نظرية بطليموس

نظرية بطليموس هي علاقة بين هذه الأطوال في شكل رباعي دائري.أجبد=أبجد+بجأد{\displaystyle \definecolor {V}{rgb}{0.5803921568627451,0,0.8274509803921568}\definecolor {B}{rgb}{0,0,1}\definecolor {R}{rgb}{0.8,0,0}{\color {V}AC}\cdot {\color {V}BD}={\color {B}AB}\cdot {\color {B}CD}+{\color {R}BC}\cdot {\color {R}AD}}

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:

أجبد=أبجد+بجأد{\displaystyle AC\cdot BD=AB\cdot CD+BC\cdot AD}

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

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:

qs=صs+رsq=ص+ر.{\displaystyle qs=ps+rs\Rightarrow q=p+r.}

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 يساويأ{\displaystyle a}إذن، طول القطر يساويأ2{\displaystyle a{\sqrt {2}}}وفقًا لنظرية فيثاغورس ، ومن الواضح أن علاقة بطليموس صحيحة.

المستطيل

نظرية فيثاغورس: "البيان هو" : كوبرنيكوس

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 + .  

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

تنتج النسبة الذهبية من هذا التطبيق لنظرية بطليموس

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

بب=أأ+أبب2-أب=أ2ب2أ2-أبأ2=أ2أ2(بأ)2-بأ+(12)2=1+(12)2(بأ-12)2=54بأ-12=±52بأ>0φ=بأ=1+52{\displaystyle {\begin{array}{rl}b\cdot b\,\;\;\qquad \quad \qquad =&\!\!\!\!a\!\cdot \!a+a\!\cdot \!b\\b^{2}\;\;-ab\quad \qquad =&\!\!a^{2}\\{\frac {b^{2}}{a^{2}}}\;\;-{\frac {ab}{a^{2}}}\;\;\;\qquad =&\!\!\!{\frac {a^{2}}{a^{2}}}\\\left({\frac {b}{a}}\right)^{2}-{\frac {b}{a}}+\left({\frac {1}{2}}\right)^{2}=&\!\!1+\left({\frac (1/2)^2\\\left({\frac {b}{a}}-{\frac {1}{2}}\right)^2=&\!\!\quad {\frac {5}{4}}\\{\frac {b}{a}}-{\frac {1}{2}}\;\;\;=&\!\!\!\!\pm {\frac {\sqrt {5}}{2}}\\{\frac {b}{a}}>0\,\Rightarrow \,\varphi ={\frac {b}{a}}=&\!\!\!\!{\frac {1+{\sqrt {5}}}{2}}\end{array}}}

جانب من عشرة أضلاع

جانب من المضلع العشاري المنقوش

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:

أد=2بج{\displaystyle ad=2bc}
أد=2φأج{\displaystyle \Rightarrow ad=2\varphi ac}أينφ{\displaystyle \varphi }هي النسبة الذهبية.
ج=د2φ.{\displaystyle \Rightarrow c={\frac {d}{2\varphi }}.}[ 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:

أ=بφ=ب(φ-1).{\displaystyle a={\frac {b}{\varphi }}=b\left(\varphi -1\right).}

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

برهان مرئي متحرك لنظرية بطليموس، استنادًا إلى ديريك وهيرستين (2012).

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

البرهان بتشابه المثلثات

طرق إثبات نظرية بطليموس

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 للمسافاتأد،بد،جد{\displaystyle AD,BD,CD}من نقطة ثابتةد{\displaystyle D}إلى رؤوسأبج{\displaystyle \triangle ABC}والأعمدةدأ1،دب1،دج1{\displaystyle DA_{1},DB_{1},DC_{1}}انزلقت إلى الجوانب الثلاثةبج،أج،أب{\displaystyle BC,AC,AB}حيث تمثل أقدام هذه الأعمدة رؤوس مثلثأ1ب1ج1{\displaystyle A_{1}B_{1}C_{1}}، جوانبأ1ب1ج1{\displaystyle \triangle A_{1}B_{1}C_{1}}نكون

ب1ج1=بجأد2R، ج1أ1=أجبد2R، أ1ب1=أبجد2R،(1){\displaystyle B_{1}C_{1}={\frac {BC\cdot AD}{2R}},\ C_{1}A_{1}={\frac {AC\cdot BD}{2R}},\ A_{1}B_{1}={\frac {AB\cdot CD}{2R}},\qquad (1)}

أينR{\displaystyle R}نصف قطر المثلثأبج{\displaystyle ABC}الدائرة المحيطة. ولإثبات ذلك، نطبق قانون الجيب على المثلثاتأج1ب1{\displaystyle AC_{1}B_{1}}،بأ1ج1{\displaystyle BA_{1}C_{1}}،جب1أ1{\displaystyle CB_{1}A_{1}}وكذلك لـأبج{\displaystyle \triangle ABC}نفسها.

في الجزء الثاني، نضع النقطةد{\displaystyle D}على الدائرة المحيطة للحصول على الشكل الرباعي الدائريأبجد{\displaystyle ABCD}والآن، الأقدامأ1،ب1،ج1{\displaystyle A_{1},B_{1},C_{1}}تقع هذه النقاط على خط مستقيم واحد، وتشكل خط سيمسون. وبالتالي،أ1ج1=أ1ب1+ب1ج1{\displaystyle A_{1}C_{1}=A_{1}B_{1}+B_{1}C_{1}}وباستخدام (1) ينتج عنه نظرية بطليموس.

البرهان باستخدام المتطابقات المثلثية

لنفترض أن الزوايا المحيطية المقابلة لـأب{\displaystyle AB}،بج{\displaystyle BC}وجد{\displaystyle CD}على التوالي،α{\displaystyle \alpha }،β{\displaystyle \beta }وγ{\displaystyle \gamma }ويكون نصف قطر الدائرةR{\displaystyle R}ثم لديناأب=2Rالخطيئةα{\displaystyle AB=2R\sin \alpha }،بج=2Rالخطيئةβ{\displaystyle BC=2R\sin \beta }،جد=2Rالخطيئةγ{\displaystyle CD=2R\sin \gamma }،أد=2Rالخطيئة(180-(α+β+γ)){\displaystyle AD=2R\sin(180^{\circ }-(\alpha +\beta +\gamma ))}،أج=2Rالخطيئة(α+β){\displaystyle AC=2R\sin(\alpha +\beta )}وبد=2Rالخطيئة(β+γ){\displaystyle BD=2R\sin(\beta +\gamma )}وتتحول المساواة الأصلية المراد إثباتها إلى

الخطيئة(α+β)الخطيئة(β+γ)=الخطيئةαالخطيئةγ+الخطيئةβالخطيئة(α+β+γ){\displaystyle \sin(\alpha +\beta )\sin(\beta +\gamma )=\sin \alpha \sin \gamma +\sin \beta \sin(\alpha +\beta +\gamma )}

ومنها العامل4R2{\displaystyle 4R^{2}}اختفى بقسمة طرفي المعادلة عليه.

والآن باستخدام صيغ مجموع الزوايا ،الخطيئة(x+y)=الخطيئةxكوسy+كوسxالخطيئةy{\displaystyle \sin(x+y)=\sin {x}\cos y+\cos x\sin y}وكوس(x+y)=كوسxكوسy-الخطيئةxالخطيئةy{\displaystyle \cos(x+y)=\cos x\cos y-\sin x\sin y}من السهل إثبات أن طرفي المعادلة أعلاه متساويان.

الخطيئةαالخطيئةβكوسβكوسγ+الخطيئةαكوس2βالخطيئةγ+كوسαالخطيئة2βكوسγ+كوسαالخطيئةβكوسβالخطيئةγ.{\displaystyle {\begin{aligned}&\sin \alpha \sin \beta \cos \beta \cos \gamma +\sin \alpha \cos ^{2}\beta \sin \gamma \\+{}&\cos \alpha \sin ^{2}\beta \cos \gamma +\cos \alpha \sin \beta \cos \beta \sin \gamma .\نهاية {المحاذاة}}}

QED

إليك برهان آخر، ربما يكون أكثر وضوحًا، باستخدام حساب المثلثات الأساسي. عرّف شكلًا رباعيًا جديدًاأبجد{\displaystyle ABCD'}محفورة في نفس الدائرة، حيثأ،ب،ج{\displaystyle A,B,C}هي نفسها كما فيأبجد{\displaystyle ABCD}، ود{\displaystyle D'}تقع في نقطة جديدة على نفس الدائرة، المحددة بواسطة|أد¯|=|جد¯|{\displaystyle |{\overline {AD'}}|=|{\overline {CD}}|}، |جد¯|=|أد¯|{\displaystyle |{\overline {CD'}}|=|{\overline {AD}}|}(صورة مثلث)أجد{\displaystyle ACD}انقلبت، بحيث أصبح الرأسج{\displaystyle C}ينتقل إلى الرأسأ{\displaystyle A}والرأسأ{\displaystyle A}ينتقل إلى الرأسج{\displaystyle C}. رأسد{\displaystyle D}سيتم الآن تحديد موقعها عند نقطة جديدة D' على الدائرة. ثم،أبجد{\displaystyle ABCD'}له نفس أطوال الحواف، وبالتالي نفس الزوايا المحيطية التي تشكلها الحواف المقابلة، كماأبجد{\displaystyle ABCD}ولكن بترتيب مختلف. أي،α{\displaystyle \alpha }،β{\displaystyle \beta }وγ{\displaystyle \gamma }، على التوالي،أب،بج{\displaystyle AB,BC}وأد{\displaystyle AD'}. أيضًا،أبجد{\displaystyle ABCD}وأبجد{\displaystyle ABCD'}لهم نفس المساحة. ثم،

أرهـأ(أبجد)=12أجبدالخطيئة(α+γ)؛أرهـأ(أبجد)=12أبأدالخطيئة(180-α-γ)+12بججدالخطيئة(α+γ)=12(أبجد+بجأد)الخطيئة(α+γ).{\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Area} (ABCD)&={\frac {1}{2}}AC\cdot BD\cdot \sin(\alpha +\gamma );\\\mathrm {Area} (ABCD')&={\frac {1}{2}}AB\cdot AD'\cdot \sin(180^{\circ }-\alpha -\gamma )+{\frac {1}{2}}BC\cdot CD'\cdot \sin(\alpha +\gamma )\\&={\frac {1}{2}}(AB\cdot CD+BC\cdot AD)\cdot \sin(\alpha +\gamma ).\end{aligned}}}

QED

البرهان بالانعكاس

برهان نظرية بطليموس عن طريق عكس الدائرة

اختر دائرة مساعدةΓ{\displaystyle \Gamma }نصف قطرر{\displaystyle r}مركزها النقطة D، والتي يتم عندها عكس الدائرة المحيطة بالشكل ABCD إلى خط مستقيم (انظر الشكل). ثم أب+بج=أج.{\displaystyle A'B'+B'C'=A'C'.} ثمأب،بج{\displaystyle A'B',B'C'}وأج{\displaystyle A'C'}يمكن التعبير عنها على النحو التالي أبدبدأ{\textstyle {\frac {AB\cdot DB'}{DA}}}،بجدبدج{\textstyle {\frac {BC\cdot DB'}{DC}}}وأجدجدأ{\textstyle {\frac {AC\cdot DC'}{DA}}}على التوالي. ضرب كل حد فيدأدجدب{\textstyle {\frac {DA\cdot DC}{DB'}}}وباستخدامدجدب=دبدج{\textstyle {\frac {DC'}{DB'}}={\frac {DB}{DC}}}ويؤدي 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 المركبج{\displaystyle \mathbb {C} }من خلال تحديدأzأ،...،دzد{\displaystyle A\mapsto z_{A},\ldots ,D\mapsto z_{D}}كأربعة أعداد مركبة متميزةzأ،...،zدج{\displaystyle z_{A},\ldots ,z_{D}\in \mathbb {C} }عرّف النسبة التبادلية

ζ:=(zأ-zب)(zج-zد)(zأ-zد)(zب-zج)ج0{\displaystyle \zeta :={\frac {(z_{A}-z_{B})(z_{C}-z_{D})}{(z_{A}-z_{D})(z_{B}-z_{C})}}\in \mathbb {C} _{\neq 0}} .

ثم

أب¯جد¯+أد¯بج¯=|zأ-zب||zج-zد|+|zأ-zد||zب-zج|=|(zأ-zب)(zج-zد)|+|(zأ-zد)(zب-zج)|=(|(zأ-zب)(zج-zد)(zأ-zد)(zب-zج)|+1)|(zأ-zد)(zب-zج)|=(|ζ|+1)|(zأ-zد)(zب-zج)||(ζ+1)(zأ-zد)(zب-zج)|=|(zأ-zب)(zج-zد)+(zأ-zد)(zب-zج)|=|(zأ-zج)(zب-zد)|=|zأ-zج||zب-zد|=أج¯بد¯{\displaystyle {\begin{aligned}{\overline {AB}}\cdot {\overline {CD}}+{\overline {AD}}\cdot {\overline {BC}}&=\left|z_{A}-z_{B}\right|\left|z_{C}-z_{D}\right|+\left|z_{A}-z_{D}\right|\left|z_{B}-z_{C}\right|\\&=\left|(z_{A}-z_{B})(z_{C}-z_{D})\right|+\left|(z_{A}-z_{D})(z_{B}-z_{C})\right|\\&=\left(\left|{\frac {(z_{A}-z_{B})(z_{C}-z_{D})}{(z_{A}-z_{D})(z_{B}-z_{C})}}\right|+1\right)\left|(z_{A}-z_{D})(z_{B}-z_{C})\right|\\&=\left(\left|\zeta \right|+1\right)\left|(z_{A}-z_{D})(z_{B}-z_{C})\right|\\&\geq \left|(\zeta +1)(z_{A}-z_{D})(z_{B}-z_{C})\right|\\&=\left|(z_{A}-z_{B})(z_{C}-z_{D})+(z_{A}-z_{D})(z_{B}-z_{C})\right|\\&=\left|(z_{A}-z_{C})(z_{B}-z_{D})\right|\\&=\left|z_{A}-z_{C}\right|\left|z_{B}-z_{D}\right|\\&={\overline {AC}}\cdot {\overline {BD}}\end{aligned}}}

مع المساواة إذا وفقط إذا كانت النسبة التبادليةζ{\displaystyle \zeta }هو عدد حقيقي موجب. وهذا يثبت متباينة بطليموس بشكل عام، إذ لم يتبق سوى إثبات أنzأ،...،zد{\displaystyle z_{A},\ldots ,z_{D}}تقع بشكل متتابع على دائرة (ربما ذات نصف قطر لانهائي، أي خط مستقيم) فيج{\displaystyle \mathbb {C} }إذا وفقط إذاζR>0{\displaystyle \zeta \in \mathbb {R} _{>0}}.

من الشكل القطبي للعدد المركبz=|z|هـأناarg(z){\displaystyle z=\vert z\vert e^{i\arg(z)}}ويتبع ذلك

arg(ζ)=arg(zأ-zب)(zج-zد)(zأ-zد)(zب-zج)=arg(zأ-zب)+arg(zج-zد)-arg(zأ-zد)-arg(zب-zج)(تعديل2π)=arg(zأ-zب)+arg(zج-zد)-arg(zأ-zد)-arg(zج-zب)-arg(-1)(تعديل2π)=-[arg(zج-zب)-arg(zأ-zب)]-[arg(zأ-zد)-arg(zج-zد)]-arg(-1)(تعديل2π)=-أبج-جدأ-π(تعديل2π)=0{\displaystyle {\begin{aligned}\arg(\zeta )&=\arg {\frac {(z_{A}-z_{B})(z_{C}-z_{D})}{(z_{A}-z_{D})(z_{B}-z_{C})}}\\&=\arg(z_{A}-z_{B})+\arg(z_{C}-z_{D})-\arg(z_{A}-z_{D})-\arg(z_{B}-z_{C}){\pmod {2\pi }}\\&=\arg(z_{A}-z_{B})+\arg(z_{C}-z_{D})-\arg(z_{A}-z_{D})-\arg(z_{C}-z_{B})-\arg(-1){\pmod {2\pi }}\\&=-\left[\arg(z_{C}-z_{B})-\arg(z_{A}-z_{B})\right]-\left[\arg(z_{A}-z_{D})-\arg(z_{C}-z_{D})\right]-\arg(-1){\pmod {2\pi }}\\&=-\angle ABC-\angle CDA-\pi {\pmod {2\pi }}\\&=0\end{aligned}}}

وتتحقق المساواة الأخيرة إذا وفقط إذا كان الشكل الرباعي ABCD دائريًا، لأن الشكل الرباعي يكون دائريًا إذا وفقط إذا كان مجموع الزوايا المتقابلة يساويπ{\displaystyle \pi }.

QED

لاحظ أن هذا البرهان يتم بشكل مكافئ من خلال ملاحظة أن دورية ABCD، أي التكامليةأبج{\displaystyle \angle ABC}وجدأ{\displaystyle \angle CDA}، وهو ما يعادل الشرط

arg[(zأ-zب)(zج-zد)]=arg[(zأ-zد)(zب-zج)]=arg[(zأ-zج)(zب-zد)](تعديل2π){\displaystyle \arg \left[(z_{A}-z_{B})(z_{C}-z_{D})\right]=\arg \left[(z_{A}-z_{D})(z_{B}-z_{C})\right]=\arg \left[(z_{A}-z_{C})(z_{B}-z_{D})\right]{\pmod {2\pi }}}؛

وعلى وجه الخصوص، هناك دوران لـج{\displaystyle \mathbb {C} }في هذاarg{\displaystyle \arg }يساوي صفرًا (أي أن جميع نواتج الضرب الثلاثة أعداد حقيقية موجبة)، وبموجب نظرية بطليموس

أب¯جد¯+أد¯بج¯=أج¯بد¯{\displaystyle {\overline {AB}}\cdot {\overline {CD}}+{\overline {AD}}\cdot {\overline {BC}}={\overline {AC}}\cdot {\overline {BD}}}

ثم يتم إثبات ذلك مباشرة من المتطابقة الجبرية البسيطة

(zأ-zب)(zج-zد)+(zأ-zد)(zب-zج)=(zأ-zج)(zب-zد).{\displaystyle (z_{A}-z_{B})(z_{C}-z_{D})+(z_{A}-z_{D})(z_{B}-z_{C})=(z_{A}-z_{C})(z_{B}-z_{D}).}

النتائج المترتبة

|S1|=الخطيئة(θ1){\displaystyle |S_{1}|=\sin(\theta _{1})}
النتيجة 1: نظرية فيثاغورس

في حالة دائرة قطرها وحدة واحدة، تكون الجوانبS1،S2،S3،S4{\displaystyle S_{1},S_{2},S_{3},S_{4}}تكون قيم أي شكل رباعي دائري ABCD مساوية عدديًا لجيوب زواياه.θ1،θ2،θ3{\displaystyle \theta _{1},\theta _{2},\theta _{3}}وθ4{\displaystyle \theta _{4}}والتي تُقابلها (انظر قانون الجيب ). وبالمثل، فإن الأقطار تساوي جيب مجموع أي زوج من الزوايا التي تُقابلها. يمكننا إذن كتابة نظرية بطليموس بالصيغة المثلثية التالية:

الخطيئةθ1الخطيئةθ3+الخطيئةθ2الخطيئةθ4=الخطيئة(θ1+θ2)الخطيئة(θ1+θ4){\displaystyle \sin \theta _{1}\sin \theta _{3}+\sin \theta _{2}\sin \theta _{4}=\sin(\theta _{1}+\theta _{2})\sin(\theta _{1}+\theta _{4})}

تطبيق شروط معينة على الزوايا المقابلةθ1،θ2،θ3{\displaystyle \theta _{1},\theta _{2},\theta _{3}}وθ4{\displaystyle \theta _{4}}من الممكن استخلاص عدد من النتائج المهمة باستخدام ما سبق كنقطة انطلاق. وفيما يلي، من المهم أن نضع في اعتبارنا أن مجموع الزواياθ1+θ2+θ3+θ4=180{\displaystyle \theta _{1}+\theta _{2}+\theta _{3}+\theta _{4}=180^{\circ }}.

النتيجة 1. نظرية فيثاغورس

يتركθ1=θ3{\displaystyle \theta _{1}=\theta _{3}}وθ2=θ4{\displaystyle \theta _{2}=\theta _{4}}. ثمθ1+θ2=θ3+θ4=90{\displaystyle \theta _{1}+\theta _{2}=\theta _{3}+\theta _{4}=90^{\circ }} (بما أن الزوايا المتقابلة في الشكل الرباعي الدائري متكاملة). إذن: [ 11 ]

الخطيئةθ1الخطيئةθ3+الخطيئةθ2الخطيئةθ4=الخطيئة(θ1+θ2)الخطيئة(θ1+θ4){\displaystyle \sin \theta _{1}\sin \theta _{3}+\sin \theta _{2}\sin \theta _{4}=\sin(\theta _{1}+\theta _{2})\sin(\theta _{1}+\theta _{4})}
الخطيئة2θ1+الخطيئة2θ2=الخطيئة2(θ1+θ2){\displaystyle \sin ^{2}\theta _{1}+\sin ^{2}\theta _{2}=\sin ^{2}(\theta _{1}+\theta _{2})}
الخطيئة2θ1+كوس2θ1=1{\displaystyle \sin ^{2}\theta _{1}+\cos ^{2}\theta _{1}=1}

النتيجة الثانية: قانون جيب التمام

النتيجة الثانية: قانون جيب التمام

يتركθ2=θ4{\displaystyle \theta _{2}=\theta _{4}}يصبح المستطيل المذكور في النتيجة 1 شبه منحرف متناظر ذو قطرين متساويين وضلعين متساويين. ويختلف طول الضلعين المتوازيين بمقدار2x{\displaystyle 2x}الوحدات حيث:

x=S2كوس(θ2+θ3){\displaystyle x=S_{2}\cos(\theta _{2}+\theta _{3})}

سيكون من الأسهل في هذه الحالة الرجوع إلى الصيغة القياسية لنظرية بطليموس:

S1S3+S2S4=أج¯بد¯S1S3+S22=أج¯2S1[S1-2S2كوس(θ2+θ3)]+S22=أج¯2S12+S22-2S1S2كوس(θ2+θ3)=أج¯2{\displaystyle {\begin{array}{lcl}S_{1}S_{3}+S_{2}S_{4}={\overline {AC}}\cdot {\overline {BD}}\\\Rightarrow S_{1}S_{3}+{S_{2}}^{2}={\overline {AC}}^{2}\\\Rightarrow S_{1}[S_{1}-2S_{2}\cos(\theta _{2}+\theta _{3})]+{S_{2}}^{2}={\overline {AC}}^{2}\\\Rightarrow {S_{1}}^{2}+{S_{2}}^{2}-2S_{1}S_{2}\cos(\theta _{2}+\theta _{3})={\overline {AC}}^{2}\\\end{array}}}

قاعدة جيب التمام للمثلث ABC.

النتيجة 3. جيب الزاوية المركبة (+)

يترك

θ1+θ2=θ3+θ4=90.{\displaystyle \theta _{1}+\theta _{2}=\theta _{3}+\theta _{4}=90^{\circ }.}

ثم

الخطيئةθ1الخطيئةθ3+الخطيئةθ2الخطيئةθ4=الخطيئة(θ3+θ2)الخطيئة(θ3+θ4){\displaystyle \sin \theta _{1}\sin \theta _{3}+\sin \theta _{2}\sin \theta _{4}=\sin(\theta _{3}+\theta _{2})\sin(\theta _{3}+\theta _{4})}

لذلك،

كوسθ2الخطيئةθ3+الخطيئةθ2كوسθ3=الخطيئة(θ3+θ2)×1{\displaystyle \cos \theta _{2}\sin \theta _{3}+\sin \theta _{2}\cos \theta _{3}=\sin(\theta _{3}+\theta _{2})\times 1}

صيغة جيب الزاوية المركبة (+). [ 12 ]

النتيجة الرابعة: جيب الزاوية المركبة (−)

يتركθ1=90{\displaystyle \theta _{1}=90^{\circ }}. ثمθ2+(θ3+θ4)=90{\displaystyle \theta _{2}+(\theta _{3}+\theta _{4})=90^{\circ }}. لذلك،

الخطيئةθ1الخطيئةθ3+الخطيئةθ2الخطيئةθ4=الخطيئة(θ3+θ2)الخطيئة(θ3+θ4){\displaystyle \sin \theta _{1}\sin \theta _{3}+\sin \theta _{2}\sin \theta _{4}=\sin(\theta _{3}+\theta _{2})\sin(\theta _{3}+\theta _{4})}
الخطيئةθ3+الخطيئةθ2كوس(θ2+θ3)=الخطيئة(θ3+θ2)كوسθ2{\displaystyle \sin \theta _{3}+\sin \theta _{2}\cos(\theta _{2}+\theta _{3})=\sin(\theta _{3}+\theta _{2})\cos \theta _{2}}
الخطيئةθ3=الخطيئة(θ3+θ2)كوسθ2-كوس(θ2+θ3)الخطيئةθ2{\displaystyle \sin \theta _{3}=\sin(\theta _{3}+\theta _{2})\cos \theta _{2}-\cos(\theta _{2}+\theta _{3})\sin \theta _{2}}

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.

يتركθ3=90{\displaystyle \theta _{3}=90^{\circ }}. ثمθ1+(θ2+θ4)=90{\displaystyle \theta _{1}+(\theta _{2}+\theta _{4})=90^{\circ }}. لذلك

الخطيئةθ1الخطيئةθ3+الخطيئةθ2الخطيئةθ4=الخطيئة(θ3+θ2)الخطيئة(θ3+θ4){\displaystyle \sin \theta _{1}\sin \theta _{3}+\sin \theta _{2}\sin \theta _{4}=\sin(\theta _{3}+\theta _{2})\sin(\theta _{3}+\theta _{4})}
كوس(θ2+θ4)+الخطيئةθ2الخطيئةθ4=كوسθ2كوسθ4{\displaystyle \cos(\theta _{2}+\theta _{4})+\sin \theta _{2}\sin \theta _{4}=\cos \theta _{2}\cos \theta _{4}}
كوس(θ2+θ4)=كوسθ2كوسθ4-الخطيئةθ2الخطيئةθ4{\displaystyle \cos(\theta _{2}+\theta _{4})=\cos \theta _{2}\cos \theta _{4}-\sin \theta _{2}\sin \theta _{4}}

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

هذا ليس شكلاً رباعياً دائرياً. لا تتحقق المساواة هنا أبداً، بل يكون الشكل غير متساوٍ في الاتجاه الذي تشير إليه متباينة 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

أب¯جد¯+بج¯دأ¯أج¯بد¯{\displaystyle {\overline {AB}}\cdot {\overline {CD}}+{\overline {BC}}\cdot {\overline {DA}}\geq {\overline {AC}}\cdot {\overline {BD}}}

حيث تتحقق المساواة إذا وفقط إذا كان الشكل الرباعي دائريًا . هذه الحالة الخاصة مكافئة لنظرية بطليموس.

تنص نظرية بطليموس على حاصل ضرب قطري الشكل الرباعي الدائري بمعرفة أضلاعه. وتعطي النظرية التالية النتيجة نفسها لنسبة قطري الشكل الرباعي الدائري. [ 14 ]

أجبد=أبدأ+بججدأببج+دأجد{\displaystyle {\frac {AC}{BD}}={\frac {AB\cdot DA+BC\cdot CD}{AB\cdot BC+DA\cdot CD}}}

البرهان : من المعروف أن مساحة المثلثأبج{\displaystyle ABC}محفور في دائرة نصف قطرهاR{\displaystyle R}يكون:أ=أببججأ4R{\displaystyle {\mathcal {A}}={\frac {AB\cdot BC\cdot CA}{4R}}}

بكتابة مساحة الشكل الرباعي كمجموع مثلثين يشتركان في نفس الدائرة المحيطة، نحصل على علاقتين لكل تجزئة.

أطفل صغير=أببججأ4R+جددأأج4R=أج(أببج+جددأ)4R{\displaystyle {\mathcal {A}}_{\text{tot}}={\frac {AB\cdot BC\cdot CA}{4R}}+{\frac {CD\cdot DA\cdot AC}{4R}}={\frac {AC\cdot (AB\cdot BC+CD\cdot DA)}{4R}}}
أطفل صغير=أببددأ4R+بججددب4R=بد(أبدأ+بججد)4R{\displaystyle {\mathcal {A}}_{\text{tot}}={\frac {AB\cdot BD\cdot DA}{4R}}+{\frac {BC\cdot CD\cdot DB}{4R}}={\frac {BD\cdot (AB\cdot DA+BC\cdot CD)}{4R}}}

وبإجراء المعادلة، نحصل على الصيغة المعلنة.

النتيجة : بمعرفة كل من حاصل ضرب ونسبة الأقطار، نستنتج تعبيراتها المباشرة:

أج2=أجبدأجبد=(أبجد+بجدأ)أبدأ+بججدأببج+دأجدبد2=أجبدأجبد=(أبجد+بجدأ)أببج+دأجدأبدأ+بججد{\displaystyle {\begin{aligned}AC^{2}&=AC\cdot BD\cdot {\frac {AC}{BD}}=(AB\cdot CD+BC\cdot DA){\frac {AB\cdot DA+BC\cdot CD}{AB\cdot BC+DA\cdot CD}}\\[8pt]BD^{2}&={\frac {AC\cdot BD}{\frac {AC}{BD}}}=(AB\cdot CD+BC\cdot DA){\frac {AB\cdot BC+DA\cdot CD}{AB\cdot DA+BC\cdot CD}}\end{aligned}}}

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ج. بطليموس، المجسطي ، الكتاب الأول، الفصل العاشر.
  2. ويلسون، جيم. "نظرية بطليموس". تم التحقق من الرابط بتاريخ 8 أبريل 2009
  3. 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 
  4. ^ دي Revolutionibus Orbium Coelestium: صفحة 37 . انظر السطرين الأخيرين من هذه الصفحة. ويشير كوبرنيكوس إلى نظرية بطليموس باسم "النظرية الثانية".
  5. 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".
  6. 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".
  7. يمكن الاطلاع على مقال شيق حول إنشاء خماسي منتظم وتحديد طول ضلعه في المرجع التالي
  8. ^ دي Revolutionibus Orbium Coelestium: Liber Primus: Theorema Primum
  9. W. Derrick, J. Herstein (2012) Proof Without Words: Ptolemy's Theorem, The College Mathematics Journal, v.43, n.5, p. 386.
  10. 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.
  11. 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).
  12. 1 2 "الجيب، وجيب التمام، ونظرية بطليموس" .
  13. 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.
  14. كلاودي ألسينا، روجر ب. نيلسن: براهين ساحرة: رحلة في عالم الرياضيات الأنيقة . جمعية الرياضيات الأمريكية، 2010، رقم ISBN 9780883853481، الصفحات 112-113

مراجع