円に内接する4角形の余弦
円に内接する4角形の余弦
円に内接する4角形\(ABCD\)があるとき、余弦\(\cos A\)は
\[ \cos A=\frac{\left|DA\right|^{2}+\left|AB\right|^{2}-\left|BC\right|^{2}-\left|CD\right|^{2}}{2\left(\left|DA\right|\left|AB\right|+\left|BC\right|\left|CD\right|\right)} \] となる。
円に内接する4角形\(ABCD\)があるとき、余弦\(\cos A\)は
\[ \cos A=\frac{\left|DA\right|^{2}+\left|AB\right|^{2}-\left|BC\right|^{2}-\left|CD\right|^{2}}{2\left(\left|DA\right|\left|AB\right|+\left|BC\right|\left|CD\right|\right)} \] となる。
3角形\(DAB\)についての余弦定理より、
\[ \left|BD\right|^{2}=\left|DA\right|^{2}+\left|AB\right|^{2}-2\left|DA\right|\left|AB\right|\cos A \] となり、4角形\(ABCD\)は円に内接しているので\(A+C=\pi\)となるので3角形\(BCD\)についての余弦定理より、
\begin{align*} \left|DB\right|^{2} & =\left|BC\right|^{2}+\left|CD\right|^{2}-2\left|BC\right|\left|CD\right|\cos C\\ & =\left|BC\right|^{2}+\left|CD\right|^{2}-2\left|BC\right|\left|CD\right|\cos\left(\pi-A\right)\cmt{\because A+C=\pi}\\ & =\left|BC\right|^{2}+\left|CD\right|^{2}+2\left|BC\right|\left|CD\right|\cos A \end{align*} となる。
これより、
\[ \left|DA\right|^{2}+\left|AB\right|^{2}-2\left|DA\right|\left|AB\right|\cos A=\left|BC\right|^{2}+\left|CD\right|^{2}+2\left|BC\right|\left|CD\right|\cos C \] となるので移項をすると、
\begin{align*} \left|DA\right|^{2}+\left|AB\right|^{2}-\left|BC\right|^{2}-\left|CD\right|^{2} & =2\left|DA\right|\left|AB\right|\cos A+2\left|BC\right|\left|CD\right|\cos C\\ & =2\cos A\left(\left|DA\right|\left|AB\right|+\left|BC\right|\left|CD\right|\right) \end{align*} となるので、
\[ \cos A=\frac{\left|DA\right|^{2}+\left|AB\right|^{2}-\left|BC\right|^{2}-\left|CD\right|^{2}}{2\left(\left|DA\right|\left|AB\right|+\left|BC\right|\left|CD\right|\right)} \] となる。
従って題意は成り立つ。
\[ \left|BD\right|^{2}=\left|DA\right|^{2}+\left|AB\right|^{2}-2\left|DA\right|\left|AB\right|\cos A \] となり、4角形\(ABCD\)は円に内接しているので\(A+C=\pi\)となるので3角形\(BCD\)についての余弦定理より、
\begin{align*} \left|DB\right|^{2} & =\left|BC\right|^{2}+\left|CD\right|^{2}-2\left|BC\right|\left|CD\right|\cos C\\ & =\left|BC\right|^{2}+\left|CD\right|^{2}-2\left|BC\right|\left|CD\right|\cos\left(\pi-A\right)\cmt{\because A+C=\pi}\\ & =\left|BC\right|^{2}+\left|CD\right|^{2}+2\left|BC\right|\left|CD\right|\cos A \end{align*} となる。
これより、
\[ \left|DA\right|^{2}+\left|AB\right|^{2}-2\left|DA\right|\left|AB\right|\cos A=\left|BC\right|^{2}+\left|CD\right|^{2}+2\left|BC\right|\left|CD\right|\cos C \] となるので移項をすると、
\begin{align*} \left|DA\right|^{2}+\left|AB\right|^{2}-\left|BC\right|^{2}-\left|CD\right|^{2} & =2\left|DA\right|\left|AB\right|\cos A+2\left|BC\right|\left|CD\right|\cos C\\ & =2\cos A\left(\left|DA\right|\left|AB\right|+\left|BC\right|\left|CD\right|\right) \end{align*} となるので、
\[ \cos A=\frac{\left|DA\right|^{2}+\left|AB\right|^{2}-\left|BC\right|^{2}-\left|CD\right|^{2}}{2\left(\left|DA\right|\left|AB\right|+\left|BC\right|\left|CD\right|\right)} \] となる。
従って題意は成り立つ。
ページ情報
| タイトル | 円に内接する4角形の余弦 |
| URL | https://www.nomuramath.com/o4fg19q9/ |
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3角形の面積を外接円・内接円の半径を使って表示
\begin{align*}
S & =\frac{abc}{4R}\\
& =\frac{1}{2}r\left(a+b+c\right)\\
& =2R^{2}\sin A\sin B\sin C\\
& =rR\left(\sin A+\sin B+\sin C\right)
\end{align*}
4角形が円に外接するときの対辺の和
\[
\left|\overrightarrow{AB}\right|+\left|\overrightarrow{CD}\right|=\left|\overrightarrow{BC}\right|+\left|\overrightarrow{DA}\right|
\]
3角形の面積と位置ベクトル
\[
\boldsymbol{X}=\frac{p\boldsymbol{A}+q\boldsymbol{B}+r\boldsymbol{C}}{p+q+r}
\]
傍心円の半径
\[
r_{a}=\frac{S}{s-a}
\]