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双心四角形

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』
四角形及び四角形は双心四角形である。

双心四角形(そうしんしかっけい、: Bicentric Quadrilateral, chord-tangent, quadrilateralinscribed and circumscribed quadrilateral[1])とは外接円内接円の両方をもつ四角形のことである。双心多角形の一種。

ポンスレの閉形定理より、ある二円についての双心四角形が一つ見つかれば、そのような四角形は無数に存在する[2]

特別な場合

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直角凧形

双心四角形の一つに正方形直角凧形、円に外接する等脚台形などがある。

面積の公式

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4辺が a, b, c, d である双心四角形ABCDの面積は次の公式で表される。

より一般に、内接円を持つ四角形 ABCD の面積は、 とおくと次で与えられる。

双心四角形に対する公式は、t = 90° という特殊な場合である。

証明

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双心四角形ABCD において、外接円を持つことからブラーマグプタの公式が使えて、次の式が成り立つ。

ただし 半周長

内接円を持つ四角形の対辺の和は等しいので

a + c = b + d = s

したがって

sa = c
sc = a
sb = d
sd = b

ゆえに

(証終)

外接円を持つとは限らない一般の場合の公式は、ブレートシュナイダーの公式を用いて同様に示せる。

その他の面積公式

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またA,B,C,Dに対する接線長e,f,g,h内心I対角線の成す角をθなどとすれば次のように書ける[3][4][5]

ただし、r,Rはそれぞれ内半径外半径

不等式

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面積の関係する不等式には以下の様なものがある[6]

 等号成立は正方形。

 等号成立は正方形

 等号成立条件は凧形

角の公式

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角の三角関数について、以下の式が成り立つ[4][7][8]。記号は前項と同。

外接円と内接円の関係

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ファスの定理(Fuss's theorem)

ファスの定理

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外接円の半径を R、内接円の半径を r、外接円の中心と内接円の中心の距離を d としたとき、

または

が成り立つ[1][9][10]。定理名はニコラス・ファス英語版に由来する。

とくにdについて整理すれば

を得る。これはオイラーの定理の拡張である。また、この式を満たすd,r,Rが存在すれば四角形についてポンスレの閉形定理が成立する。

Carlitzの恒等式

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Leonard Carlitz (Leonard Carlitzによれば、次の式が成り立つ[11]

ただし

接線長と辺の長さに関する不等式

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A,B,C,Dの接線長をe,f,g,hとすると以下の不等式が成立する[12]

同様に辺a,b,c,dでも以下の不等式が成立する[12]

内心の性質

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双心四角形の内心外心、対角線の交点は共線である[13]

内接円の半径と、内心と各頂点の距離についてが成り立つ[14]

また、対角線の交点をPと置けば、

である[15]

分割された4つの三角形の内心

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双心三角形ABCDの外心Oで分割された4つの三角形OAB, △OBC, △OCD, △ODAの内心は共円である[16]

関連項目

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出典

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  1. ^ a b Dörrie, Heinrich; Dörrie, Heinrich (2009). 100 great problems of elementary mathematics: their history and solution. New York: Dover Publ. ISBN 978-0-486-61348-2 
  2. ^ Weisstein, Eric W.. “Poncelet's Porism” (英語). Mathworld. 2024年7月16日閲覧。
  3. ^ Josefsson, Martin (2010), “Calculations concerning the tangent lengths and tangency chords of a tangential quadrilateral”, Forum Geometricorum 10: 119–130, http://forumgeom.fau.edu/FG2010volume10/FG201013.pdf .
  4. ^ a b JosefssonMartin「The Area of a Bicentric Quadrilateral」『Forum Geometricorum』第11巻、155–164頁、2011年http://forumgeom.fau.edu/FG2011volume11/FG201116.pdf .
  5. ^ Josefsson, Martin (2012), “Maximal Area of a Bicentric Quadrilateral”, Forum Geometricorum 12: 237–241, http://forumgeom.fau.edu/FG2012volume12/FG201222.pdf .
  6. ^ Inequalities proposed in Crux Mathematicorum, 2007.[1]
  7. ^ Josefsson, Martin (2012), “A New Proof of Yun’s Inequality for Bicentric Quadrilaterals”, Forum Geometricorum 12: 79–82, http://forumgeom.fau.edu/FG2012volume12/FG201208.pdf .
  8. ^ Durell, C. V. and Robson, A., Advanced Trigonometry, Dover, 2003, pp. 28, 30.
  9. ^ Yiu, Paul, Euclidean Geometry, [2], 1998, pp. 158-164.
  10. ^ Salazar, Juan Carlos (2006), “Fuss's Theorem”, Mathematical Gazette 90 (July): 306–307 .
  11. ^ Calin, Ovidiu, Euclidean and Non-Euclidean Geometry a metric approach, [3], pp. 153–158.
  12. ^ a b Radic, Mirko, "Certain inequalities concerning bicentric quadrilaterals, hexagons and octagons", Journal of Inequalities in Pure and Applied Mathematics, Volume 6, Issue 1, 2005, [4]
  13. ^ Bogomolny, Alex, Collinearity in Bicentric Quadrilaterals [5], 2004.
  14. ^ L. V. Nagarajan, Bi-centric Polygons, 2014, [6].
  15. ^ Crux Mathematicorum 34 (2008) no 4, p. 242.
  16. ^ Alexey A. Zaslavsky, One property of bicentral quadrilaterals, 2019, [7]

外部リンク

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