط سيمسون
نستخدم أولاً النظرية التي تنص على أنه بالنسبة للمسافاتمن نقطة ثابتةإلى رؤوسوالأعمدةانزلقت إلى الجوانب الثلاثةحيث تمثل أقدام هذه الأعمدة رؤوس مثلث، جوانبنكون
أيننصف قطر المثلثالدائرة المحيطة. ولإثبات ذلك، نطبق قانون الجيب على المثلثات،،وكذلك لـنفسها.
في الجزء الثاني، نضع النقطةعلى الدائرة المحيطة للحصول على الشكل الرباعي الدائريوالآن، الأقدامتقع هذه النقاط على خط مستقيم واحد، وتشكل خط سيمسون. وبالتالي،وباستخدام (1) ينتج عنه نظرية بطليموس.
البرهان باستخدام المتطابقات المثلثية
لنفترض أن الزوايا المحيطية المقابلة لـ،وعلى التوالي،،وويكون نصف قطر الدائرةثم لدينا،،،،ووتتحول المساواة الأصلية المراد إثباتها إلى
ومنها العاملاختفى بقسمة طرفي المعادلة عليه.
والآن باستخدام صيغ مجموع الزوايا ،ومن السهل إثبات أن طرفي المعادلة أعلاه متساويان.
QED
إليك برهان آخر، ربما يكون أكثر وضوحًا، باستخدام حساب المثلثات الأساسي. عرّف شكلًا رباعيًا جديدًامحفورة في نفس الدائرة، حيثهي نفسها كما في، وتقع في نقطة جديدة على نفس الدائرة، المحددة بواسطة، (صورة مثلث)انقلبت، بحيث أصبح الرأسينتقل إلى الرأسوالرأسينتقل إلى الرأس. رأسسيتم الآن تحديد موقعها عند نقطة جديدة D' على الدائرة. ثم،له نفس أطوال الحواف، وبالتالي نفس الزوايا المحيطية التي تشكلها الحواف المقابلة، كماولكن بترتيب مختلف. أي،،و، على التوالي،و. أيضًا،ولهم نفس المساحة. ثم،
QED
البرهان بالانعكاس

اختر دائرة مساعدةنصف قطرمركزها النقطة D، والتي يتم عندها عكس الدائرة المحيطة بالشكل ABCD إلى خط مستقيم (انظر الشكل). ثم ثمويمكن التعبير عنها على النحو التالي ،وعلى التوالي. ضرب كل حد فيوباستخدامويؤدي ذلك إلى مساواة بطليموس.
QED
لاحظ أنه إذا لم يكن الشكل الرباعي دائريًا، فإن A' و B' و C' تشكل مثلثًا، وبالتالي فإن A'B'+B'C' > A'C'، مما يعطينا برهانًا بسيطًا جدًا لمتباينة بطليموس والتي يتم عرضها أدناه.
البرهان باستخدام الأعداد المركبة
قم بتضمين ABCD في المستوى المركبمن خلال تحديدكأربعة أعداد مركبة متميزةعرّف النسبة التبادلية
- :={\frac {(z_{A}-z_{B})(z_{C}-z_{D})}{(z_{A}-z_{D})(z_{B}-z_{C})}}\in \mathbb {C} _{\neq 0}} .
ثم
مع المساواة إذا وفقط إذا كانت النسبة التبادليةهو عدد حقيقي موجب. وهذا يثبت متباينة بطليموس بشكل عام، إذ لم يتبق سوى إثبات أنتقع بشكل متتابع على دائرة (ربما ذات نصف قطر لانهائي، أي خط مستقيم) فيإذا وفقط إذا.
من الشكل القطبي للعدد المركبويتبع ذلك
وتتحقق المساواة الأخيرة إذا وفقط إذا كان الشكل الرباعي ABCD دائريًا، لأن الشكل الرباعي يكون دائريًا إذا وفقط إذا كان مجموع الزوايا المتقابلة يساوي.
QED
لاحظ أن هذا البرهان يتم بشكل مكافئ من خلال ملاحظة أن دورية ABCD، أي التكامليةو، وهو ما يعادل الشرط
- ؛
وعلى وجه الخصوص، هناك دوران لـفي هذايساوي صفرًا (أي أن جميع نواتج الضرب الثلاثة أعداد حقيقية موجبة)، وبموجب نظرية بطليموس
ثم يتم إثبات ذلك مباشرة من المتطابقة الجبرية البسيطة
النتائج المترتبة


في حالة دائرة قطرها وحدة واحدة، تكون الجوانبتكون قيم أي شكل رباعي دائري ABCD مساوية عدديًا لجيوب زواياه.ووالتي تُقابلها (انظر قانون الجيب ). وبالمثل، فإن الأقطار تساوي جيب مجموع أي زوج من الزوايا التي تُقابلها. يمكننا إذن كتابة نظرية بطليموس بالصيغة المثلثية التالية:
تطبيق شروط معينة على الزوايا المقابلةومن الممكن استخلاص عدد من النتائج المهمة باستخدام ما سبق كنقطة انطلاق. وفيما يلي، من المهم أن نضع في اعتبارنا أن مجموع الزوايا.
النتيجة 1. نظرية فيثاغورس
يتركو. ثم (بما أن الزوايا المتقابلة في الشكل الرباعي الدائري متكاملة). إذن: [ 11 ]
النتيجة الثانية: قانون جيب التمام

يتركيصبح المستطيل المذكور في النتيجة 1 شبه منحرف متناظر ذو قطرين متساويين وضلعين متساويين. ويختلف طول الضلعين المتوازيين بمقدارالوحدات حيث:
سيكون من الأسهل في هذه الحالة الرجوع إلى الصيغة القياسية لنظرية بطليموس:
قاعدة جيب التمام للمثلث ABC.
النتيجة 3. جيب الزاوية المركبة (+)
يترك
ثم
لذلك،
صيغة جيب الزاوية المركبة (+). [ 12 ]
النتيجة الرابعة: جيب الزاوية المركبة (−)
يترك. ثم. لذلك،
صيغة جيب الزاوية المركبة (−). [ 12 ]
يتوافق هذا الاشتقاق مع النظرية الثالثة كما دوّنها كوبرنيكوس في كتاب المجسطي ، نقلاً عن بطليموس . فعلى وجه الخصوص، إذا عُلمت أطوال أضلاع خماسي (يقابل محيطه 36 درجة) وسداسي (يقابل محيطه 30 درجة)، يُمكن حساب وتر مقابل 6 درجات. وكانت هذه خطوة حاسمة في الطريقة القديمة لحساب جداول الأوتار. [ 13 ]
النتيجة 5. جيب تمام الزاوية المركبة (+)
هذه النتيجة هي جوهر النظرية الخامسة كما سجلها كوبرنيكوس بعد بطليموس في كتاب المجسطي.
يترك. ثم. لذلك
صيغة جيب تمام الزاوية المركبة (+)
على الرغم من افتقارها إلى براعة الترميز المثلثي الحديث، إلا أنه من الواضح من النتائج السابقة أن العالم القديم كان يمتلك في نظرية بطليموس (أو ببساطة النظرية الثانية ) أداة مثلثية مرنة وقوية للغاية، مكّنت علماء ذلك العصر من وضع جداول دقيقة للأوتار (المقابلة لجداول الجيوب) واستخدامها في محاولاتهم لفهم الكون ورسم خرائطه كما رأوه. وبما أن هيبارخوس وضع جداول الأوتار قبل بطليموس بثلاثة قرون، فلا بد أن نفترض أنه كان على دراية بالنظرية الثانية ومشتقاتها. وباتباع خطى علماء الفلك القدماء، يسجل التاريخ فهرس النجوم لتيموخاريس الإسكندري. وإذا كان تجميع هذه الفهارس، كما يبدو مرجحًا، يتطلب فهمًا للنظرية الثانية، فإن الأصول الحقيقية لهذه النظرية تتلاشى بعد ذلك في غياهب التاريخ. لكن لا يمكن أن يكون من غير المعقول افتراض أن علماء الفلك والمهندسين المعماريين ومهندسي البناء في مصر القديمة ربما كان لديهم بعض المعرفة بذلك.
عدم المساواة عند بطليموس

لا تصح معادلة نظرية بطليموس أبدًا مع الأشكال الرباعية غير الدائرية. تُعدّ متباينة بطليموس امتدادًا لهذه الحقيقة، وهي صيغة أكثر عمومية لنظرية بطليموس. تنصّ هذه المتباينة على أنه إذا كان لدينا شكل رباعي ABCD ، فإن
حيث تتحقق المساواة إذا وفقط إذا كان الشكل الرباعي دائريًا . هذه الحالة الخاصة مكافئة لنظرية بطليموس.
نظرية ذات صلة بنسبة الأقطار
تنص نظرية بطليموس على حاصل ضرب قطري الشكل الرباعي الدائري بمعرفة أضلاعه. وتعطي النظرية التالية النتيجة نفسها لنسبة قطري الشكل الرباعي الدائري. [ 14 ]
البرهان : من المعروف أن مساحة المثلثمحفور في دائرة نصف قطرهايكون:
بكتابة مساحة الشكل الرباعي كمجموع مثلثين يشتركان في نفس الدائرة المحيطة، نحصل على علاقتين لكل تجزئة.
وبإجراء المعادلة، نحصل على الصيغة المعلنة.
النتيجة : بمعرفة كل من حاصل ضرب ونسبة الأقطار، نستنتج تعبيراتها المباشرة:
انظر أيضاً
ملحوظات
- ↑ ج. بطليموس، المجسطي ، الكتاب الأول، الفصل العاشر.
- ↑ ويلسون، جيم. "نظرية بطليموس". تم التحقق من الرابط بتاريخ 8 أبريل 2009
- ↑ بيرن، مارشال دبليو؛ غراهام، رونالد إل (يناير 1989)، "مشكلة أقصر شبكة" (ملف PDF) ، مجلة ساينتفك أمريكان ، 260 (1): 84-89 ، رمز Bibcode : 1989SciAm.260a..84B ، doi : 10.1038/scientificamerican0189-84 ، JSTOR 24987111
- ^ دي Revolutionibus Orbium Coelestium: صفحة 37 . انظر السطرين الأخيرين من هذه الصفحة. ويشير كوبرنيكوس إلى نظرية بطليموس باسم "النظرية الثانية".
- ↑ تثبت القضية 8 في الكتاب الثالث عشر من كتاب العناصر لإقليدس من خلال المثلثات المتشابهة نفس النتيجة: وهي أن الطول أ (ضلع الخماسي) يقسم الطول ب (الذي يصل بين الرؤوس المتبادلة للخماسي) في "النسبة المتوسطة والقصوى".
- ↑ وبطريقة مماثلة، تثبت القضية 9 في الكتاب الثالث عشر من كتاب العناصر لإقليدس من خلال المثلثات المتشابهة أن الطول c (ضلع المضلع العشري) يقسم نصف القطر في "النسبة المتوسطة والقصوى".
- ↑ يمكن الاطلاع على مقال شيق حول إنشاء خماسي منتظم وتحديد طول ضلعه في المرجع التالي
- ^ دي Revolutionibus Orbium Coelestium: Liber Primus: Theorema Primum
- ↑ W. Derrick, J. Herstein (2012) Proof Without Words: Ptolemy's Theorem, The College Mathematics Journal, v.43, n.5, p. 386.
- ↑ ألسينا، كلاودي؛ نيلسن، روجر ب. (2010)، براهين ساحرة: رحلة في عالم الرياضيات الأنيقة ، سلسلة دولسياني للعروض الرياضية، المجلد 42، الجمعية الرياضية الأمريكية ، ص 112، ISBN 9780883853481.
- في كتابه "حول دوران الأجرام السماوية" ، لم يذكر كوبرنيكوس نظرية فيثاغورس بالاسم، بل استخدم مصطلح "البوريزم" - وهو مصطلح يُشير في هذا السياق تحديدًا إلى ملاحظةٍ حول نظريةٍ أخرى موجودة، أو إلى نتيجةٍ بديهيةٍ لها. ويمكن الاطلاع على "البوريزم" في الصفحتين 36 و37 من كتاب "حول دوران الأجرام السماوية" (نسخة جامعة هارفارد الإلكترونية).
- 1 2 "الجيب، وجيب التمام، ونظرية بطليموس" .
- ↑ لفهم النظرية الثالثة، قارن الرسم التخطيطي لكوبرنيك الموضح في الصفحة 39 من نسخة هارفارد لكتاب "De Revolutionibus" مع الرسم التخطيطي لاشتقاق sin(AB) الموجود فيصفحة الويب المذكورة أعلاه.
- ↑ كلاودي ألسينا، روجر ب. نيلسن: براهين ساحرة: رحلة في عالم الرياضيات الأنيقة . جمعية الرياضيات الأمريكية، 2010، رقم ISBN 9780883853481، الصفحات 112-113
مراجع
- Coxeter, HSM and SL Greitzer (1967) "نظرية بطليموس وامتداداتها." §2.6 في Geometry Revisited ، جمعية الرياضيات الأمريكية ، ص 42-43.
- كوبرنيكوس (1543) في دوران الأجرام السماوية ، الترجمة الإنجليزية موجودة في كتاب على أكتاف العمالقة (2002) الذي حرره ستيفن هوكينج ، دار بنجوين للنشر ، رقم ISBN 0-14-101571-3
- أماراسينغ، جي دبليو آي إس (2013) برهان أولي موجز لنظرية بطليموس ، المجلة العالمية للبحوث المتقدمة في الهندسة الكلاسيكية والحديثة (GJARCMG) 2(1): 20-25 (pdf).
روابط خارجية
- برهان نظرية بطليموس للرباعي الدائري
- صفحات الرياضيات – حول نظرية بطليموس
- إيليرت، جلين (1994). "جدول بطليموس للأوتار" . إي-وورلد .
- نظرية بطليموس في موقع cut-the-knot
- إثبات الزاوية المركبة في قطع العقدة
- متباينة بطليموس على موقع MathWorld
- دي Revolutionibus Orbium Coelestium في جامعة هارفارد.
- أسرار عميقة: الهرم الأكبر، النسبة الذهبية، والذراع الملكي
- نظرية بطليموس بقلم جاي وارندورف، مشروع عروض وولفرام .
- الكتاب الثالث عشر من كتاب أصول إقليدس
- برهان معجزة (نظرية بطليموس) بقلم زفيزديلينا ستانكوفا، على موقع Numberphile.
- نظريات حول الأشكال الرباعية والدوائر
- بطليموس
- الهندسة المستوية الإقليدية
- الرياضيات اليونانية القديمة
