Hans Walser, [20150806], [20150810]
FlŠchenoptimierung im Viereck
Anregung: Chr. K., B.
Wir beweisen den Satz:
Unter allen Vierecken mit gegebenen Seiten a, b, c, d hat das Sehnenviereck den grš§ten FlŠcheninhalt.
Wir verwenden die Ÿblichen Bezeichnungen (Abb. 1) und unterteilen das Viereck mit der Diagonalen e in zwei Teildreiecke.
Abb. 1: Bezeichnungen. Unterteilung
FŸr den FlŠcheninhalt A des Viereckes gilt daher:
(1)
Nach dem Kosinussatz gilt fŸr die Diagonale e:
(2)
Somit haben wir die Nebenbedingung:
(3)
Wir haben
die Funktion unter der Nebenbedingung
zu optimieren.
Nach dem Ÿblichen Verfahren bilden wir die Hilfsfunktion
(4)
und setzen deren Gradienten null:
(5)
Die ersten beiden Gleichungen lauten vereinfacht:
(6)
Aus folgt
.
Wir haben ein Sehnenviereck.
Zu gegebenen vier Seiten ist ein Viereck bei Kenntnis eines Winkels bestimmt.
Wenn wir
nun in die Nebenbedingung
einsetzen, erhalten wir:
(5)
Die Abbildung 2 zeigt das zu den SeitenlŠngen a, b, c, d des Viereckes der Abbildung 1 gehšrende Sehnenviereck.
Abb. 2: Sehnenviereck
Wir berechnen weitere Daten des durch die vier Seiten a, b, c, d gegebenen Sehnenvierecks.
Aus (7) ergibt sich durch Umrechnen auf Sinus:
(8)
Wegen ist:
(9)
Wir setzen (8) und (9) in (1) ein und erhalten fŸr den FlŠcheninhalt A:
(10)
Mit (halber
Umfang) kann die FlŠchenformel auch in der folgenden Form geschrieben werden:
(10a)
Das ist die Formel von Brahmagupta (598-670). FŸr d = 0 ergibt sich die Heronsche Formel fŸr die DreiecksflŠche.
Wir setzen (5) in (2) ein und erhalten fŸr die Diagonale e:
(11)
Durch zyklische Vertauschung ergibt sich fŸr die Diagonale f:
(12)
Aus (11) und (12) ergibt sich:
(13)
Dies ist der Satz von PtolemŠus.
FŸr den Umkreisradius r gilt im Dreieck ABC (Abb. 1):
(14)
Einsetzen von (8) und (11) liefert:
(15)
Isch dšs a Rechnerei!
Es gilt:
Ein n-Eck mit gegebenen Seiten hat genau dann maximalen FlŠcheninhalt, wenn seine Ecken auf einem Kreis liegen
(Sehnen-n-Eck).
Beweis: www.walser-h-m.ch/hans/Miniaturen/I/Isoper_Vielecke/Isoper_Vielecke.htm
Das ist eine diskrete Version des isoperimetrischen Problems.