ブレートシュナイダーの公式~ブラーマグプタの公式の一般化

一般的な四角形の面積を求める公式です。

ブレートシュナイダーの公式

四角形 ABCD\mathrm{ABCD} において,AB=aAB=a,BC=bBC=b,CD=cCD=c,DA=dDA=d,∠BAD+∠BCD=θ\angle \mathrm{BAD}+ \angle \mathrm{BCD} = \theta とおくと,

四角形の ABCD\mathrm{ABCD} の面積 SS は, S=(s−a)(s−b)(s−c)(s−d)−abcdcos⁡2(θ2) S=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)-abcd\cos^2 \left( \frac{\theta}{2} \right)} ただし,s=a+b+c+d2s=\dfrac{a+b+c+d}{2} とおいた。

四角形が円に内接する場合 θ=180∘\theta=180^\circ より,ブレートシュナイダーの公式はブラーマグプタの公式と一致します(ブラーマグプタの公式の一般化)。

この公式は美しいですが,cos⁡θ2\cos\dfrac{\theta}{2} が簡単に求まる場合が少ないので残念ながらあまり実用的な公式ではないです,観賞用ですね。数学オリンピックの幾何の問題で,この公式を知っていると見通しがよくなるかもしれません。

ブレートシュナイダーの公式の証明は,ブラーマグプタの公式の証明と同様な手法でできますが,計算がやや煩雑です。興味がある人は追ってみてください。

証明

S=△ABC+△ADC S = \triangle \mathrm{ABC} + \triangle \mathrm{ADC} である一方 △ABC=12absin⁡B△ADC=12cdsin⁡D\begin{aligned} \triangle \mathrm{ABC} &= \dfrac{1}{2} ab \sin B\\ \triangle \mathrm{ADC} &= \dfrac{1}{2} cd \sin D \end{aligned} (なお B=∠ABCB = \angle \mathrm{ABC},D=∠ADCD = \angle \mathrm{ADC} とおいた) より 2S=absin⁡B+cdsin⁡D 2S = ab \sin B + cd \sin D である。両辺を2乗して 4S2=a2b2sin⁡2B+c2d2sin⁡2D+2abcdsin⁡Bsin⁡D⋯ (1)\begin{aligned} 4S^2 &= a^2 b^2 \sin^2 B + c^2 d^2 \sin^2 D \\ &\quad + 2abcd \sin B \sin D &\cdots \ (1) \end{aligned} を得る。

さて余弦定理より AC2=a2+b2−2abcos⁡B=c2+d2−2cdcos⁡D\begin{aligned} \mathrm{AC}^2 &= a^2 + b^2 - 2ab\cos B\\ &= c^2 + d^2 - 2cd \cos D \end{aligned} であるため a2+b2−c2−d2=2abcos⁡B−2cdcos⁡D a^2 + b^2 - c^2 - d^2 = 2 ab \cos B - 2cd \cos D となる。よって {12(a2+b2−c2−d2)}2=a2b2cos⁡2B+c2d2cos⁡2D−2abcdcos⁡Bcos⁡D⋯ (2)\begin{aligned} &\left\{\dfrac{1}{2} (a^2+b^2-c^2-d^2)\right\}^2\\ &= a^2 b^2 \cos^2 B + c^2 d^2 \cos^2 D\\ &\quad - 2abcd \cos B \cos D & \cdots \ (2) \end{aligned} である。

(1)+(2)(1) + (2) を計算すると 4S2+14(a2+b2−c2−d2)2=a2b2+c2d2−2abcd(cos⁡Bcos⁡D−sin⁡Bsin⁡D)=a2b2+c2d2−2abcdcos⁡(B+D)=a2b2+c2d2−2abcd(2cos⁡2θ2−1)=(ab+cd)2−4abcdcos⁡2θ2\begin{aligned} &4S^2 + \dfrac{1}{4} (a^2+b^2-c^2-d^2)^2\\ &= a^2 b^2 + c^2 d^2\\ & \quad - 2abcd (\cos B \cos D - \sin B \sin D)\\ &= a^2 b^2 + c^2 d^2 - 2abcd \cos (B+D)\\ &= a^2 b^2 + c^2 d^2 - 2abcd \left( 2 \cos^2 \dfrac{\theta}{2} - 1 \right) \\ &= (ab+cd)^2 - 4abcd \cos^2 \dfrac{\theta}{2} \end{aligned} となる。

こうして S2+abcdcos⁡2θ2=14(ab+cd)2−116(a2+b2−c2−d2)2=2ab+2cd+(a2+b2−c2−d2)4⋅2ab+2cd−(a2+b2−c2−d2)4=(a+b)2−(c−d)24⋅(c+d)2−(a−b)24=a+b+c−d2⋅a+b−c+d2⋅a−b+c+d2⋅−a+b+c+d2=(s−a)(s−b)(s−c)(s−d)\begin{aligned} &S^2 + abcd \cos^2 \dfrac{\theta}{2}\\ &= \dfrac{1}{4} (ab+cd)^2 - \dfrac{1}{16} (a^2+b^2-c^2-d^2)^2\\ &= \dfrac{2ab+2cd + (a^2+b^2-c^2-d^2)}{4}\\ &\qquad \cdot \dfrac{2ab+2cd - (a^2+b^2-c^2-d^2)}{4}\\ &= \dfrac{(a+b)^2 - (c-d)^2}{4} \cdot \dfrac{(c+d)^2- (a-b)^2}{4}\\ &= \dfrac{a+b+c-d}{2} \cdot \dfrac{a+b-c+d}{2}\\ &\qquad \cdot \dfrac{a-b+c+d}{2} \cdot \dfrac{-a+b+c+d}{2}\\ &= (s-a)(s-b)(s-c)(s-d) \end{aligned} となり S=(s−a)(s−b)(s−c)(s−d)−abcdcos⁡2(θ2) S=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)-abcd\cos^2 \left( \frac{\theta}{2} \right)} を得る。

実用性はあんまりないかもですが「ブレートシュナイダーの公式」を知ってるだけでかっこいい気がします。

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