凱西定理

凱西定理

在數學中,凱西定理(Casey's theorem),也稱為廣義托勒密定理,是歐幾里德幾何中以愛爾蘭數學家 John Casey命名的定理。凱西定理及其反演可用於證明歐幾里德幾何中的各種陳述。

定理內容

凱西定理 凱西定理
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設 是一個半徑為 的圓, 是(按此順序)位於內部的四個不相交的圓圈, 和它相切, 表示圓 外部共同點的長度,然後 :

凱西定理 凱西定理

請注意,所有四個圓都減少到點情況下,這正是托勒密定理。

圖1.凱西定理 圖1.凱西定理

證明

凱西定理 凱西定理
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半徑為 的圓 與圓 相切於點 ,用符號 表示圓的中心,畢達哥拉斯定理表示如下:

凱西定理 凱西定理
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用點 來表示長度 。由三角形 的餘弦定律,

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因為圓 相切:

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設 成為圓 上的一個點,根據三角形 的正弦定律:

凱西定理 凱西定理

因此,

凱西定理 凱西定理

代入上述公式:

凱西定理 凱西定理
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最後,求得長度

凱西定理 凱西定理
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現在可以評估等式左側,藉助於原始托勒密定理套用於內切四邊形 :

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進一步概括

可以看出,四個圓圈不必位於大圓圈內。事實上,它們也可能與外界相切。在這種情況下,應做出以下改變:

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(1)如果都是從同一側切線(無論是在圓內還是在圓外),是外部公切線的長度;

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(2)如果從不同的側面切線,是內部公切線的長度。

凱西定理的放過來也成立,即,如果等式成立,則圓圈與公共圓相切。

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