مقالة في الهندسة

الدوائر الخارجية للمثلث

أربع دوائر تمسّ الأضلاع الثلاثة، وعلاقات مدهشة بين أنصاف أقطارها

نعرف من المدرسة الدائرة الداخلية: الدائرة الوحيدة داخل المثلث التي تمسّ أضلاعه الثلاثة. لكن إذا نظرنا إلى المستقيمات التي تقع عليها الأضلاع، لا إلى الأضلاع نفسها، نكتشف ثلاث دوائر أخرى تمسّها جميعًا — خارج المثلث. أنصاف أقطار هذه الدوائر الأربع مرتبطة ببعضها، وبمساحة المثلث وبدائرته المحيطة، بعلاقات بسيطة وجميلة.

ثلاثة مستقيمات تقطع بعضها مثنى مثنى (ولا تمرّ بنقطة واحدة) تقسم المستوى إلى سبع مناطق: المثلث نفسه، وثلاث مناطق «مقابل الرؤوس»، وثلاث مناطق «مقابل الأضلاع». في المثلث تقع الدائرة الداخلية. وفي كلّ منطقة من المناطق الثلاث المقابلة للأضلاع توجد أيضًا دائرة تمسّ المستقيمات الثلاثة. هذه هي الدوائر الخارجية للمثلث: كلّ واحدة منها تمسّ ضلعًا واحدًا من الخارج، وتمسّ امتدادَي الضلعين الآخرين.

سنستعمل في المقالة الرموز المعتادة: \(a=BC,\ b=CA,\ c=AB\) أطوال الأضلاع، \(s=\frac{a+b+c}{2}\) نصف المحيط، \(S\) مساحة المثلث، \(r\) نصف قطر الدائرة الداخلية، \(R\) نصف قطر الدائرة المحيطة. ونرمز بـ \(I_a\) و\(r_a\) إلى مركز الدائرة الخارجية المقابلة للرأس \(A\) (التي تمسّ الضلع \(BC\)) ونصف قطرها، وبالمثل \(I_b,r_b\) و\(I_c,r_c\).

المبرهنة

أنصاف أقطار الدوائر الخارجية

لكلّ مثلث ثلاث دوائر خارجية، وأنصاف أقطارها هي

\[\boxed{\;r_a=\frac{S}{s-a},\qquad r_b=\frac{S}{s-b},\qquad r_c=\frac{S}{s-c}\;}\]

وتربطها بالدائرتين الداخلية والمحيطة العلاقتان

\[\frac1r=\frac1{r_a}+\frac1{r_b}+\frac1{r_c},\qquad\qquad r_a+r_b+r_c=4R+r.\]
المثلث \(ABC\) والدائرة الداخلية الصغيرة، والدوائر الخارجية الثلاث ومراكزها \(I_a,I_b,I_c\). كلّ دائرة خارجية تمسّ ضلعًا واحدًا وامتدادَي الضلعين الآخرين (الامتدادات بخطّ متقطّع).
ملاحظة: قارنوا مع صيغة الدائرة الداخلية المعروفة \(r=\frac{S}{s}\). في الدوائر الخارجية يُستبدل \(s\) بـ \(s-a\) أو \(s-b\) أو \(s-c\). وبما أنّ \(s-a<s\)، فكلّ دائرة خارجية أكبر من الدائرة الداخلية — وأكبرها هي المقابلة لأطول ضلع.

جرّبوا بأنفسكم

اسحبوا رؤوس المثلث. الدوائر الخارجية تكبر وتصغر بسرعة (وقد تخرج من الرسم)، لكنّ العلاقتين بين أنصاف الأقطار تبقيان صحيحتين في كلّ وضع.

–\(r_a+r_b+r_c\)
–\(4R+r\)
–\(\frac1r\)
–\(\frac1{r_a}+\frac1{r_b}+\frac1{r_c}\)

لمحة تاريخية

تظهر الدائرة الداخلية والمنصّفات منذ «الأصول» لإقليدس، لكنّ الدوائر الخارجية نالت اهتمامًا خاصًّا في القرن التاسع عشر، حين ازدهرت «هندسة المثلث» واكتُشفت فيه نقاط ودوائر جديدة كثيرة. أشهر النتائج المتعلّقة بها نشرها الرياضيّ الألمانيّ كارل فيلهلم فويرباخ (1800–1834) عام 1822: دائرة النقاط التسع في المثلث تمسّ الدائرة الداخلية وتمسّ الدوائر الخارجية الثلاث. هذه المبرهنة، التي تُعرف اليوم باسم مبرهنة فويرباخ، تُعدّ من أجمل نتائج الهندسة المستوية.

وفي مقالة مبرهنة تشيفا التقينا بالدوائر الخارجية من قبل: القطع التي تصل الرؤوس بنقاط تماسّها مع الأضلاع تلتقي في نقطة واحدة — نقطة ناغل.

البرهان

نبرهن أوّلًا أنّ الدوائر الخارجية موجودة، ثم نحسب أطوال المماسّات، ثم أنصاف الأقطار. يكفي أن نعالج الدائرة المقابلة لـ \(A\)؛ الدائرتان الأخريان بالطريقة نفسها.

الدائرة الخارجية المقابلة لـ \(A\) تمسّ \(BC\) في \(D\)، وامتداد \(AC\) في \(E\)، وامتداد \(AB\) في \(F\). المماسّان من \(A\) طول كلّ منهما يساوي نصف المحيط \(s\).
  1. المركز: منصّفان خارجيّان ومنصّف داخليّ

    النقاط المتساوية البعد عن مستقيمين متقاطعين تقع على منصّفَي الزاويتين بينهما. لنأخذ نقطة تقاطع منصّف الزاوية الخارجية عند \(B\) ومنصّف الزاوية الخارجية عند \(C\)، ونسمّها \(I_a\). بُعدها عن المستقيم \(AB\) يساوي بُعدها عن \(BC\) (لأنّها على منصّف عند \(B\))، وبُعدها عن \(BC\) يساوي بُعدها عن \(CA\) (لأنّها على منصّف عند \(C\)). إذن \(I_a\) متساوية البعد عن المستقيمات الثلاثة، والدائرة التي مركزها \(I_a\) ونصف قطرها هذا البعد تمسّ الثلاثة.

    بما أنّ \(I_a\) متساوية البعد عن \(AB\) و\(AC\) وتقع داخل الزاوية \(A\)، فهي على المنصّف الداخليّ للزاوية \(A\). أي أنّ مركز كلّ دائرة خارجية هو نقطة تلاقي منصّف داخليّ واحد ومنصّفين خارجيّين.

  2. المماسّات من A طولها s

    مماسّان من نقطة واحدة إلى دائرة متساويان. لذا \(BF=BD\) و\(CE=CD\) و\(AF=AE\). نجمع:

    \[AF+AE=(c+BF)+(b+CE)=b+c+BD+DC=a+b+c=2s.\]

    إذن \(AF=AE=s\)، ومن هنا \(BD=BF=s-c\) و\(CD=CE=s-b\).

  3. نصف القطر من المساحة

    نصل \(I_a\) بالرؤوس. المثلث \(ABC\) هو «الرباعي» \(ABI_aC\) مطروحًا منه المثلث \(BI_aC\). ارتفاعات المثلثات \(ABI_a\) و\(ACI_a\) و\(BCI_a\) النازلة من \(I_a\) كلّها تساوي \(r_a\)، لذا

    \[S=S_{ABI_a}+S_{ACI_a}-S_{BCI_a}=\frac{c\,r_a}{2}+\frac{b\,r_a}{2}-\frac{a\,r_a}{2}=r_a\cdot\frac{b+c-a}{2}=r_a(s-a).\]

    ومن هنا \(r_a=\frac{S}{s-a}\). \(\blacksquare\)

  4. مجموع المقلوبات

    من الصيغ الثلاث:

    \[\frac1{r_a}+\frac1{r_b}+\frac1{r_c}=\frac{(s-a)+(s-b)+(s-c)}{S}=\frac{3s-2s}{S}=\frac{s}{S}=\frac1r.\qquad\blacksquare\]

أمّا العلاقة \(r_a+r_b+r_c=4R+r\) فبرهانها أطول، ويعتمد على حساب جبريّ بالصيغة \(R=\frac{abc}{4S}\) وصيغة هيرون. يمكنكم التحقّق منها في المختبر، وفي المثال العدديّ أدناه.

صلات جميلة

مثلث المراكز الخارجية

عند كلّ رأس يتعامد المنصّف الداخليّ والمنصّف الخارجيّ (مجموع الزاويتين اللتين ينصّفانهما \(180^\circ\)، فمجموع نصفيهما \(90^\circ\)). المركزان \(I_b\) و\(I_c\) يقعان كلاهما على المنصّف الخارجيّ عند \(A\)، والمركز \(I_a\) يقع على المنصّف الداخليّ عند \(A\). إذن المستقيم \(AI_a\) عموديّ على الضلع \(I_bI_c\) للمثلث \(I_aI_bI_c\) — أي أنّه ارتفاع فيه!

وبالطريقة نفسها \(BI_b\) و\(CI_c\) ارتفاعان. والارتفاعات الثلاثة هي المنصّفات الداخلية للمثلث \(ABC\)، التي تلتقي في المركز الداخليّ \(I\). النتيجة: المركز الداخليّ للمثلث هو نقطة تلاقي ارتفاعات مثلث المراكز الخارجية، والمثلث \(ABC\) هو «مثلث مواقع الارتفاعات» فيه.

المثلث \(I_aI_bI_c\) (المظلّل). المنصّفات الداخلية للمثلث \(ABC\) هي ارتفاعاته، وتلتقي في \(I\).

برهان لصيغة هيرون

لتمسّ الدائرة الداخلية الضلع \(AB\) في \(F_0\)، ولتمسّ الدائرة الخارجية المقابلة لـ \(A\) امتداد \(AB\) في \(F\) (كما في الرسم الثاني). نعرف أنّ \(AF_0=s-a\) و\(BF_0=s-b\)، و\(AF=s\) و\(BF=s-c\).

  • المثلثان القائمان \(AF_0I\) و\(AFI_a\) متشابهان (الزاوية \(\frac A2\) مشتركة)، لذا \(\frac{r}{r_a}=\frac{s-a}{s}\).
  • المنصّفان الداخليّ والخارجيّ عند \(B\) متعامدان، لذا \(\angle IBF_0+\angle I_aBF=90^\circ\)، والمثلثان القائمان \(IF_0B\) و\(BFI_a\) متشابهان. لذا \(\frac{r}{s-b}=\frac{s-c}{r_a}\)، أي \(r\cdot r_a=(s-b)(s-c)\).

نضرب المساواتين: \(r^2=\frac{(s-a)(s-b)(s-c)}{s}\). وبما أنّ \(S=rs\):

\[S=\sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}\]

— وهذه صيغة هيرون، التي حصلنا عليها من دائرتين فقط وتشابه مثلثات.

مثال عدديّ: المثلث 13–14–15

في المثلث الذي أطوال أضلاعه \(a=14,\ b=15,\ c=13\): نصف المحيط \(s=21\)، ووفق صيغة هيرون \(S=\sqrt{21\cdot7\cdot6\cdot8}=84\). إذن

\[r=\frac{84}{21}=4,\qquad r_a=\frac{84}{7}=12,\qquad r_b=\frac{84}{6}=14,\qquad r_c=\frac{84}{8}=10.5,\qquad R=\frac{abc}{4S}=\frac{2730}{336}=\frac{65}{8}.\]
العلاقةالطرف الأيمنالطرف الأيسر
\(\frac1r=\frac1{r_a}+\frac1{r_b}+\frac1{r_c}\)\(\frac14\)\(\frac1{12}+\frac1{14}+\frac2{21}=\frac{7+6+8}{84}=\frac14\)
\(r_a+r_b+r_c=4R+r\)\(12+14+10.5=36.5\)\(\frac{65}{2}+4=36.5\)
\(r\cdot r_a\cdot r_b\cdot r_c=S^2\)\(4\cdot12\cdot14\cdot10.5=7056\)\(84^2=7056\)

العلاقة الأخيرة صحيحة في كلّ مثلث: \(r\,r_ar_br_c=\frac{S^4}{s(s-a)(s-b)(s-c)}=\frac{S^4}{S^2}=S^2\).

تمرين للقرّاء: المثلث القائم الزاوية

تمرين

في المثلث \(ABC\) الزاوية \(C\) قائمة. برهنوا أنّ

\[r=s-c,\qquad r_a=s-b,\qquad r_b=s-a,\qquad r_c=s,\]

واستنتجوا أنّ \(r_a+r_b+r_c=r+2c\). (تحقّقوا من ذلك في المثلث 3–4–5.)

تلميح

الرأس \(C\) ونقطتا التماسّ على الضلعين القائمين ومركز الدائرة تكوّن مربّعًا — للدائرة الداخلية وللدائرة الخارجية المقابلة لـ \(C\) على حدّ سواء. ما طول المماسّ من \(C\) إلى كلّ منهما؟ وللدائرتين الأخريين استعملوا العلاقة \(r\cdot r_a=(s-b)(s-c)\) من قسم صيغة هيرون.

حلّ كامل (حاولوا وحدكم أولًا!)

الرباعي الذي رؤوسه \(C\)، ونقطتا تماسّ الدائرة الداخلية مع \(CA\) و\(CB\)، والمركز \(I\)، فيه ثلاث زوايا قائمة وضلعان متجاوران متساويان (نصفا قطر) — فهو مربّع. لذا \(r\) يساوي طول المماسّ من \(C\) إلى الدائرة الداخلية، وهو \(s-c\).

وبالطريقة نفسها مع الدائرة الخارجية المقابلة لـ \(C\): طول المماسّ من \(C\) إليها هو \(s\) (الخطوة 2 في البرهان، مع \(C\) بدل \(A\))، لذا \(r_c=s\).

من العلاقة \(r\cdot r_a=(s-b)(s-c)\) ومن \(r=s-c\) نحصل على \(r_a=s-b\)، وبالمثل (\(r\cdot r_b=(s-a)(s-c)\)) \(r_b=s-a\). إذن

\[r_a+r_b+r_c=(s-b)+(s-a)+s=3s-a-b=\frac{a+b+3c}{2}=\frac{a+b-c}{2}+2c=r+2c.\qquad\blacksquare\]

هذا يتّفق مع العلاقة العامّة \(r_a+r_b+r_c=4R+r\): في المثلث القائم الزاوية الوتر قطر في الدائرة المحيطة، لذا \(4R=2c\). وفي المثلث 3–4–5: \(s=6\)، لذا \(r=1,\ r_a=2,\ r_b=3,\ r_c=6\)، والمجموع \(11=1+2\cdot5\).

المراجع

  • K. W. Feuerbach, Eigenschaften einiger merkwürdigen Punkte des geradlinigen Dreiecks, Nürnberg, 1822.
  • R. A. Johnson, Advanced Euclidean Geometry, Dover (reprint of Modern Geometry, 1929).
  • H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer, Geometry Revisited, MAA, 1967, ch. 1.
الأستاذ خالد خطيب · الدوائر الخارجية للمثلث

מאמר בגאומטריה

המעגלים החסומים החיצוניים של משולש

ארבעה מעגלים המשיקים לשלוש הצלעות, וקשרים מפתיעים בין הרדיוסים שלהם

מבית הספר מכירים את המעגל החסום: המעגל היחיד בתוך המשולש המשיק לשלוש צלעותיו. אבל אם מסתכלים על הישרים שעליהם מונחות הצלעות, ולא על הצלעות עצמן, מגלים עוד שלושה מעגלים המשיקים לכולם — מחוץ למשולש. הרדיוסים של ארבעת המעגלים האלה קשורים זה לזה, לשטח המשולש ולמעגל החוסם שלו, בקשרים פשוטים ויפים.

שלושה ישרים הנחתכים זוג־זוג (ואינם עוברים דרך נקודה אחת) מחלקים את המישור לשבעה אזורים: המשולש עצמו, שלושה אזורים "מול הקודקודים", ושלושה אזורים "מול הצלעות". בתוך המשולש נמצא המעגל החסום. וגם בכל אחד משלושת האזורים שמול הצלעות יש מעגל המשיק לשלושת הישרים. אלה הם המעגלים החסומים החיצוניים של המשולש: כל אחד מהם משיק לצלע אחת מבחוץ, ולהמשכיהן של שתי הצלעות האחרות.

במאמר נשתמש בסימונים המקובלים: \(a=BC,\ b=CA,\ c=AB\) אורכי הצלעות, \(s=\frac{a+b+c}{2}\) חצי ההיקף, \(S\) שטח המשולש, \(r\) רדיוס המעגל החסום, \(R\) רדיוס המעגל החוסם. נסמן ב־\(I_a\) וב־\(r_a\) את המרכז והרדיוס של המעגל החיצוני שמול הקודקוד \(A\) (המשיק לצלע \(BC\)), ובאופן דומה \(I_b,r_b\) ו־\(I_c,r_c\).

המשפט

רדיוסי המעגלים החסומים החיצוניים

לכל משולש יש שלושה מעגלים חסומים חיצוניים, והרדיוסים שלהם הם

\[\boxed{\;r_a=\frac{S}{s-a},\qquad r_b=\frac{S}{s-b},\qquad r_c=\frac{S}{s-c}\;}\]

והם קשורים למעגל החסום ולמעגל החוסם בשני הקשרים

\[\frac1r=\frac1{r_a}+\frac1{r_b}+\frac1{r_c},\qquad\qquad r_a+r_b+r_c=4R+r.\]
המשולש \(ABC\) והמעגל החסום הקטן, ושלושת המעגלים החיצוניים ומרכזיהם \(I_a,I_b,I_c\). כל מעגל חיצוני משיק לצלע אחת ולהמשכי שתי הצלעות האחרות (ההמשכים בקו מקווקו).
הערה: השוו לנוסחה המוכרת של המעגל החסום \(r=\frac{S}{s}\). במעגלים החיצוניים \(s\) מוחלף ב־\(s-a\), ב־\(s-b\) או ב־\(s-c\). מכיוון ש־\(s-a<s\), כל מעגל חיצוני גדול מן המעגל החסום — והגדול ביותר הוא זה שמול הצלע הארוכה ביותר.

נסו בעצמכם

גררו את קודקודי המשולש. המעגלים החיצוניים גדלים וקטנים במהירות (ולפעמים יוצאים מן האיור), אבל שני הקשרים בין הרדיוסים נשארים נכונים בכל מצב.

–\(r_a+r_b+r_c\)
–\(4R+r\)
–\(\frac1r\)
–\(\frac1{r_a}+\frac1{r_b}+\frac1{r_c}\)

קצת היסטוריה

המעגל החסום וחוצי הזוויות מופיעים כבר ב"יסודות" של אוקלידס, אבל המעגלים החסומים החיצוניים זכו לתשומת לב מיוחדת במאה התשע־עשרה, כאשר פרחה "גאומטריית המשולש" והתגלו בו נקודות ומעגלים חדשים רבים. התוצאה המפורסמת ביותר הקשורה אליהם פורסמה בידי המתמטיקאי הגרמני קרל וילהלם פוירבך (1800–1834) בשנת 1822: מעגל תשע הנקודות של המשולש משיק למעגל החסום ולשלושת המעגלים החסומים החיצוניים. המשפט הזה, הידוע היום כמשפט פוירבך, נחשב לאחת התוצאות היפות ביותר בגאומטריית המישור.

ובמאמר על משפט צ'בה כבר פגשנו את המעגלים החיצוניים: הקטעים המחברים את הקודקודים עם נקודות ההשקה שלהם בצלעות נפגשים בנקודה אחת — נקודת נאגל.

ההוכחה

נוכיח תחילה שהמעגלים החיצוניים קיימים, אחר כך נחשב את אורכי המשיקים, ולבסוף את הרדיוסים. די לטפל במעגל שמול \(A\); שני האחרים באותו אופן.

המעגל החיצוני שמול \(A\) משיק ל־\(BC\) ב־\(D\), להמשך \(AC\) ב־\(E\), ולהמשך \(AB\) ב־\(F\). כל אחד משני המשיקים מ־\(A\) שווה לחצי ההיקף \(s\).
  1. המרכז: שני חוצי זווית חיצוניים וחוצה זווית פנימי

    הנקודות שמרחקיהן משני ישרים נחתכים שווים נמצאות על חוצי הזוויות שביניהם. ניקח את נקודת החיתוך של חוצה הזווית החיצונית ב־\(B\) וחוצה הזווית החיצונית ב־\(C\), ונקרא לה \(I_a\). מרחקה מן הישר \(AB\) שווה למרחקה מ־\(BC\) (כי היא על חוצה זווית ב־\(B\)), ומרחקה מ־\(BC\) שווה למרחקה מ־\(CA\) (כי היא על חוצה זווית ב־\(C\)). לכן \(I_a\) נמצאת במרחקים שווים משלושת הישרים, והמעגל שמרכזו \(I_a\) ורדיוסו המרחק הזה משיק לשלושתם.

    מכיוון ש־\(I_a\) נמצאת במרחקים שווים מ־\(AB\) ומ־\(AC\) ובתוך הזווית \(A\), היא נמצאת על חוצה הזווית הפנימי של \(A\). כלומר, מרכזו של כל מעגל חיצוני הוא נקודת המפגש של חוצה זווית פנימי אחד ושני חוצי זווית חיצוניים.

  2. המשיקים מ־A אורכם s

    שני משיקים למעגל היוצאים מאותה נקודה שווים. לכן \(BF=BD\), \(CE=CD\) ו־\(AF=AE\). נחבר:

    \[AF+AE=(c+BF)+(b+CE)=b+c+BD+DC=a+b+c=2s.\]

    לכן \(AF=AE=s\), ומכאן \(BD=BF=s-c\) ו־\(CD=CE=s-b\).

  3. הרדיוס מן השטח

    נחבר את \(I_a\) לקודקודים. המשולש \(ABC\) הוא "המרובע" \(ABI_aC\) פחות המשולש \(BI_aC\). הגבהים של המשולשים \(ABI_a\), \(ACI_a\) ו־\(BCI_a\) היוצאים מ־\(I_a\) שווים כולם ל־\(r_a\), לכן

    \[S=S_{ABI_a}+S_{ACI_a}-S_{BCI_a}=\frac{c\,r_a}{2}+\frac{b\,r_a}{2}-\frac{a\,r_a}{2}=r_a\cdot\frac{b+c-a}{2}=r_a(s-a).\]

    ומכאן \(r_a=\frac{S}{s-a}\). \(\blacksquare\)

  4. סכום ההופכיים

    משלוש הנוסחאות:

    \[\frac1{r_a}+\frac1{r_b}+\frac1{r_c}=\frac{(s-a)+(s-b)+(s-c)}{S}=\frac{3s-2s}{S}=\frac{s}{S}=\frac1r.\qquad\blacksquare\]

הקשר \(r_a+r_b+r_c=4R+r\) דורש הוכחה ארוכה יותר, המבוססת על חישוב אלגברי עם הנוסחה \(R=\frac{abc}{4S}\) ועם נוסחת הרון. אפשר לבדוק אותו במעבדה, ובדוגמה המספרית שלהלן.

קשרים יפים

משולש המרכזים החיצוניים

בכל קודקוד חוצה הזווית הפנימי וחוצה הזווית החיצוני מאונכים זה לזה (סכום הזוויות שהם חוצים הוא \(180^\circ\), ולכן סכום מחציותיהן \(90^\circ\)). המרכזים \(I_b\) ו־\(I_c\) נמצאים שניהם על חוצה הזווית החיצוני ב־\(A\), והמרכז \(I_a\) נמצא על חוצה הזווית הפנימי ב־\(A\). לכן הישר \(AI_a\) מאונך לצלע \(I_bI_c\) של המשולש \(I_aI_bI_c\) — כלומר, הוא גובה בו!

באותו אופן \(BI_b\) ו־\(CI_c\) הם גבהים. ושלושת הגבהים הם חוצי הזוויות הפנימיים של המשולש \(ABC\), הנפגשים במרכז המעגל החסום \(I\). המסקנה: מרכז המעגל החסום של המשולש הוא נקודת מפגש הגבהים של משולש המרכזים החיצוניים, והמשולש \(ABC\) הוא "משולש עקבי הגבהים" שלו.

המשולש \(I_aI_bI_c\) (המוצלל). חוצי הזוויות הפנימיים של המשולש \(ABC\) הם הגבהים שלו, והם נפגשים ב־\(I\).

הוכחה לנוסחת הרון

יהי \(F_0\) נקודת ההשקה של המעגל החסום עם הצלע \(AB\), ותהי \(F\) נקודת ההשקה של המעגל החיצוני שמול \(A\) עם המשך \(AB\) (כמו באיור השני). ידוע ש־\(AF_0=s-a\) ו־\(BF_0=s-b\), ו־\(AF=s\) ו־\(BF=s-c\).

  • המשולשים ישרי־הזווית \(AF_0I\) ו־\(AFI_a\) דומים (הזווית \(\frac A2\) משותפת), לכן \(\frac{r}{r_a}=\frac{s-a}{s}\).
  • חוצה הזווית הפנימי וחוצה הזווית החיצוני ב־\(B\) מאונכים, לכן \(\angle IBF_0+\angle I_aBF=90^\circ\), והמשולשים ישרי־הזווית \(IF_0B\) ו־\(BFI_a\) דומים. לכן \(\frac{r}{s-b}=\frac{s-c}{r_a}\), כלומר \(r\cdot r_a=(s-b)(s-c)\).

נכפול את שני השוויונות: \(r^2=\frac{(s-a)(s-b)(s-c)}{s}\). ומכיוון ש־\(S=rs\):

\[S=\sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}\]

— וזו נוסחת הרון, שקיבלנו משני מעגלים ודמיון משולשים בלבד.

דוגמה מספרית: המשולש 13–14–15

במשולש שאורכי צלעותיו \(a=14,\ b=15,\ c=13\): חצי ההיקף \(s=21\), ולפי נוסחת הרון \(S=\sqrt{21\cdot7\cdot6\cdot8}=84\). לכן

\[r=\frac{84}{21}=4,\qquad r_a=\frac{84}{7}=12,\qquad r_b=\frac{84}{6}=14,\qquad r_c=\frac{84}{8}=10.5,\qquad R=\frac{abc}{4S}=\frac{2730}{336}=\frac{65}{8}.\]
הקשראגף שמאלאגף ימין
\(\frac1r=\frac1{r_a}+\frac1{r_b}+\frac1{r_c}\)\(\frac14\)\(\frac1{12}+\frac1{14}+\frac2{21}=\frac{7+6+8}{84}=\frac14\)
\(r_a+r_b+r_c=4R+r\)\(12+14+10.5=36.5\)\(\frac{65}{2}+4=36.5\)
\(r\cdot r_a\cdot r_b\cdot r_c=S^2\)\(4\cdot12\cdot14\cdot10.5=7056\)\(84^2=7056\)

הקשר האחרון נכון בכל משולש: \(r\,r_ar_br_c=\frac{S^4}{s(s-a)(s-b)(s-c)}=\frac{S^4}{S^2}=S^2\).

תרגיל לקוראים: המשולש ישר־הזווית

תרגיל

במשולש \(ABC\) הזווית \(C\) ישרה. הוכיחו ש־

\[r=s-c,\qquad r_a=s-b,\qquad r_b=s-a,\qquad r_c=s,\]

והסיקו ש־\(r_a+r_b+r_c=r+2c\). (בדקו זאת במשולש 3–4–5.)

רמז

הקודקוד \(C\), שתי נקודות ההשקה על הניצבים ומרכז המעגל יוצרים ריבוע — הן עבור המעגל החסום והן עבור המעגל החיצוני שמול \(C\). מה אורך המשיק מ־\(C\) לכל אחד מהם? ולשני המעגלים האחרים השתמשו בקשר \(r\cdot r_a=(s-b)(s-c)\) מן הסעיף על נוסחת הרון.

פתרון מלא (נסו לבד קודם!)

במרובע שקודקודיו \(C\), נקודות ההשקה של המעגל החסום עם \(CA\) ועם \(CB\), והמרכז \(I\), יש שלוש זוויות ישרות ושתי צלעות סמוכות שוות (שני רדיוסים) — ולכן הוא ריבוע. לכן \(r\) שווה לאורך המשיק מ־\(C\) למעגל החסום, שהוא \(s-c\).

באותו אופן עם המעגל החיצוני שמול \(C\): אורך המשיק מ־\(C\) אליו הוא \(s\) (שלב 2 בהוכחה, עם \(C\) במקום \(A\)), ולכן \(r_c=s\).

מן הקשר \(r\cdot r_a=(s-b)(s-c)\) ומ־\(r=s-c\) מקבלים \(r_a=s-b\), ובאופן דומה (\(r\cdot r_b=(s-a)(s-c)\)) \(r_b=s-a\). לכן

\[r_a+r_b+r_c=(s-b)+(s-a)+s=3s-a-b=\frac{a+b+3c}{2}=\frac{a+b-c}{2}+2c=r+2c.\qquad\blacksquare\]

זה מתיישב עם הקשר הכללי \(r_a+r_b+r_c=4R+r\): במשולש ישר־זווית היתר הוא קוטר במעגל החוסם, ולכן \(4R=2c\). ובמשולש 3–4–5: \(s=6\), לכן \(r=1,\ r_a=2,\ r_b=3,\ r_c=6\), והסכום \(11=1+2\cdot5\).

מקורות

  • K. W. Feuerbach, Eigenschaften einiger merkwürdigen Punkte des geradlinigen Dreiecks, Nürnberg, 1822.
  • R. A. Johnson, Advanced Euclidean Geometry, Dover (reprint of Modern Geometry, 1929).
  • H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer, Geometry Revisited, MAA, 1967, ch. 1.
חאלד חטיב · המעגלים החסומים החיצוניים של משולש

A geometry article

The Excircles of a Triangle

Four circles tangent to all three sides, and surprising relations between their radii

From school we know the incircle: the unique circle inside a triangle that touches all three sides. But if we look at the lines on which the sides lie, rather than at the sides themselves, we discover three more circles tangent to all of them — outside the triangle. The radii of these four circles are linked to one another, to the area of the triangle and to its circumcircle, by simple and beautiful relations.

Three lines that meet in pairs (and do not pass through a single point) divide the plane into seven regions: the triangle itself, three regions “opposite the vertices”, and three regions “opposite the sides”. Inside the triangle lies the incircle. And in each of the three regions opposite the sides there is also a circle tangent to all three lines. These are the excircles of the triangle: each one touches one side from outside and the extensions of the other two sides.

Throughout the article we use the usual notation: \(a=BC,\ b=CA,\ c=AB\) for the side lengths, \(s=\frac{a+b+c}{2}\) for the semiperimeter, \(S\) for the area, \(r\) for the inradius and \(R\) for the circumradius. We write \(I_a\) and \(r_a\) for the centre and radius of the excircle opposite vertex \(A\) (the one tangent to side \(BC\)), and similarly \(I_b,r_b\) and \(I_c,r_c\).

The theorem

The radii of the excircles

Every triangle has three excircles, and their radii are

\[\boxed{\;r_a=\frac{S}{s-a},\qquad r_b=\frac{S}{s-b},\qquad r_c=\frac{S}{s-c}\;}\]

They are linked to the incircle and the circumcircle by the two relations

\[\frac1r=\frac1{r_a}+\frac1{r_b}+\frac1{r_c},\qquad\qquad r_a+r_b+r_c=4R+r.\]
Triangle \(ABC\) with its small incircle, and the three excircles with their centres \(I_a,I_b,I_c\). Each excircle touches one side and the extensions of the other two (the extensions are dashed).
Note: compare with the familiar formula for the incircle, \(r=\frac{S}{s}\). For the excircles, \(s\) is replaced by \(s-a\), \(s-b\) or \(s-c\). Since \(s-a<s\), every excircle is larger than the incircle — and the largest is the one opposite the longest side.

Try it yourself

Drag the vertices of the triangle. The excircles grow and shrink quickly (and may leave the picture), but the two relations between the radii stay true in every position.

–\(r_a+r_b+r_c\)
–\(4R+r\)
–\(\frac1r\)
–\(\frac1{r_a}+\frac1{r_b}+\frac1{r_c}\)

A little history

The incircle and the angle bisectors appear as early as Euclid’s Elements, but the excircles received special attention in the nineteenth century, when “triangle geometry” flourished and many new points and circles were discovered in the triangle. The most famous result about them was published by the German mathematician Karl Wilhelm Feuerbach (1800–1834) in 1822: the nine-point circle of a triangle is tangent to the incircle and to all three excircles. This theorem, known today as Feuerbach’s theorem, is counted among the most beautiful results of plane geometry.

And in the article on Ceva’s theorem we have met the excircles already: the segments joining the vertices to the points where the excircles touch the sides meet at a single point — the Nagel point.

The proof

We first prove that the excircles exist, then compute the tangent lengths, and finally the radii. It is enough to treat the excircle opposite \(A\); the other two are handled the same way.

The excircle opposite \(A\) touches \(BC\) at \(D\), the extension of \(AC\) at \(E\), and the extension of \(AB\) at \(F\). The two tangents from \(A\) each have length equal to the semiperimeter \(s\).
  1. The centre: two external bisectors and one internal bisector

    The points equidistant from two intersecting lines lie on the bisectors of the angles between them. Take the intersection of the external angle bisector at \(B\) and the external angle bisector at \(C\), and call it \(I_a\). Its distance from line \(AB\) equals its distance from \(BC\) (since it lies on a bisector at \(B\)), and its distance from \(BC\) equals its distance from \(CA\) (since it lies on a bisector at \(C\)). So \(I_a\) is equidistant from all three lines, and the circle with centre \(I_a\) and that distance as radius is tangent to all three.

    Since \(I_a\) is equidistant from \(AB\) and \(AC\) and lies inside angle \(A\), it lies on the internal bisector of angle \(A\). In other words, the centre of each excircle is the meeting point of one internal bisector and two external bisectors.

  2. The tangents from A have length s

    Two tangents to a circle from the same point are equal. So \(BF=BD\), \(CE=CD\) and \(AF=AE\). Adding:

    \[AF+AE=(c+BF)+(b+CE)=b+c+BD+DC=a+b+c=2s.\]

    Hence \(AF=AE=s\), and therefore \(BD=BF=s-c\) and \(CD=CE=s-b\).

  3. The radius from the area

    Join \(I_a\) to the vertices. Triangle \(ABC\) is the “quadrilateral” \(ABI_aC\) minus triangle \(BI_aC\). The heights of triangles \(ABI_a\), \(ACI_a\) and \(BCI_a\) from \(I_a\) all equal \(r_a\), so

    \[S=S_{ABI_a}+S_{ACI_a}-S_{BCI_a}=\frac{c\,r_a}{2}+\frac{b\,r_a}{2}-\frac{a\,r_a}{2}=r_a\cdot\frac{b+c-a}{2}=r_a(s-a).\]

    Hence \(r_a=\frac{S}{s-a}\). \(\blacksquare\)

  4. The sum of the reciprocals

    From the three formulas:

    \[\frac1{r_a}+\frac1{r_b}+\frac1{r_c}=\frac{(s-a)+(s-b)+(s-c)}{S}=\frac{3s-2s}{S}=\frac{s}{S}=\frac1r.\qquad\blacksquare\]

The relation \(r_a+r_b+r_c=4R+r\) has a longer proof, based on an algebraic computation with the formula \(R=\frac{abc}{4S}\) and Heron’s formula. You can check it in the lab and in the numerical example below.

Beautiful connections

The excentral triangle

At each vertex the internal and external bisectors are perpendicular (the two angles they bisect add up to \(180^\circ\), so their halves add up to \(90^\circ\)). The centres \(I_b\) and \(I_c\) both lie on the external bisector at \(A\), while \(I_a\) lies on the internal bisector at \(A\). So line \(AI_a\) is perpendicular to side \(I_bI_c\) of triangle \(I_aI_bI_c\) — that is, it is an altitude of it!

In the same way \(BI_b\) and \(CI_c\) are altitudes. And the three altitudes are the internal bisectors of triangle \(ABC\), which meet at the incentre \(I\). The conclusion: the incentre of a triangle is the orthocentre of its excentral triangle, and triangle \(ABC\) is the orthic triangle (the triangle of the feet of the altitudes) of that triangle.

Triangle \(I_aI_bI_c\) (shaded). The internal bisectors of triangle \(ABC\) are its altitudes, and they meet at \(I\).

A proof of Heron’s formula

Let the incircle touch side \(AB\) at \(F_0\), and let the excircle opposite \(A\) touch the extension of \(AB\) at \(F\) (as in the second figure). We know that \(AF_0=s-a\) and \(BF_0=s-b\), and that \(AF=s\) and \(BF=s-c\).

  • The right triangles \(AF_0I\) and \(AFI_a\) are similar (they share the angle \(\frac A2\)), so \(\frac{r}{r_a}=\frac{s-a}{s}\).
  • The internal and external bisectors at \(B\) are perpendicular, so \(\angle IBF_0+\angle I_aBF=90^\circ\), and the right triangles \(IF_0B\) and \(BFI_a\) are similar. So \(\frac{r}{s-b}=\frac{s-c}{r_a}\), that is, \(r\cdot r_a=(s-b)(s-c)\).

Multiplying the two equalities: \(r^2=\frac{(s-a)(s-b)(s-c)}{s}\). And since \(S=rs\):

\[S=\sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}\]

— which is Heron’s formula, obtained from just two circles and similar triangles.

A numerical example: the 13–14–15 triangle

In the triangle with sides \(a=14,\ b=15,\ c=13\): the semiperimeter is \(s=21\), and by Heron’s formula \(S=\sqrt{21\cdot7\cdot6\cdot8}=84\). Therefore

\[r=\frac{84}{21}=4,\qquad r_a=\frac{84}{7}=12,\qquad r_b=\frac{84}{6}=14,\qquad r_c=\frac{84}{8}=10.5,\qquad R=\frac{abc}{4S}=\frac{2730}{336}=\frac{65}{8}.\]
RelationLeft-hand sideRight-hand side
\(\frac1r=\frac1{r_a}+\frac1{r_b}+\frac1{r_c}\)\(\frac14\)\(\frac1{12}+\frac1{14}+\frac2{21}=\frac{7+6+8}{84}=\frac14\)
\(r_a+r_b+r_c=4R+r\)\(12+14+10.5=36.5\)\(\frac{65}{2}+4=36.5\)
\(r\cdot r_a\cdot r_b\cdot r_c=S^2\)\(4\cdot12\cdot14\cdot10.5=7056\)\(84^2=7056\)

The last relation holds in every triangle: \(r\,r_ar_br_c=\frac{S^4}{s(s-a)(s-b)(s-c)}=\frac{S^4}{S^2}=S^2\).

A problem for the reader: the right triangle

Exercise

In triangle \(ABC\) the angle \(C\) is a right angle. Prove that

\[r=s-c,\qquad r_a=s-b,\qquad r_b=s-a,\qquad r_c=s,\]

and deduce that \(r_a+r_b+r_c=r+2c\). (Check it on the 3–4–5 triangle.)

Hint

The vertex \(C\), the two points of tangency on the legs, and the centre of the circle form a square — both for the incircle and for the excircle opposite \(C\). What is the length of the tangent from \(C\) to each of them? For the other two circles, use the relation \(r\cdot r_a=(s-b)(s-c)\) from the section on Heron’s formula.

Full solution (try it yourself first!)

The quadrilateral with vertices \(C\), the points where the incircle touches \(CA\) and \(CB\), and the centre \(I\) has three right angles and two equal adjacent sides (two radii) — so it is a square. Hence \(r\) equals the length of the tangent from \(C\) to the incircle, which is \(s-c\).

In the same way with the excircle opposite \(C\): the tangent from \(C\) to it has length \(s\) (step 2 of the proof, with \(C\) in place of \(A\)), so \(r_c=s\).

From the relation \(r\cdot r_a=(s-b)(s-c)\) and \(r=s-c\) we get \(r_a=s-b\), and similarly (\(r\cdot r_b=(s-a)(s-c)\)) \(r_b=s-a\). Therefore

\[r_a+r_b+r_c=(s-b)+(s-a)+s=3s-a-b=\frac{a+b+3c}{2}=\frac{a+b-c}{2}+2c=r+2c.\qquad\blacksquare\]

This agrees with the general relation \(r_a+r_b+r_c=4R+r\): in a right triangle the hypotenuse is a diameter of the circumcircle, so \(4R=2c\). And in the 3–4–5 triangle: \(s=6\), so \(r=1,\ r_a=2,\ r_b=3,\ r_c=6\), and the sum is \(11=1+2\cdot5\).

References

  • K. W. Feuerbach, Eigenschaften einiger merkwürdigen Punkte des geradlinigen Dreiecks, Nürnberg, 1822.
  • R. A. Johnson, Advanced Euclidean Geometry, Dover (reprint of Modern Geometry, 1929).
  • H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer, Geometry Revisited, MAA, 1967, ch. 1.
Khaled Khatib · The Excircles of a Triangle

→ العودة إلى كلّ المقالات