Каким свойствами обладают точки окружности

Что такое окружность?

Окружность — одна из самых важных кривых линий на плоскости, её можно начертить циркулем или даже натянутой верёвкой, если закрепить один из концов верёвки в данной точке. В любом случае расстояние от всех точек окружности до данной закреплённой точки будет одинаково. Эту точку называют центром окружности, а любой отрезок, который соединяет точку на окружности с её центром, называется радиусом. В переводе с латыни слово радиус означает “спица колеса”. Это не удивительно, ведь можно сказать, что окружность — это математическая модель колеса. Если две любые точки окружности соединить отрезком, то получится хорда. Хорда же в переводе с греческого языка означает “струна”. Если хорда проходит через центр окружности, то её называют диаметром и обычно обозначают буквой . Понятно, что длина диаметра окружности должна быть равна двум её радиусам, то есть . Давайте повторим ещё раз.

Определения.

Окружность — это множество всех точек на плоскости, находящихся на одинаковом расстоянии от данной точки.

Радиус окружности — отрезок, соединяющий любую её точку с центром. Все радиусы окружности равны.

Хорда окружности — отрезок, соединяющий две любые её точки.

Диаметр окружности — это хорда, которая проходит через центр окружности.

Свойство диаметра.

Легко доказать, что диаметр окружности — это самая длинная её хорда. Да, и само слово диаметр в переводе означает “поперечник”. В технике измеряют диаметры колёс, труб, винтов и гвоздей и обозначают их таким значком .

Давайте сформулируем данное свойство диаметра как теорему.

Теорема.

Любая хорда окружности не превышает её диаметра.

Доказательство. Возьмём на окружности с центром в точке и радиусом любые две точки и . Если хорда проходит через центр окружности, то по определению она будет её диаметром и равна . Если же хорда не содержит центра окружности, то образуется треугольник . Тогда для него должно выполняться неравенство треугольника: . Значит, в любом случае хорда не может быть больше диаметра окружности. Что и требовалось доказать.

Полезно знать, что в геометрии диаметр можно определить не только для окружности или круга. Он есть у квадрата, треугольника, да и вообще у многих других геометрических фигур. А знаете, что называют диаметром фигуры? Так же, как и у окружности, диаметр фигуры — это самая длинная её хорда.

Определение.

Диаметр геометрической фигуры — это самое большое расстояние между любыми двумя точками этой фигуры.

Что такое круг?

Чем круг отличается от окружности? Каждый человек интуитивно понимает, что круг — это то, что находится “внутри ” окружности. Можно даже сказать, что для окружности круг — это её внутренняя область. Правда, работать с таким определением не очень удобно.

Как же можно удобно определить круг? Предположим, что один фермер выпустил пастись свою козу на луг, а чтобы она далеко не ушла, привязал её к колышку в точке с помощью верёвки длины . В течение дня коза выщипала траву везде, куда она смогла дотянуться. Как выглядит та часть луга, где паслась коза, и где теперь не стало травы?

Ясно, что коза не сможет отойти от колышка, к которому она привязана, дальше чем на длину своей верёвки. И она сможет дотянуться до любого места, которое ближе находится к этому колышку, чем длина её верёвки. Таким образом, коза выщиплет траву внутри круга с центром в точке и радиусом , равным длине её натянутой верёвки. Теперь мы с вами уже можем дать следующее определение.

Определение.

Круг — это множество всех точек плоскости, удалённых от данной точки не более, чем на длину данного отрезка.

Данная точка называется центром круга, а указанный отрезок — радиусом круга.

Круг с центром в точке и радиусом обозначают так: круг .

Разберём несколько примеров решения задач.

Пример 1. В окружности провели две хорды и , равные радиусу этой окружности. Найдите угол .

Решение. Отметим центр данной нам окружности и проведем радиусы в точки , и . Тогда треугольники и будут равносторонними. Значит, их углы и будут равны . Искомый угол равен их сумме, поэтому он будет равен .

Ответ: .

Пример 2. В окружность радиуса вписан квадрат. Найдите площадь этого квадрата.

Решение. Отметим центр данной нам окружности и проведем из него радиусы во все вершины квадрата .

Поскольку у квадрата все стороны равны, а радиусы окружности равны по определению, треугольники , , и будут равны по трём сторонам. Значит, равны все их углы при вершинах в точке . Сумма этих четырёх углов равна , поэтому каждый угол равен .

Запишем теорему Пифагора для треугольника : . Значит, сторона квадрата равна , а его площадь равна квадрату стороны. То есть, она равна .

Ответ: .

Пример 3. В окружность радиуса вписан равносторонний треугольник. Найдите расстояние от центра окружности до стороны этого треугольника.

Решение. Соединим центр окружности с вершинами равностороннего треугольника , который вписан в эту окружность. Поскольку все стороны треугольника равны, а радиусы окружности равны по определению, то равнобедренные треугольники , и будут равны по трём сторонам. Поэтому будут равны шесть углов при основаниях этих треугольников. Обозначим величину каждого из них через и запишем сумму всех углов треугольника : . Откуда .

Расстояние от точки до прямой линии — это длина перпендикуляра, опущенного из этой точки на данную прямую. Давайте опустим из точки перпендикуляр на сторону нашего треугольника и найдём его длину. Треугольник будет прямоугольным, причём его угол при вершине будет равен . Значит, по известному свойству катет против угла равен половине гипотенузы. То есть, .

Ответ: .

Окру́жность — замкнутая плоская кривая, которая состоит из всех точек на плоскости, равноудалённых от заданной точки[1]: эта точка называется центром окружности. Отрезок, соединяющий центр с какой-либо точкой окружности, называется радиусом; радиусом называется также и длина этого отрезка. Окружность разбивает плоскость на две части[2] — конечную внутреннюю и бесконечную внешнюю. Внутренность окружности называется кругом; граничные точки (то есть саму окружность) в зависимости от подхода, круг может включать или не включать.

Практическое построение окружности возможно с помощью циркуля.

Окружность нулевого радиуса (вырожденная окружность) является точкой, далее этот случай исключается из рассмотрения, если не оговорено иное.

Окружность называется единичной, если её радиус равен единице. Единичная окружность является одним из основных объектов тригонометрии.

Далее всюду буква обозначает радиус окружности.

Хорды, дуги и касательные[править | править код]

• Секторы круга

Прямая может иметь с окружностью не более двух общих точек.

Прямая, пересекающая окружность в двух различных точках, называется секущей. Отрезок секущей, расположенный внутри окружности, называется хордой. Хорда, проходящая через центр окружности, называется диаметром; тот же термин используется для его длины. Диаметр вдвое больше радиуса: он делит окружность на две равные части и поэтому является её осью симметрии. Диаметр больше любой другой хорды[3].

Хорда разбивает круг на две части, называемые сегментами круга. Два различных радиуса тоже разбивают круг на две части, называемые секторами круга (см. рисунки)[3].

Любые две несовпадающие точки окружности делят её на две части. Каждая из этих частей называется дугой окружности. Дуга называется полуокружностью, если отрезок, соединяющий её концы, является диаметром.

Для заданной окружности имеют место следующие свойства[3].

• Хорды, равноотстоящие от центра, равны. Обратно, если две хорды равны по длине, то они одинаково удалены от центра.
• Равным хордам соответствуют равные дуги, и наоборот.

Прямая, имеющая с окружностью ровно одну общую точку, называется касательной к окружности, а их общая точка называется точкой касания прямой и окружности. Касательная к окружности всегда перпендикулярна её радиусу (и диаметру), проведенному в точке касания. То есть радиус является одновременно и нормалью к окружности[4].

Отрезки касательных к окружности, проведённых из одной точки, не лежащей на окружности, равны и составляют равные углы с прямой, проходящей через эту точку и центр окружности[5].

Углы[править | править код]

• Вписанный угол θ равен половине величины центрального угла 2θ, опирающегося на ту же самую дугу (розового цвета)

• К расчёту длины дуги и хорды

Центральный угол — угол с вершиной в центре окружности. Вписанный угол — угол, вершина которого лежит на окружности, а стороны пересекают эту окружность. Говорят, что центральный или вписанный углы опираются на дугу, высекаемую на окружности их лучами, или же на хорду, стягивающую эту дугу.

Центральный угол может быть принят как угловая мера дуги, на которую он опирается. Центральный угол, образуемый дугой окружности, равной по длине радиусу, в математике принимается в качестве единицы измерения углов, и называется радиан.

Из определения радиана следует, что длина любой дуги окружности связана с центральным углом , опирающимся на эту дугу, простым соотношением[6]: (при этом длина хорды, стягивающей ту же дугу, равна ). Поскольку длина окружности равна , с ростом угла значение его радианной меры меняется от 0 до

Внешний угол для вписанного угла — угол, образованный одной стороной и продолжением другой стороны вписанного угла (угол θ коричневого цвета на рис.). Внешний угол для вписанного угла равен вписанному углу, опирающемуся на ту же хорду с другой стороны.

Угол между окружностью и прямой — угол между секущей прямой и одной из двух касательных к окружности в точке пересечения прямой и окружности.

Свойства вписанных углов:

• Вписанный угол либо равен половине центрального угла, опирающегося на его дугу, либо дополняет половину этого угла до 180°. Вписанный угол, опирающийся на дугу длиной в половину окружности, всегда прямой (равен 90°).
• Вписанный угол не меняет своей величины при перемещении его вершины вдоль окружности.
• Два вписанных угла, опирающиеся на одну и ту же дугу, равны.

Другие свойства:

• Угол между двумя секущими, проведёнными из точки, лежащей вне окружности, равен полуразности мер дуг, лежащих между секущими.
• Угол между пересекающимися хордами равен полусумме мер дуги, лежащей в угле, и дуги напротив неё.
• Угол между касательной и хордой, имеющими общую точку, равен половине угловой меры дуги, стягиваемой хордой.

Свойства[править | править код]

Формулы[править | править код]

Длина окружности:

Радиус окружности:

Диаметр окружности:

Площадь круга радиуса R:

Площадь сектора, ограниченного центральным углом α, измеряемым в градусах, радиусом R:

Площадь сегмента, ограниченного дугой окружности, центральным углом α, хордой:

История[править | править код]

Окружность, наряду с прямой, является самой распространённой кривой практически во всех областях человеческой деятельности. История её исследования и применения уходит в глубокую древность; особенную важность придало этой теме изобретение колеса. Античные учёные рассматривали прямые и окружности как единственный пример «совершенных» кривых, поэтому в геометрии считались допустимыми только построения с помощью циркуля и линейки, а движение планет моделировалось как наложение вращений по окружностям. Теории окружностей посвящена III книга «Начал» Евклида.

Также в древности было открыто, что отношение длины окружности к её диаметру (число π) одно и то же для всех окружностей. Исторически важной темой многовековых исследований было уточнение этого отношения, а также попытки решить проблему «квадратуры круга». В дальнейшем развитие теории окружностей привело к созданию тригонометрии, теории колебаний и многих других практически важных разделов науки и техники.

Аналитическая геометрия окружностей[править | править код]

С точки зрения аналитической геометрии, окружность является простой плоской алгебраической кривой второго порядка. Окружность является частным случаем эллипса, у которого полуоси равны, и поэтому окружность относится к коническим сечениям.

Декартовы координаты[править | править код]

Общее уравнение окружности записывается как:

или

где

Точка  — центр окружности,  — её радиус.

Уравнение окружности радиуса с центром в начале координат:

Уравнение окружности, проходящей через точки не лежащие на одной прямой (с помощью определителя):

Тогда в явном виде координаты центра окружности определяются по формулам:

Окружность также можно описать с помощью параметрического уравнения:

В декартовой системе координат окружность не является графиком функции, но она может быть описана как объединение графиков двух следующих функций:

Если центр окружности совпадает с началом координат, функции принимают вид:

Полярные координаты[править | править код]

Окружность радиуса с центром в точке :

Если полярные координаты центра окружности то проходящая через начало координат окружность описывается уравнением:

Если же центр является началом координат, то уравнение будет иметь вид

Комплексная плоскость[править | править код]

На комплексной плоскости окружность задаётся формулой:

или в параметрическом виде

Окружности в пространстве[править | править код]

В пространстве окружность радиуса с центром в точке можно определить как контур диаметрального сечения сферы

плоскостью

,

где  — параметры, не равные одновременно нулю; то есть все точки, лежащие на данной окружности, есть решения системы

Например, при решения этой системы можно задать параметрически следующим образом:

Касательные и нормали[править | править код]

Уравнение касательной к окружности в точке определяется уравнением

Уравнение нормали в той же точке можно записать как

Концентрические и ортогональные окружности[править | править код]

Окружности с общим центром, но разными радиусами, называются концентрическими. Две окружности, заданные уравнениями:

являются концентрическими в том и только в том случае, когда и

Две окружности являются ортогональными (то есть пересекающиеся под прямым углом) тогда и только тогда, когда выполняется условие

Дополнительные сведения[править | править код]

Определение треугольников для одной окружности[править | править код]

• Треугольник ABC называется вписанным в окружность (A,B,C), если все три его вершины A, B и C лежат на этой окружности. При этом окружность называется описанной окружностью треугольника ABC (См. Описанная окружность).
• Касательная к окружности, проведенная через любую вершину вписанного в неё треугольника, антипараллельна стороне треугольника, противоположной данной вершине.
• Треугольник ABC называется описанным около окружности (A’,B’,C’), если все три его стороны AB, BC и CA касаются этой окружности в некоторых точках соответственно C’ , A’ и B’ . При этом окружность называется вписанной окружностью треугольника ABC (См. Вписанная окружность).
• Треугольник ABC называется внеописанным для окружности (A’,B’,C’), если все 3 его стороны AB, BC и CA касаются этой окружности в некоторых точках соответственно C’ , A’ и B’ , а именно: одной из 2 сторон касается непосредственно, а также продолжений 2 других сторон за пределы треугольника. При этом окружность называется вневписанной окружностью треугольника ABC (См. Вневписанная окружность).

Варианты определения окружности[править | править код]

• Окружность диаметра AB — это фигура, состоящая из точек A, B и всех точек плоскости, из которых отрезок AB виден под прямым углом (Определение через угол, опирающийся на диаметр окружности).
• Окружность с хордой AB — это фигура, состоящая из точек A, B и всех точек плоскости, из которых отрезок AB виден под постоянным углом с одной стороны, равным вписанному углу дуги AB, и под другим постоянным углом с другой стороны, равным 180 градусов минус вписанный угол дуги AB, указанный выше (Определение через вписанный угол).
• Фигура состоящая из таких точек что отношение длин отрезков AX и BX постоянно: является окружностью (Определение через окружность Аполлония).
• Фигура, состоящая из всех таких точек, для каждой из которых сумма квадратов расстояний до двух данных точек равна заданной величине, большей половины квадрата расстояния между данными точками, также является окружностью (Определение через теорему Пифагора для произвольного прямоугольного треугольника, вписанного в окружность, с гипотенузой, являющейся диаметром окружности).
• Окружность — замкнутая, самонепересекающаяся фигура, обладающая следующим свойством. Если через произвольную точку E внутри неё провести любые хорды AB, CD, GF и т. д., тогда справедливы равенства: (см. рис.). Равенства всегда будут выполняться независимо от выбора точки E и направлений проведенных через неё хорд (Определение через пересекающиеся хорды).

• Окружность — замкнутая, самонепересекающаяся фигура, обладающая следующим свойством. Если через произвольную точку M вне её провести две касательные до точек их касания с окружностью, например, A и B, тогда их длины всегда будут равны: . Равенство всегда будет выполняться независимо от выбора точки M (Определение через равные касательные).
• Окружность — замкнутая, самонепересекающаяся фигура, обладающая следующим свойством. Отношение длины любой её хорды к синусу любого её вписанного угла, опирающегося на эту хорду, есть величина постоянная, равная диаметру этой окружности (Определение через теорему синусов).
• Окружность — это частный случай эллипса, у которого расстояние между фокусами равно нулю (Определение через вырожденный эллипс).
• Окружность есть Синусоидальная спираль при .

Связанные определения для двух окружностей[править | править код]

• Две окружности, имеющие общий центр, называются концентрическими.
• Две окружности, имеющие лишь одну общую точку, называются касающимися внешним образом, если их круги не имеют других общих точек, и внутренним образом, если их круги лежат один внутри другого.
• Две окружности, имеющие две общие точки, называются пересекающимися. Их круги (ими ограниченные) пересекаются по области, называемой двойным круговым сегментом.
• Углом между двумя пересекающимися (или касающимися) окружностями называется угол между их касательными, проведенными в общей точке пересечения (или касания).
• Также углом между двумя пересекающимися (или касающимися) окружностями можно считать угол между их радиусами (диаметрами), проведенными в общей точке пересечения (или касания).
• Поскольку для любой окружности её радиус (или диаметр) и касательная, проведенные через любую точку окружности, взаимно перпендикулярны, то радиус (или диаметр) можно считать нормалью к окружности, построенной в данной её точке. Следовательно, два типа углов, определенных в двух предыдущих двух пунктах, всегда будут равны между собой, как углы со взаимно перпендикуярными сторонами.
• Две окружности, пересекающиеся под прямым углом, называются ортогональными. Окружности можно считать ортогональными, если они образуют прямой угол друг с другом.
• Радикальная ось двух окружностей — геометрическое место точек, степени которых относительно двух заданных окружностей равны. Иными словами, равны длины четырех касательных, проведенных к двум данным окружностям из любой точки M данного геометрического места точек.

Определения углов для двух окружностей[править | править код]

• Угол между двумя пересекающимися окружностями — угол между касательными к окружностям в точке пересечения этих окружностей. Оба угла между двумя пересекающимися окружностями равны.
• Угол между двумя непересекающимися окружностями — угол между двумя общимикасательными к двум окружностям, образуемый в точке пересечения этих двух касательных. Точка пересечения этих двух касательных должна лежать между двумя окружностями, а не со стороны одной из них (этот угол не рассматривается). Оба вертикальных угла между двумя непересекающимися окружностями равны.

Ортогональность (перпендикулярность)[править | править код]

• Две окружности, пересекающиеся под прямым углом, называются ортогональными (перпендикулярными). Окружности можно считать ортогональными, если они образуют прямой угол друг с другом.
• Две пересекающиеся в точках A и B окружности с центрами O и O’ называются ортогональными, если являются прямыми углы OAO’ и OBO’ . Именно это условие гарантирует прямой угол между окружностями. В этом случае перпендикулярны радиусы (нормали) двух окружностей, проведенные в точку их пересечения. Следовательно, перпендикулярны и касательные двух окружностей, проведенные в точку их пересечения. Касательная окружности перпендикулярна радиусу (нормали), проведенному в точку касания. Обычно угол между кривыми — это угол между их касательными, проведенными в точке их пересечения.
• Возможно другое дополнительное условие. Пусть две пересекающиеся в точках A и B окружности имеют середины пресекающихся дуг в точках C и D, то есть дуга AС равна дуге СB, дуга AD равна дуге DB. Тогда эти окружности называются ортогональными, если являются прямыми углы СAD и СBD.
• В теории инверсии вводятся: окружность или прямая, перпендикулярные к окружности . При этом перпендикулярность определяется также, как и выше.
• В теории инверсии прямая перпендикулярна к окружности , если она проходит через центр последней.

Связанные определения для трех окружностей[править | править код]

• Три окружности называются взаимно касающимися (пресекающимися), если любые две из них касаются (пресекаются) друг друга.
• В геометрии радикальный центр трёх окружностей — это точка пересечения трёх радикальных осей пар окружностей. Если радикальный центр лежит вне всех трёх окружностей, то он является центром единственной окружности (радикальной окружности), которая пересекает три данные окружности ортогонально.

Лемма Архимеда[править | править код]

Лемма Архимеда. Если окружность вписана в сегмент окружности, стягиваемый хордой , и касается дуги в точке , а хорды — в точке , то прямая является биссектрисой угла .
Лемма Архимеда играет важную роль при построении изоциркулярного преобразования.

Доказательство

Пусть — гомотетия, переводящая малую окружность в большую. Тогда ясно, что является центром этой гомотетии. Тогда прямая перейдет в какую-то прямую , касающуюся большой окружности, а перейдет в точку на этой прямой и принадлежащей большой окружности. Вспомнив, что гомотетия переводит прямые в параллельные им прямые, понимаем, что . Пусть и — точка на прямой , такая, что — острый, а — такая точка на прямой , что — острый. Тогда, так как — касательная к большой окружности . Следовательно — равнобедренный, а значит , то есть — биссектриса угла .

Теорема Декарта для радиусов четырех попарно касающихся окружностей[править | править код]

Теорема Декарта утверждает, что радиусы любых четырёх взаимно касающихся окружностей удовлетворяют некоторому квадратному уравнению.
Их иногда называют окружностями Содди.

Многомерное обобщение[править | править код]

Обобщённую окружность можно определить для любой математической структуры, где задано понятие расстояния. В частности, обобщением для многомерного евклидова пространства является гиперсфера; в трёхмерном пространстве это обычная сфера. В сферической геометрии важную роль играют окружности на сфере, центр которых совпадает с центром сферы («большие круги»).

См. также[править | править код]

• Глоссарий планиметрии на слово “Окружность”
• Вневписанная окружность
• Вписанная и вневписанные в треугольник окружности
• Вписанные и описанные фигуры для треугольника
• Вписанная окружность
• Категория:Окружности — основные понятия и теоремы для окружностей
• Описанная окружность
• Циклоида

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Атанасян Л. С., Бутузов В. Ф.. и др. Дополнительные главы к учебнику 8 класса // Геометрия. — 3-е издание. — М.: Вита-Пресс, 2003.
• Зайцев В. В., Рыжков В. В., Сканави М. И. Элементарная математика. Повторительный курс. — Издание третье, стереотипное. — М.: Наука, 1976. — 591 с.
• Корн Г., Корн Т. Свойства окружностей, эллипсов, гипербол и парабол // Справочник по математике. — 4-е издание. — М.: Наука, 1978. — С. 70.
• Маркушевич А. И. Замечательные кривые, выпуск 4. — М.: Гостехиздат, 1952. — 32 с. Архивная копия от 14 сентября 2008 на Wayback Machine
• Окружность // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1984. — Т. 4.

Ссылки[править | править код]

• Окружность на www.univer.omsk.su.
• Круг и окружность на сайте Метмат (методика преподавания математики).