Húrtrapéz

4 pont egyik lehetséges tengelyszimmetrikus elhelyezkedése

Húrtrapézoknak azokat a négyszögeket hívjuk, amelyeknek van olyan szimmetriatengelyük, amelyre nem illeszkedik egy csúcsuk sem. Húrtrapézt a szimmetriatengelyére tükrözve két-két csúcs éppen helyet cserél: a szimmetriatengely a húrtrapéz két (egymással szemközti) oldalának közös felezőmerőlegese, a másik két (egymással szintén szemközti oldal) pedig egymás tükörképe.

A húrtrapézok tehát a tengelyesen szimmetrikus négyszögek egy részhalmazát alkotják. Nemcsak húrtrapézok lehetnek tengelyesen szimmetrikus négyszögek: négyszög lehet úgy is tengelyesen szimmetrikus, hogy két (egymással szembelévő) csúcsuk illeszkedik a szimmetriatengelyre (így saját magának tükörképe), a másik két (egymással szintén szemközti) csúcs pedig épp egymás tükörképe. A tengelyesen szimmetrikus négyszögeknek ezt a „másik” családját deltoidoknak nevezzük. A deltoidok tehát szintén tengelyesen szimmetrikus négyszögek: van olyan szimmetriatengelyük, amelyre illeszkedik csúcsuk (kettő is).

Tengelyesen szimmetrikus négyszög csak húrtrapéz vagy deltoid lehet, de a két tulajdonság nem zárja ki egymást, hiszen négyszögnek több szimmetriatengelye is lehet: kettő, (három nem!) vagy négy. Négy szimmetriatengelye éppen a négyzeteknek van (kettő „átlósan”). Minden négyzet húrnégyszög és egyúttal deltoid is (a két „átlós” szimmetriatengelyére „nézve” deltoid, a másik kettőre „nézve” pedig húrtrapéz). Csak négyzetek tekinthetők egyszerre húrtrapéznak és deltoidnak is.

A húrtrapézokra sok érdekes, nemtriviális (nem magától értetődő) összefüggés teljesül, tehát ezt a fogalmat érdemes bevezetni. Példa ilyen összefüggésre: minden húrtrapéz köré írható kör, vagyis tetszőleges húrtrapézhoz található olyan kör, amelyre mind a négy csúcsa illeszkedik.

Egyenértékű meghatározások

Ez előbbi fenti összefüggés „fordítva” nem igaz, vagyis nem minden köré írt körrel rendelkező négyszög húrtrapéz is egyben. Azonban könnyű példát mondani olyan összefüggésekre is, amelyek megfordíthatóak. Például: Minden húrtrapézra igaz az alábbi két tulajdonság egyszerre:

1. az egyik oldaluk párhuzamos a vele szemközti oldallal, vagyis van legalább egy párhuzamos oldalpárjuk; és
2. írható köréjük kör, vagyis van olyan kör, amelyre mind a négy csúcsuk illeszkedik.

Tehát, ha egy négyszög húrtrapéz, akkor egyúttal trapéz is (első tulajdonság), és egyben húrnégyszög is (második tulajdonság).

Ez az összefüggés „fordítva” is igaz: ha tudjuk hogy egy négyszögre igaz a fenti 1. és 2. tulajdonság is (vagyis a négyszög trapéz is és húrnégyszög is), akkor az csakis olyan négyszög lehet, amely e cikk nyitó mondatában említett tulajdonságokkal rendelkezik (vagyis húrtrapéz).

Mindez azt jelenti, hogy ha az összes négyszög halmazából részhalmazt képzünk úgy, hogy a részhalmazba éppen azokat a négyszögeket vesszük be, amelyekre egyszerre teljesül a fenti 1. és 2. tulajdonság (tehát párhuzamos oldalpárjuk is van, és körülírt körük is, szóval egyszerre trapézok és húrnégyszögek is), akkor ugyanazt a részhalmazt kapjuk, mintha e cikk nyitó mondatában leírt tulajdonság alapján végeztük volna a kiválogatást.

Sok más példát is találhatunk olyan összefüggésekre, amelyek szintén „megfordíthatóak”. Pl. minden húrtrapéznak van két egyenlő, egymással szomszédos szöge, és a másik két egymással szomszédos szögpárjuk is egyenlő egymással. Ez a tulajdonság is megfordítható: minden olyan négyszög, amelynek van két-két egyenlő szomszédos szöge, egyúttal húrtrapéz is.

A „megfordítható” összefüggések léte azt jelenti, hogy valójában a húrtrapéz „tulajdonságot” többféle, egymással egyenértékű (ekvivalens) definícióval is megfogalmazhatjuk, vagyis több, egymással egyenértékű tulajdonság közül bármelyik alapján eldönthetjük, egy négyszög húrtrapéz-e vagy sem:

1. Húrtrapézoknak nevezzük azokat a négyszögeket, amelyeknek van csúcsra nem illeszkedő szimmetriatengelyük.
2. Húrtrapézoknak nevezzük azokat a tengelyesen szimmetrikus négyszögeket, amelyek csúcsai közül kettő-kettő épp egymás tükörképe.
3. Húrtrapézoknak nevezzük azokat a négyszögeket, amelyek húrnégyszögek és egyúttal trapézok is. (Azaz van párhuzamos oldalpárjuk, és kör is írható köréjük).
4. Húrtrapézoknak nevezzük azokat a négyszögeket, amelyeknek két-két szomszédos szögük egyenlő. Azokat az oldalakat, amelyeken az egyenlő szögek fekszenek, alapoknak nevezzük, a másik két oldalt száraknak.
5. …

…

…

Ennek megfelelően a húrtrapézok fogalmát ezek közül az egymással ekvivalens tulajdonságok közül bármelyikkel definiálhatjuk. Mindegy, hogy a fenti 1., 2., 3., 4., vagy más ekvivalens meghatározás alapján döntjük el a egy négyszögről, hogy húrtrapéz-e vagy sem: mindegyik definíció az összes négyszög halmazából ugyanazt a részhalmazt jelöli ki. Mindez azonban egyáltalán nem nyilvánvaló: geometriai bizonyítások igazolják azt, hogy különbözőképpen felépített meghatározások, tulajdonságok valójában ugyanazt a részhalmazt jelölik ki az összes lehetséges négyszögek halmazából.

Ennek megfelelően, sok szakmunka, matematikai könyv a „húrtrapéz” fogalmát máshogy definiálja, mint ennek a cikknek a nyitó mondata, vagyis az itt olvasható meghatározás helyett egy ezzel egyenértékű másik meghatározást használ. Sőt, a „húrtrapéz” kifejezés helyett is más kifejezést olvasható sok műben. Van könyv, amely a „szimmetrikus trapéz” kifejezést használja, másutt „egyenlő szárú trapéz” kifejezés szerepel, sőt eseti szóhasználattal az „egyenlő szögű trapéz” kifejezés is előfordul. Mindezek alatt a fogalmak alatt ugyanazt kell érteni abban az értelemben, hogy az összes négyszögek halmazából mindezek a szakszavak ugyanazt a részhalmazt nevezik meg.

Húrtrapézok egy sorozata mozgóképként, egy konkrét gyakorlófeladat megoldásának részeként.