Beweisarchiv: Geometrie: Planimetrie: Viereck: Flächenformel von Bretschneider

Aus testwiki
Zur Navigation springen Zur Suche springen

Beweisarchiv: Geometrie: TOPNAV

Die Fläche eines Vierecks aus den vier Seiten und zwei gegenüber liegenden Winkeln ist

(1)   A=A1+A2

Dreiecksflächen über zwei Seiten und den Innenwinkel A1 und A2 siehe analog Beweisarchiv Satz des Heron Formel (3)

(1.1)   A1=absinβ2

(1.2)   A2=cdsinδ2

Summe und quadriert

(2.1)   A2=(absinβ2+cdsinδ2)2=14(absinβ+cdsinδ)2

(2.2)   A2=14(a2b2sin2β+2abcdsinβsinδ+c2d2sin2δ)

Nach dem Kosinussatz ist

(3.1)   e2=a2+b22abcosβ

(3.2)   e2=c2+d22cdcosδ

gleichgesetzt

(3.3)   a2+b22abcosβ=c2+d22cd cosδ

(3.4)   a2+b2c2d2=2ab cosβ2cd cosδ=2(ab cosβcd cosδ)

quadriert

(3.5)   ( a2+b2c2d2 )2=4(a2 b2 cos2β2abcd cosβcosδ+c2d2cos2δ)

Zusammenhang Sinus/Kosinus

(4.1)   cos2β=1sin2β

(4.2)   cos2δ=1sin2δ

(4.3)  cos(β+δ)=cosβcosδsinβsinδ

(4.4)  cosβcosδ=cos( β+δ)+sinβsinδ

eingesetzt in (3.5)

(5.1)  (a2+b2c2d2)2=4[a2b2a2b2sin2β2abcdcos(β+δ)2abcdsinβsinδ+c2d2c2d2sin2δ]

(5.2)  (a2+b2c2d2)2=4[a2b2+c2d22abcdcos(β+δ)(a2b2sin2β+2abcdsinβsinδ+c2d2sin2δ)]

weil nach (2.2):

a2b2sin2β+2abcdsinβsinδ+c2d2sin2=4A2

eingesetzt

(5.3)  (a2+b2c2d2)2=4[a2b2+c2d22abcdcos(β+δ)4A2]

nach A2 aufgelöst

(5.4)  A2=(a2+b2c2d2)216+[a2b2+c2d22abcdcos(β+δ)]4

(5.5)  A2=(a4+a2b2a2c2a2d2+a2b2+b4b2c2b2d2a2c2b2c2+c4+c2d2a2d2b2d2+c2d2+d4)16+

+[4a2b2+4c2d28abcdcos(β+δ)]16

(5.6)  A2=a4b4c4d4+2a2b2+2a2c2+2a2d2+2b2c2+2b2d2+2c2d216abcdcos(β+δ)2

Zwischenrechnung

(6)  s=a+b+c+d2

(6.1)  2(sa)=a+b+c+d

(6.2)  2(sb)=ab+c+d

(6.3)  2(sc)=a+bc+d

(6.4)  2(sd)=a+b+cd

(6.1) bis (6.4) ausmultipliziert

(7)  16(sa)(sb)(sc)(sd)=(a+b+c+d)(ab+c+d)(a+bc+d)(a+b+cd)

rechte Seite schrittweise ausmultipliziert

(7.1.1)  (a+b+c+d)(ab+c+d)=a2+abacad+abb2+bc+bd+acbc+c2+cd+adbd+cd+d2

(7.1.2)  (a+b+c+d)(ab+c+d)=a2b2+c2+d2+2ab+2cd

(7.2.1)  (a+bc+d)(a+b+cd)=a2+ab+acad+ab+b2+bcbdacbcc2+cd+ad+bd+cdd2

(7.2.2)  (a+bc+d)(a+b+cd)=a2+b2c2d2+2ab+2cd

(7.3.1)  (a2b2+c2+d2+2ab+2cd)(a2+b2c2d2+2ab+2cd)=

a4a2b2+a2c2+a2d22a3b2a2cda2b2b4+b2c2+b2d22ab32b2cd+a2c2+b2c2c4c2d2
+2abc2+2c3d+a2d2+b2d2c2d2d4+2abd2+2cd3+2a3b+2ab32abc22abd2+4a2b2+4abcd
+2a2cd+2b2cd2c3d2cd3+4abcd+4c2d2

(7.3.2)  (a2b2+c2+d2+2ab+2cd)(a2+b2c2d2+2ab+2cd)=

a4b4c4d4+2a2b2+2a2c2+2a2d2+2b2c2+2b2d2+2c2d2+8abcd

(7.4)  (a+b+c+d)(ab+c+d)(a+bc+d)(a+b+cd)=

a4b4c4d4+2a2b2+2a2c2+2a2d2+2b2c2+2b2d2+2c2d2+8abcd

(7.5)  16(sa)(sb)(sc)(sd)=a4b4c4d4+2a2b2+2a2c2+2a2d2+2b2c2+2b2d2+2c2d2+8abcd

(7.6)  16(sa)(sb)(sc)(sd)8abcd=a4b4c4d4+2a2b2+2a2c2+2a2d2+2b2c2+2b2d2+2c2d2

den rechten Teil

a4b4c4d4+2a2b2+2a2c2+2a2d2+2b2c2+2b2d2+2c2d2

in (5.6) eingesetzt

(8.1)  A2=16(sa)(sb)(sc)(sd)8abcd16abcdcos(β+δ)2

(8.2)  A2=(sa)(sb)(sc)(sd)abcd2abcdcos(β+δ)2

(8.3)  A2=(sa)(sb)(sc)(sd)abcd2[1+cos(β+δ)]

aus Halbwinkelformel (17.1)

1+cos(β+δ)2=cos2β+δ2

(8.4)  A2=(sa)(sb)(sc)(sd)abcdcos2β+δ2

oder

(8.5)  A=(sa)(sb)(sc)(sd)abcdcos2β+δ2

Wikipedia-Verweise

Formel von Bretschneider