外接円を持つ4角形の角度と対角線の長さ

外接円を持つ4角形の角度と対角線の長さ
4角形\(ABCD\)が外接円をもち、辺の長さを順に\(abcd\)とし、\(\left|\overrightarrow{AC}\right|=p\)とする。

(1)

\[ B=\cos^{\bullet}\left(\frac{\left(a^{2}+b^{2}-c^{2}-d^{2}\right)}{2\left(ab+cd\right)}\right) \]

(2)

\[ p=\sqrt{\frac{cd\left(a^{2}+b^{2}\right)+ab\left(c^{2}+d^{2}\right)}{ab+cd}} \]

(1)

外接円を持つので対角の和は\(\pi\)となるので、
\begin{align*} \cos B & =\frac{a^{2}+b^{2}-p^{2}}{2ab}\\ & =\frac{a^{2}+b^{2}-\left(c^{2}+d^{2}-2cd\cos D\right)}{2ab}\\ & =\frac{a^{2}+b^{2}-c^{2}-d^{2}+2cd\cos\left(B+D-B\right)}{2ab}\\ & =\frac{a^{2}+b^{2}-c^{2}-d^{2}+2cd\left\{ \cos\left(B+D\right)\cos\left(-B\right)-\sin\left(B+D\right)\sin\left(-B\right)\right\} }{2ab}\\ & =\frac{a^{2}+b^{2}-c^{2}-d^{2}-2cd\cos\left(B\right)}{2ab}\\ & =\frac{ab}{ab+cd}\frac{a^{2}+b^{2}-c^{2}-d^{2}+2cd\sin\left(B+D\right)\sin\left(B\right)}{2ab}\\ & =\frac{a^{2}+b^{2}-c^{2}-d^{2}}{2\left(ab+cd\right)} \end{align*} となり、与式は成り立つ。

(2)

(1)より、
\begin{align*} p & =\sqrt{a^{2}+b^{2}-2ab\cos B}\\ & =\sqrt{a^{2}+b^{2}-2ab\frac{a^{2}+b^{2}-c^{2}-d^{2}}{2\left(ab+cd\right)}}\\ & =\sqrt{a^{2}+b^{2}-ab\frac{a^{2}+b^{2}-c^{2}-d^{2}}{\left(ab+cd\right)}}\\ & =\sqrt{cd\frac{a^{2}+b^{2}}{ab+cd}+ab\frac{c^{2}+d^{2}}{ab+cd}}\\ & =\sqrt{\frac{cd\left(a^{2}+b^{2}\right)+ab\left(c^{2}+d^{2}\right)}{ab+cd}} \end{align*} となり、与式は成り立つ。
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外接円を持つ4角形の角度と対角線の長さ
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