مقالة في الهندسة

دائرة النقاط التسع

تسع نقاط، ودائرة واحدة، ومبرهنة فويرباخ

ثلاث نقاط ليست على مستقيم واحد تمرّ بها دائمًا دائرة. أمّا أن تقع أربع نقاط على دائرة واحدة فهذا يحتاج إلى سبب. ففي كلّ مثلث توجد تسع نقاط تُعرَّف بثلاث طرق مختلفة — ومع ذلك تقع كلّها على دائرة واحدة. وكأنّ هذا لا يكفي، فهذه الدائرة تمسّ الدائرة الداخلية للمثلث والدوائر الخارجية الثلاث.

لنأخذ مثلثًا \(ABC\)، ولتكن \(H\) نقطة تلاقي ارتفاعاته. نرسم ثلاث مجموعات من النقاط، ثلاث نقاط في كلّ مجموعة:

  • منتصفات الأضلاع \(M_a,\ M_b,\ M_c\) (منتصفات \(BC,\ CA,\ AB\)).
  • مواقع الارتفاعات \(F_a,\ F_b,\ F_c\) — النقاط التي تلتقي فيها الارتفاعات بالأضلاع (أو بامتداداتها).
  • منتصفات القطع \(AH,\ BH,\ CH\)، ونرمز إليها بـ \(E_a,\ E_b,\ E_c\) (تُسمّى أحيانًا «نقاط أويلر»).

المجموعة الأولى تتعلّق بالأضلاع فقط، والثانية بالتعامد، والثالثة بنقطة داخلية خاصّة. لا يوجد سبب ظاهر لأن تجتمع.

المبرهنة

دائرة النقاط التسع

في كلّ مثلث، تقع النقاط التسع

\[M_a,M_b,M_c,\qquad F_a,F_b,F_c,\qquad E_a,E_b,E_c\]

على دائرة واحدة. مركزها \(N\) هو منتصف القطعة \(OH\) (حيث \(O\) مركز الدائرة المحيطة)، ونصف قطرها \(\rho\) يساوي نصف نصف قطر الدائرة المحيطة \(R\):

\[\boxed{\;\rho=\frac R2\;}\]
بالأزرق — منتصفات الأضلاع؛ بالأخضر — مواقع الارتفاعات؛ بالبرتقالي — منتصفات القطع من الرؤوس إلى \(H\). التسع كلّها على الدائرة الزرقاء التي مركزها \(N\).
ملاحظة: بما أنّ \(N\) منتصف \(OH\)، فهي تقع على مستقيم أويلر للمثلث، بين مركز الدائرة المحيطة ونقطة تلاقي الارتفاعات. وفي المثلث المتساوي الأضلاع تنطبق مواقع الارتفاعات على منتصفات الأضلاع، فيبقى ستّ نقاط مختلفة فقط — والدائرة هي الدائرة الداخلية نفسها.

جرّبوا بأنفسكم

اسحبوا الرؤوس. نقيس بعد كلّ واحدة من النقاط التسع عن \(N\): أصغر بعد وأكبر بعد متساويان دائمًا — ويساويان نصف \(R\). جرّبوا مثلثًا منفرج الزاوية أيضًا.

–\(R\)
–\(R/2\)
–أصغر بعد عن \(N\)
–أكبر بعد عن \(N\)

لمحة تاريخية

نُشرت أوّل برهنة كاملة لوقوع النقاط التسع على دائرة واحدة عام 1821، في بحث مشترك للرياضيّين الفرنسيّين شارل جوليان بريانشون وجان فيكتور بونسليه، في مجلّة Annales de Mathématiques التي كان يحرّرها جوزيف جيرغون.

وبعد سنة واحدة فقط، عام 1822، نشر المعلّم الألمانيّ الشابّ كارل فيلهلم فويرباخ (1800–1834) كتيّبًا عن «خصائص بعض النقاط المميّزة في المثلث المستقيم الأضلاع»، برهن فيه من جديد أنّ منتصفات الأضلاع ومواقع الارتفاعات تقع على دائرة واحدة، وأضاف اكتشافًا مذهلًا: هذه الدائرة تمسّ الدائرة الداخلية والدوائر الخارجية الثلاث. لذلك تُسمّى الدائرة في البلدان الناطقة بالألمانية «دائرة فويرباخ». (وكارل فيلهلم هو شقيق الفيلسوف المعروف لودفيغ فويرباخ.)

برهان بمستطيلين

نحتاج إلى أداتين فقط: القطعة المتوسطة في المثلث (القطعة التي تصل منتصفَي ضلعين توازي الضلع الثالث وطولها نصفه)، والحقيقة أنّ قطرَي المستطيل متساويان وينصّف كلّ منهما الآخر، لذا تقع رؤوس المستطيل الأربعة على دائرة قطرها أحد القطرين.

المستطيل \(M_bM_cE_bE_c\) والمستطيل \(M_aM_bE_aE_b\). لهما قطر مشترك: \(M_bE_b\).
  1. المستطيل الأوّل

    في المثلث \(ABC\): \(M_bM_c\parallel BC\). وفي المثلث \(HBC\) (حيث \(E_b,E_c\) منتصفا \(HB,HC\)): \(E_bE_c\parallel BC\). وفي المثلث \(ABH\): \(M_cE_b\parallel AH\)، وفي المثلث \(ACH\): \(M_bE_c\parallel AH\).

    لكنّ \(AH\perp BC\) (لأنّ \(AH\) جزء من الارتفاع). إذن الرباعيّ \(M_bM_cE_bE_c\) ضلعان متقابلان فيه يوازيان \(BC\) والضلعان الآخران يوازيان \(AH\) — فهو مستطيل، وقطراه \(M_bE_b\) و\(M_cE_c\).

  2. المستطيل الثاني

    بالطريقة نفسها، مع الضلع \(AB\) والقطعة \(CH\) العمودية عليه: \(M_aM_b\parallel AB\parallel E_aE_b\)، و\(M_bE_a\parallel CH\parallel M_aE_b\). إذن \(M_aM_bE_aE_b\) مستطيل أيضًا، وقطراه \(M_aE_a\) و\(M_bE_b\).

  3. ستّ نقاط على دائرة

    للمستطيلين قطر مشترك: \(M_bE_b\). لتكن \(\omega\) الدائرة التي قطرها \(M_bE_b\). رؤوس المستطيل الأوّل الأربعة عليها، وكذلك رؤوس المستطيل الثاني. إذن النقاط الستّ \(M_a,M_b,M_c,E_a,E_b,E_c\) على \(\omega\)، والقطع الثلاث \(M_aE_a,\ M_bE_b,\ M_cE_c\) كلّها أقطار فيها.

  4. مواقع الارتفاعات

    الموقع \(F_a\) يقع على \(BC\) (الذي عليه \(M_a\)) وعلى الارتفاع \(AH\) (الذي عليه \(E_a\))، والمستقيمان متعامدان. لذا \(\angle M_aF_aE_a=90^\circ\): النقطة \(F_a\) ترى القطر \(M_aE_a\) بزاوية قائمة، فهي على \(\omega\). (إذا انطبقت \(F_a\) على \(M_a\) فلا شيء لنبرهنه.) وبالمثل \(F_b\) و\(F_c\). إذن النقاط التسع كلّها على \(\omega\). \(\blacksquare\)

المركز ونصف القطر

المركز \(N\) هو منتصف القطر \(M_aE_a\). في مقالة مستقيم أويلر برهنّا أنّ \(\overrightarrow{AH}=2\,\overrightarrow{OM_a}\). لذا \(\overrightarrow{AE_a}=\frac12\overrightarrow{AH}=\overrightarrow{OM_a}\)، والرباعيّ \(AE_aM_aO\) متوازي أضلاع. ينتج أمران:

  • الضلعان المتقابلان \(E_aM_a\) و\(AO\) متساويان: \(E_aM_a=AO=R\)، أي أنّ قطر الدائرة \(R\) ونصف قطرها \(\frac R2\).
  • بطريقة المتّجهات (الأصل في \(O\)، و\(\overrightarrow{OH}=\vec a+\vec b+\vec c\)): \(\overrightarrow{ON}=\frac12\big(\overrightarrow{OE_a}+\overrightarrow{OM_a}\big)=\frac12\Big(\frac{\vec a+\vec h}{2}+\frac{\vec b+\vec c}{2}\Big)=\frac{\vec h}{2}\)، أي أنّ \(N\) منتصف \(OH\).

مبرهنة فويرباخ

مبرهنة فويرباخ (1822)

دائرة النقاط التسع تمسّ الدائرة الداخلية للمثلث من الداخل، وتمسّ كلّ واحدة من الدوائر الخارجية الثلاث من الخارج.

دائرة النقاط التسع والدائرة الداخلية تتماسّان في النقطة \(T\)، وتُسمّى «نقطة فويرباخ».

البرهان الكامل أطول من أن يُعرض هنا، لكن يمكن التحقّق من المبرهنة حسابيًّا: تتماسّ دائرتان من الداخل إذا كان البعد بين مركزيهما يساوي الفرق بين نصفَي القطرين. أي أنّ مبرهنة فويرباخ تعني \(NI=\frac R2-r\)، حيث \(I\) و\(r\) مركز الدائرة الداخلية ونصف قطرها. سنرى ذلك في المثال العدديّ. والمعنى الهندسيّ مدهش: الدائرة الداخلية تقع كلّها داخل دائرة النقاط التسع، وتلمسها في نقطة واحدة بالضبط — في كلّ مثلث.

مثال عدديّ

في المثلث \(A(0,0)\)، \(B(6,0)\)، \(C(2,4)\) وجدنا في مقالة مستقيم أويلر أنّ \(O(3,1)\) و\(H(2,2)\). إذن

\[N=\Big(\frac{3+2}{2},\frac{1+2}{2}\Big)=(2.5,\ 1.5),\qquad R=OA=\sqrt{3^2+1^2}=\sqrt{10},\qquad \Big(\frac R2\Big)^2=\frac{10}{4}=2.5.\]

نحسب النقاط التسع ونتحقّق أنّ مربّع بعد كلّ منها عن \(N\) يساوي 2.5:

النقطةالإحداثيّات\((x-2.5)^2+(y-1.5)^2\)
\(M_a\)\((4,\ 2)\)\(2.25+0.25=2.5\)
\(M_b\)\((1,\ 2)\)\(2.25+0.25=2.5\)
\(M_c\)\((3,\ 0)\)\(0.25+2.25=2.5\)
\(F_a\)\((3,\ 3)\)\(0.25+2.25=2.5\)
\(F_b\)\((1.2,\ 2.4)\)\(1.69+0.81=2.5\)
\(F_c\)\((2,\ 0)\)\(0.25+2.25=2.5\)
\(E_a\)\((1,\ 1)\)\(2.25+0.25=2.5\)
\(E_b\)\((4,\ 1)\)\(2.25+0.25=2.5\)
\(E_c\)\((2,\ 3)\)\(0.25+2.25=2.5\)

(مثلًا \(F_a\): الارتفاع من \(A\) هو \(y=x\)، والضلع \(BC\) هو \(x+y=6\)، فيلتقيان في \((3,3)\). و\(F_b\): الارتفاع من \(B\) عموديّ على \(AC\) الذي هو \(y=2x\)، فيلتقيان في \((1.2,\ 2.4)\).)

وفويرباخ؟ أطوال الأضلاع \(a=\sqrt{32},\ b=\sqrt{20},\ c=6\)، والمساحة 12. حسابٌ بالآلة الحاسبة يعطي \(r=\frac{S}{s}\approx1.4880\) و\(I\approx(2.4076,\ 1.4880)\)، ومن هنا

\[NI\approx0.0931,\qquad \frac R2-r\approx1.5811-1.4880=0.0931.\]

البعد بين المركزين يساوي الفرق بين نصفَي القطرين — الدائرتان متماسّتان فعلًا. ولاحظوا كم هما قريبتان: \(N\) و\(I\) على بعد أقلّ من عُشر وحدة!

تمرين للقرّاء: أربعة مثلثات ودائرة واحدة

تمرين

المثلث \(ABC\) ليس قائم الزاوية، و\(H\) نقطة تلاقي ارتفاعاته.

أ. ما هي نقطة تلاقي ارتفاعات المثلث \(HBC\)؟

ب. برهنوا أنّ للمثلثين \(ABC\) و\(HBC\) دائرة النقاط التسع نفسها.

ج. استنتجوا أنّ نصف قطر الدائرة المحيطة بالمثلث \(HBC\) يساوي \(R\).

المثلث \(HBC\) والمثلث \(ABC\) — ودائرة نقاط تسع واحدة لكليهما.
تلميح

في البند أ: الارتفاع من \(B\) في المثلث \(HBC\) عموديّ على \(HC\). ما هو المستقيم العموديّ على \(HC\) والمارّ بـ \(B\)؟ في البند ب: اكتبوا النقاط التسع للمثلث \(HBC\) واحدة واحدة، وقارنوها بالنقاط التسع للمثلث \(ABC\).

حلّ كامل (حاولوا وحدكم أولًا!)

أ. المستقيم \(CH\) هو الارتفاع من \(C\) في المثلث \(ABC\)، لذا \(CH\perp AB\). إذن المستقيم المارّ بـ \(B\) والعموديّ على \(HC\) هو \(BA\) — وهو الارتفاع من \(B\) في المثلث \(HBC\). وبالمثل الارتفاع من \(C\) في المثلث \(HBC\) هو \(CA\). يلتقي الارتفاعان في \(A\): نقطة تلاقي ارتفاعات المثلث \(HBC\) هي \(A\).

ب. نعدّ النقاط التسع للمثلث \(HBC\):

  • منتصفات أضلاعه \(HB,\ BC,\ CH\): هي \(E_b,\ M_a,\ E_c\).
  • مواقع ارتفاعاته: الارتفاع من \(H\) هو المستقيم \(HA\) وموقعه \(F_a\)؛ الارتفاع من \(B\) هو \(BA\) ويلتقي بالمستقيم \(HC\) في \(F_c\)؛ والارتفاع من \(C\) يلتقي بالمستقيم \(HB\) في \(F_b\).
  • منتصفات القطع من رؤوسه إلى نقطة تلاقي ارتفاعاته \(A\): منتصفات \(HA,\ BA,\ CA\)، وهي \(E_a,\ M_c,\ M_b\).

إنّها النقاط التسع نفسها بالضبط للمثلث \(ABC\)، بترتيب آخر! وتسع نقاط (بل ثلاث منها) تحدّد الدائرة، لذا للمثلثين دائرة النقاط التسع نفسها. \(\blacksquare\)

ج. نصف قطر دائرة النقاط التسع هو نصف نصف قطر الدائرة المحيطة — في كلّ مثلث. للمثلثين دائرة نقاط تسع واحدة، لذا نصفا قطرَي دائرتيهما المحيطتين متساويان: كلاهما \(R\). وبالطريقة نفسها مع \(HCA\) و\(HAB\): المثلثات الأربعة \(ABC,\ HBC,\ HCA,\ HAB\) لها دائرة نقاط تسع واحدة، ودوائرها المحيطة الأربع متساوية.

المراجع

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

מאמר בגאומטריה

מעגל תשע הנקודות

תשע נקודות, מעגל אחד, ומשפט פוירבך

דרך שלוש נקודות שאינן על ישר אחד עובר תמיד מעגל. אבל כדי שארבע נקודות יהיו על מעגל אחד צריכה להיות סיבה. בכל משולש יש תשע נקודות המוגדרות בשלוש דרכים שונות — ובכל זאת כולן נמצאות על מעגל אחד. וכאילו זה לא מספיק, המעגל הזה משיק למעגל החסום של המשולש ולשלושת המעגלים החסומים החיצוניים.

ניקח משולש \(ABC\), ותהי \(H\) נקודת מפגש הגבהים שלו. נסמן שלוש קבוצות של נקודות, שלוש נקודות בכל קבוצה:

  • אמצעי הצלעות \(M_a,\ M_b,\ M_c\) (האמצעים של \(BC,\ CA,\ AB\)).
  • רגלי הגבהים \(F_a,\ F_b,\ F_c\) — הנקודות שבהן הגבהים פוגשים את הצלעות (או את המשכיהן).
  • אמצעי הקטעים \(AH,\ BH,\ CH\), שנסמן \(E_a,\ E_b,\ E_c\) (נקראות לפעמים „נקודות אוילר”).

הקבוצה הראשונה קשורה לצלעות בלבד, השנייה לניצבות, והשלישית לנקודה פנימית מיוחדת. אין סיבה גלויה שייפגשו.

המשפט

מעגל תשע הנקודות

בכל משולש תשע הנקודות

\[M_a,M_b,M_c,\qquad F_a,F_b,F_c,\qquad E_a,E_b,E_c\]

נמצאות על מעגל אחד. מרכזו \(N\) הוא אמצע הקטע \(OH\) (כאשר \(O\) מרכז המעגל החוסם), ורדיוסו \(\rho\) שווה למחצית רדיוס המעגל החוסם \(R\):

\[\boxed{\;\rho=\frac R2\;}\]
בכחול — אמצעי הצלעות; בירוק — רגלי הגבהים; בכתום — אמצעי הקטעים מהקודקודים אל \(H\). כל התשע על המעגל הכחול שמרכזו \(N\).
הערה: מאחר ש־\(N\) אמצע \(OH\), היא נמצאת על ישר אוילר של המשולש, בין מרכז המעגל החוסם לנקודת מפגש הגבהים. ובמשולש שווה־צלעות רגלי הגבהים מתלכדות עם אמצעי הצלעות, כך שנשארות רק שש נקודות שונות — והמעגל הוא המעגל החסום עצמו.

נסו בעצמכם

גררו את הקודקודים. אנחנו מודדים את מרחקה של כל אחת מתשע הנקודות מ־\(N\): המרחק הקטן ביותר והגדול ביותר שווים תמיד — ושווים למחצית \(R\). נסו גם משולש קהה־זווית.

–\(R\)
–\(R/2\)
–המרחק הקטן ביותר מ־\(N\)
–המרחק הגדול ביותר מ־\(N\)

קצת היסטוריה

ההוכחה המלאה הראשונה לכך שתשע הנקודות נמצאות על מעגל אחד פורסמה בשנת 1821, במאמר משותף של המתמטיקאים הצרפתים שארל ז'וליאן בריאנשון וז'אן ויקטור פונסלה, בכתב העת Annales de Mathématiques שערך ז'וזף ז'רגון.

שנה אחת בלבד אחר כך, בשנת 1822, פרסם המורה הגרמני הצעיר קרל וילהלם פוירבך (1800–1834) חוברת על „תכונותיהן של כמה נקודות מיוחדות במשולש ישר־הצלעות”, ובה הוכיח מחדש שאמצעי הצלעות ורגלי הגבהים נמצאים על מעגל אחד, והוסיף גילוי מדהים: המעגל הזה משיק למעגל החסום ולשלושת המעגלים החסומים החיצוניים. לכן בארצות דוברות גרמנית נקרא המעגל „מעגל פוירבך”. (קרל וילהלם הוא אחיו של הפילוסוף הידוע לודוויג פוירבך.)

הוכחה בעזרת שני מלבנים

נזדקק לשני כלים בלבד: קטע האמצעים במשולש (הקטע המחבר את אמצעי שתי צלעות מקביל לצלע השלישית ושווה למחציתה), והעובדה שהאלכסונים במלבן שווים וחוצים זה את זה, ולכן ארבעת קודקודי המלבן נמצאים על מעגל שקוטרו אחד האלכסונים.

המלבן \(M_bM_cE_bE_c\) והמלבן \(M_aM_bE_aE_b\). יש להם אלכסון משותף: \(M_bE_b\).
  1. המלבן הראשון

    במשולש \(ABC\): \(M_bM_c\parallel BC\). במשולש \(HBC\) (שבו \(E_b,E_c\) אמצעי \(HB,HC\)): \(E_bE_c\parallel BC\). במשולש \(ABH\): \(M_cE_b\parallel AH\), ובמשולש \(ACH\): \(M_bE_c\parallel AH\).

    אבל \(AH\perp BC\) (כי \(AH\) הוא חלק מהגובה). לכן במרובע \(M_bM_cE_bE_c\) זוג צלעות נגדיות מקבילות ל־\(BC\) והזוג האחר מקביל ל־\(AH\) — הוא מלבן, ואלכסוניו \(M_bE_b\) ו־\(M_cE_c\).

  2. המלבן השני

    באותה דרך, עם הצלע \(AB\) והקטע \(CH\) המאונך לה: \(M_aM_b\parallel AB\parallel E_aE_b\), ו־\(M_bE_a\parallel CH\parallel M_aE_b\). לכן גם \(M_aM_bE_aE_b\) מלבן, ואלכסוניו \(M_aE_a\) ו־\(M_bE_b\).

  3. שש נקודות על מעגל

    לשני המלבנים אלכסון משותף: \(M_bE_b\). יהי \(\omega\) המעגל שקוטרו \(M_bE_b\). ארבעת קודקודי המלבן הראשון עליו, וכך גם קודקודי המלבן השני. לכן שש הנקודות \(M_a,M_b,M_c,E_a,E_b,E_c\) על \(\omega\), ושלושת הקטעים \(M_aE_a,\ M_bE_b,\ M_cE_c\) כולם קטרים שלו.

  4. רגלי הגבהים

    הרגל \(F_a\) נמצאת על \(BC\) (שעליו \(M_a\)) ועל הגובה \(AH\) (שעליו \(E_a\)), ושני הישרים מאונכים זה לזה. לכן \(\angle M_aF_aE_a=90^\circ\): הנקודה \(F_a\) רואה את הקוטר \(M_aE_a\) בזווית ישרה, ולכן היא על \(\omega\). (אם \(F_a\) מתלכדת עם \(M_a\), אין מה להוכיח.) באופן דומה \(F_b\) ו־\(F_c\). לכן כל תשע הנקודות על \(\omega\). \(\blacksquare\)

המרכז והרדיוס

המרכז \(N\) הוא אמצע הקוטר \(M_aE_a\). במאמר על ישר אוילר הוכחנו ש־\(\overrightarrow{AH}=2\,\overrightarrow{OM_a}\). לכן \(\overrightarrow{AE_a}=\frac12\overrightarrow{AH}=\overrightarrow{OM_a}\), והמרובע \(AE_aM_aO\) הוא מקבילית. נובעים מכך שני דברים:

  • הצלעות הנגדיות \(E_aM_a\) ו־\(AO\) שוות: \(E_aM_a=AO=R\), כלומר קוטר המעגל \(R\) ורדיוסו \(\frac R2\).
  • בשיטת הווקטורים (הראשית ב־\(O\), ו־\(\overrightarrow{OH}=\vec a+\vec b+\vec c\)): \(\overrightarrow{ON}=\frac12\big(\overrightarrow{OE_a}+\overrightarrow{OM_a}\big)=\frac12\Big(\frac{\vec a+\vec h}{2}+\frac{\vec b+\vec c}{2}\Big)=\frac{\vec h}{2}\), כלומר \(N\) אמצע \(OH\).

משפט פוירבך

משפט פוירבך (1822)

מעגל תשע הנקודות משיק למעגל החסום של המשולש מבפנים, ומשיק לכל אחד משלושת המעגלים החסומים החיצוניים מבחוץ.

מעגל תשע הנקודות והמעגל החסום משיקים זה לזה בנקודה \(T\), הנקראת „נקודת פוירבך”.

ההוכחה המלאה ארוכה מכדי להציג אותה כאן, אבל אפשר לבדוק את המשפט בחישוב: שני מעגלים משיקים מבפנים אם המרחק בין מרכזיהם שווה להפרש הרדיוסים. כלומר משפט פוירבך אומר ש־\(NI=\frac R2-r\), כאשר \(I\) ו־\(r\) הם מרכז המעגל החסום ורדיוסו. נראה זאת בדוגמה המספרית. והמשמעות הגאומטרית מדהימה: המעגל החסום נמצא כולו בתוך מעגל תשע הנקודות, ונוגע בו בנקודה אחת בדיוק — בכל משולש.

דוגמה מספרית

במשולש \(A(0,0)\), \(B(6,0)\), \(C(2,4)\) מצאנו במאמר על ישר אוילר ש־\(O(3,1)\) ו־\(H(2,2)\). לכן

\[N=\Big(\frac{3+2}{2},\frac{1+2}{2}\Big)=(2.5,\ 1.5),\qquad R=OA=\sqrt{3^2+1^2}=\sqrt{10},\qquad \Big(\frac R2\Big)^2=\frac{10}{4}=2.5.\]

נחשב את תשע הנקודות ונבדוק שריבוע המרחק של כל אחת מהן מ־\(N\) שווה ל־2.5:

הנקודההשיעורים\((x-2.5)^2+(y-1.5)^2\)
\(M_a\)\((4,\ 2)\)\(2.25+0.25=2.5\)
\(M_b\)\((1,\ 2)\)\(2.25+0.25=2.5\)
\(M_c\)\((3,\ 0)\)\(0.25+2.25=2.5\)
\(F_a\)\((3,\ 3)\)\(0.25+2.25=2.5\)
\(F_b\)\((1.2,\ 2.4)\)\(1.69+0.81=2.5\)
\(F_c\)\((2,\ 0)\)\(0.25+2.25=2.5\)
\(E_a\)\((1,\ 1)\)\(2.25+0.25=2.5\)
\(E_b\)\((4,\ 1)\)\(2.25+0.25=2.5\)
\(E_c\)\((2,\ 3)\)\(0.25+2.25=2.5\)

(למשל \(F_a\): הגובה מ־\(A\) הוא \(y=x\), והצלע \(BC\) היא \(x+y=6\), והם נפגשים ב־\((3,3)\). ו־\(F_b\): הגובה מ־\(B\) מאונך ל־\(AC\) שהוא \(y=2x\), והם נפגשים ב־\((1.2,\ 2.4)\).)

ופוירבך? אורכי הצלעות \(a=\sqrt{32},\ b=\sqrt{20},\ c=6\), והשטח 12. חישוב במחשבון נותן \(r=\frac{S}{s}\approx1.4880\) ו־\(I\approx(2.4076,\ 1.4880)\), ומכאן

\[NI\approx0.0931,\qquad \frac R2-r\approx1.5811-1.4880=0.0931.\]

המרחק בין המרכזים שווה להפרש הרדיוסים — המעגלים אכן משיקים. ושימו לב כמה הם קרובים: \(N\) ו־\(I\) במרחק של פחות מעשירית יחידה!

תרגיל לקוראים: ארבעה משולשים ומעגל אחד

תרגיל

המשולש \(ABC\) אינו ישר־זווית, ו־\(H\) נקודת מפגש הגבהים שלו.

א. מהי נקודת מפגש הגבהים של המשולש \(HBC\)?

ב. הוכיחו שלמשולשים \(ABC\) ו־\(HBC\) יש אותו מעגל תשע נקודות.

ג. הסיקו שרדיוס המעגל החוסם את המשולש \(HBC\) שווה ל־\(R\).

המשולש \(HBC\) והמשולש \(ABC\) — ומעגל תשע נקודות אחד לשניהם.
רמז

בסעיף א: הגובה מ־\(B\) במשולש \(HBC\) מאונך ל־\(HC\). מהו הישר המאונך ל־\(HC\) והעובר דרך \(B\)? בסעיף ב: רשמו את תשע הנקודות של המשולש \(HBC\) אחת אחת, והשוו אותן לתשע הנקודות של המשולש \(ABC\).

פתרון מלא (נסו לבד קודם!)

א. הישר \(CH\) הוא הגובה מ־\(C\) במשולש \(ABC\), ולכן \(CH\perp AB\). לכן הישר העובר דרך \(B\) והמאונך ל־\(HC\) הוא \(BA\) — וזה הגובה מ־\(B\) במשולש \(HBC\). באופן דומה הגובה מ־\(C\) במשולש \(HBC\) הוא \(CA\). שני הגבהים נפגשים ב־\(A\): נקודת מפגש הגבהים של המשולש \(HBC\) היא \(A\).

ב. נמנה את תשע הנקודות של המשולש \(HBC\):

  • אמצעי צלעותיו \(HB,\ BC,\ CH\): אלה \(E_b,\ M_a,\ E_c\).
  • רגלי גבהיו: הגובה מ־\(H\) הוא הישר \(HA\) ורגלו \(F_a\); הגובה מ־\(B\) הוא \(BA\) והוא פוגש את הישר \(HC\) ב־\(F_c\); והגובה מ־\(C\) פוגש את הישר \(HB\) ב־\(F_b\).
  • אמצעי הקטעים מקודקודיו אל נקודת מפגש הגבהים שלו \(A\): אמצעי \(HA,\ BA,\ CA\), שהם \(E_a,\ M_c,\ M_b\).

אלה בדיוק אותן תשע הנקודות של המשולש \(ABC\), בסדר אחר! ותשע נקודות (ואפילו שלוש מהן) קובעות את המעגל, ולכן לשני המשולשים אותו מעגל תשע נקודות. \(\blacksquare\)

ג. רדיוס מעגל תשע הנקודות הוא מחצית רדיוס המעגל החוסם — בכל משולש. לשני המשולשים מעגל תשע נקודות אחד, ולכן רדיוסי המעגלים החוסמים שלהם שווים: שניהם \(R\). באותה דרך עם \(HCA\) ו־\(HAB\): לארבעת המשולשים \(ABC,\ HBC,\ HCA,\ HAB\) יש מעגל תשע נקודות אחד, וארבעת המעגלים החוסמים שלהם שווים.

מקורות

  • K. W. Feuerbach, Eigenschaften einiger merkwürdigen Punkte des geradlinigen Dreiecks, Nürnberg, 1822.
  • H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer, Geometry Revisited, MAA, 1967, ch. 1.
  • R. A. Johnson, Advanced Euclidean Geometry, Dover (originally 1929).
חאלד חטיב · מעגל תשע הנקודות

A geometry article

The Nine-Point Circle

Nine points, one circle, and Feuerbach’s theorem

Through any three points not on a line there is always a circle. For four points to lie on one circle, there has to be a reason. In every triangle there are nine points, defined in three different ways — and yet all of them lie on one circle. As if that were not enough, this circle touches the triangle’s incircle and all three excircles.

Take a triangle \(ABC\), and let \(H\) be its orthocenter. We mark three groups of points, three points in each:

  • The midpoints of the sides \(M_a,\ M_b,\ M_c\) (of \(BC,\ CA,\ AB\)).
  • The feet of the altitudes \(F_a,\ F_b,\ F_c\) — where the altitudes meet the sides (or their extensions).
  • The midpoints of the segments \(AH,\ BH,\ CH\), denoted \(E_a,\ E_b,\ E_c\) (sometimes called the “Euler points”).

The first group depends only on the sides, the second on perpendicularity, and the third on a special interior point. There is no obvious reason for them to come together.

The theorem

The nine-point circle

In every triangle the nine points

\[M_a,M_b,M_c,\qquad F_a,F_b,F_c,\qquad E_a,E_b,E_c\]

lie on one circle. Its centre \(N\) is the midpoint of \(OH\) (where \(O\) is the circumcenter), and its radius \(\rho\) is half the circumradius \(R\):

\[\boxed{\;\rho=\frac R2\;}\]
Blue — midpoints of the sides; green — feet of the altitudes; orange — midpoints of the segments from the vertices to \(H\). All nine lie on the blue circle centred at \(N\).
Note: since \(N\) is the midpoint of \(OH\), it lies on the triangle’s Euler line, between the circumcenter and the orthocenter. In an equilateral triangle the feet of the altitudes coincide with the midpoints of the sides, leaving only six distinct points — and the circle is the incircle itself.

Try it yourself

Drag the vertices. We measure the distance from each of the nine points to \(N\): the smallest and the largest distance are always equal — and equal to half of \(R\). Try an obtuse triangle too.

–\(R\)
–\(R/2\)
–smallest distance to \(N\)
–largest distance to \(N\)

A little history

The first complete proof that the nine points lie on one circle was published in 1821, in a joint paper by the French mathematicians Charles Julien Brianchon and Jean-Victor Poncelet, in the Annales de Mathématiques edited by Joseph Gergonne.

Just one year later, in 1822, the young German teacher Karl Wilhelm Feuerbach (1800–1834) published a booklet on the “properties of some remarkable points of the rectilinear triangle”, in which he proved again that the midpoints of the sides and the feet of the altitudes lie on one circle, and added an astonishing discovery: this circle touches the incircle and the three excircles. That is why in German-speaking countries it is called “Feuerbach’s circle”. (Karl Wilhelm was the brother of the well-known philosopher Ludwig Feuerbach.)

A proof with two rectangles

We need only two tools: the midsegment of a triangle (the segment joining the midpoints of two sides is parallel to the third side and half as long), and the fact that the diagonals of a rectangle are equal and bisect each other, so the four vertices of a rectangle lie on a circle whose diameter is either diagonal.

The rectangle \(M_bM_cE_bE_c\) and the rectangle \(M_aM_bE_aE_b\). They share a diagonal: \(M_bE_b\).
  1. The first rectangle

    In triangle \(ABC\): \(M_bM_c\parallel BC\). In triangle \(HBC\) (where \(E_b,E_c\) are the midpoints of \(HB,HC\)): \(E_bE_c\parallel BC\). In triangle \(ABH\): \(M_cE_b\parallel AH\), and in triangle \(ACH\): \(M_bE_c\parallel AH\).

    But \(AH\perp BC\) (since \(AH\) is part of an altitude). So in the quadrilateral \(M_bM_cE_bE_c\) one pair of opposite sides is parallel to \(BC\) and the other pair to \(AH\) — it is a rectangle, with diagonals \(M_bE_b\) and \(M_cE_c\).

  2. The second rectangle

    In the same way, with side \(AB\) and the segment \(CH\) perpendicular to it: \(M_aM_b\parallel AB\parallel E_aE_b\), and \(M_bE_a\parallel CH\parallel M_aE_b\). So \(M_aM_bE_aE_b\) is also a rectangle, with diagonals \(M_aE_a\) and \(M_bE_b\).

  3. Six points on a circle

    The two rectangles share the diagonal \(M_bE_b\). Let \(\omega\) be the circle with diameter \(M_bE_b\). All four vertices of the first rectangle lie on it, and so do those of the second. So the six points \(M_a,M_b,M_c,E_a,E_b,E_c\) lie on \(\omega\), and the three segments \(M_aE_a,\ M_bE_b,\ M_cE_c\) are all diameters of it.

  4. The feet of the altitudes

    The foot \(F_a\) lies on \(BC\) (which contains \(M_a\)) and on the altitude \(AH\) (which contains \(E_a\)), and these two lines are perpendicular. So \(\angle M_aF_aE_a=90^\circ\): the point \(F_a\) sees the diameter \(M_aE_a\) at a right angle, so it lies on \(\omega\). (If \(F_a\) coincides with \(M_a\) there is nothing to prove.) Likewise \(F_b\) and \(F_c\). So all nine points lie on \(\omega\). \(\blacksquare\)

The centre and the radius

The centre \(N\) is the midpoint of the diameter \(M_aE_a\). In the article on the Euler line we proved that \(\overrightarrow{AH}=2\,\overrightarrow{OM_a}\). Hence \(\overrightarrow{AE_a}=\frac12\overrightarrow{AH}=\overrightarrow{OM_a}\), and the quadrilateral \(AE_aM_aO\) is a parallelogram. Two things follow:

  • The opposite sides \(E_aM_a\) and \(AO\) are equal: \(E_aM_a=AO=R\), so the diameter of the circle is \(R\) and its radius \(\frac R2\).
  • With vectors (origin at \(O\), and \(\overrightarrow{OH}=\vec a+\vec b+\vec c\)): \(\overrightarrow{ON}=\frac12\big(\overrightarrow{OE_a}+\overrightarrow{OM_a}\big)=\frac12\Big(\frac{\vec a+\vec h}{2}+\frac{\vec b+\vec c}{2}\Big)=\frac{\vec h}{2}\), so \(N\) is the midpoint of \(OH\).

Feuerbach’s theorem

Feuerbach’s theorem (1822)

The nine-point circle touches the incircle of the triangle internally, and touches each of the three excircles externally.

The nine-point circle and the incircle touch at the point \(T\), called the “Feuerbach point”.

The full proof is too long to present here, but the theorem can be checked by computation: two circles touch internally when the distance between their centres equals the difference of their radii. So Feuerbach’s theorem says \(NI=\frac R2-r\), where \(I\) and \(r\) are the incenter and the inradius. We will see this in the numerical example. The geometric meaning is striking: the incircle lies entirely inside the nine-point circle and touches it at exactly one point — in every triangle.

A numerical example

For the triangle \(A(0,0)\), \(B(6,0)\), \(C(2,4)\) we found in the Euler line article that \(O(3,1)\) and \(H(2,2)\). Hence

\[N=\Big(\frac{3+2}{2},\frac{1+2}{2}\Big)=(2.5,\ 1.5),\qquad R=OA=\sqrt{3^2+1^2}=\sqrt{10},\qquad \Big(\frac R2\Big)^2=\frac{10}{4}=2.5.\]

We compute the nine points and check that the square of each one’s distance to \(N\) equals 2.5:

PointCoordinates\((x-2.5)^2+(y-1.5)^2\)
\(M_a\)\((4,\ 2)\)\(2.25+0.25=2.5\)
\(M_b\)\((1,\ 2)\)\(2.25+0.25=2.5\)
\(M_c\)\((3,\ 0)\)\(0.25+2.25=2.5\)
\(F_a\)\((3,\ 3)\)\(0.25+2.25=2.5\)
\(F_b\)\((1.2,\ 2.4)\)\(1.69+0.81=2.5\)
\(F_c\)\((2,\ 0)\)\(0.25+2.25=2.5\)
\(E_a\)\((1,\ 1)\)\(2.25+0.25=2.5\)
\(E_b\)\((4,\ 1)\)\(2.25+0.25=2.5\)
\(E_c\)\((2,\ 3)\)\(0.25+2.25=2.5\)

(For example \(F_a\): the altitude from \(A\) is \(y=x\), and side \(BC\) is \(x+y=6\), meeting at \((3,3)\). And \(F_b\): the altitude from \(B\) is perpendicular to \(AC\), which is \(y=2x\), meeting it at \((1.2,\ 2.4)\).)

And Feuerbach? The side lengths are \(a=\sqrt{32},\ b=\sqrt{20},\ c=6\), and the area is 12. A calculator gives \(r=\frac{S}{s}\approx1.4880\) and \(I\approx(2.4076,\ 1.4880)\), hence

\[NI\approx0.0931,\qquad \frac R2-r\approx1.5811-1.4880=0.0931.\]

The distance between the centres equals the difference of the radii — the circles really do touch. And notice how close they are: \(N\) and \(I\) are less than a tenth of a unit apart!

A problem for the reader: four triangles and one circle

Problem

Triangle \(ABC\) is not right-angled, and \(H\) is its orthocenter.

a. What is the orthocenter of triangle \(HBC\)?

b. Prove that triangles \(ABC\) and \(HBC\) have the same nine-point circle.

c. Deduce that the circumradius of triangle \(HBC\) equals \(R\).

Triangle \(HBC\) and triangle \(ABC\) — and one nine-point circle for both.
Hint

For part a: the altitude from \(B\) in triangle \(HBC\) is perpendicular to \(HC\). Which line through \(B\) is perpendicular to \(HC\)? For part b: list the nine points of triangle \(HBC\) one by one, and compare them with the nine points of triangle \(ABC\).

Full solution (try it yourself first!)

a. The line \(CH\) is the altitude from \(C\) in triangle \(ABC\), so \(CH\perp AB\). Therefore the line through \(B\) perpendicular to \(HC\) is \(BA\) — and that is the altitude from \(B\) in triangle \(HBC\). Similarly, the altitude from \(C\) in triangle \(HBC\) is \(CA\). These two altitudes meet at \(A\): the orthocenter of triangle \(HBC\) is \(A\).

b. List the nine points of triangle \(HBC\):

  • The midpoints of its sides \(HB,\ BC,\ CH\): these are \(E_b,\ M_a,\ E_c\).
  • The feet of its altitudes: the altitude from \(H\) is the line \(HA\), with foot \(F_a\); the altitude from \(B\) is \(BA\), meeting the line \(HC\) at \(F_c\); and the altitude from \(C\) meets the line \(HB\) at \(F_b\).
  • The midpoints of the segments from its vertices to its orthocenter \(A\): the midpoints of \(HA,\ BA,\ CA\), which are \(E_a,\ M_c,\ M_b\).

These are exactly the same nine points as for triangle \(ABC\), in a different order! And nine points (even three of them) determine the circle, so the two triangles have the same nine-point circle. \(\blacksquare\)

c. The radius of the nine-point circle is half the circumradius — in every triangle. The two triangles share one nine-point circle, so their circumradii are equal: both are \(R\). In the same way with \(HCA\) and \(HAB\): the four triangles \(ABC,\ HBC,\ HCA,\ HAB\) all have one nine-point circle, and their four circumcircles are equal.

References

  • K. W. Feuerbach, Eigenschaften einiger merkwürdigen Punkte des geradlinigen Dreiecks, Nürnberg, 1822.
  • H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer, Geometry Revisited, MAA, 1967, ch. 1.
  • R. A. Johnson, Advanced Euclidean Geometry, Dover (originally 1929).
Khaled Khatib · The Nine-Point Circle

→ العودة إلى كلّ المقالات