Sehnenviereck

Ein Sehnenviereck (oder auch Kreisviereck, {{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=en|SCRIPTING=Latn|SERVICE=englisch}}) ist ein Viereck, dessen Eckpunkte auf einem Kreis liegen, dem Umkreis des Vierecks. Folglich sind alle Seiten des Sehnenvierecks Sehnen des Umkreises. Üblicherweise meint man mit Sehnenviereck ein nicht-überschlagenes Sehnenviereck; es ist notwendigerweise konvex.

Das gleichschenklige Trapez, das Rechteck und das Quadrat sind besondere Sehnenvierecke.

Sätze

Für jedes Sehnenviereck gilt der Sehnensatz:

Die Produkte je zweier gegenüberliegender Diagonalenabschnitte sind gleich groß. Das heißt, wenn <math>P</math> der Schnittpunkt der beiden Diagonalen <math>\overline{AC}</math> und <math>\overline{BD}</math> ist, so gilt <math>|\overline{AP}| \cdot |\overline{CP}| = |\overline{BP}| \cdot |\overline{DP}|</math>.

Die folgenden Sätze gelten nur für nicht-überschlagene Sehnenvierecke ABCD:

Gegenüberliegende Winkel ergänzen sich zu 180°, also <math>\alpha + \gamma = \beta + \delta = 180^\circ</math>.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Satz von Ptolemäus: Die Summe der Produkte gegenüberliegender Seiten des Sehnenvierecks ist gleich dem Produkt der Diagonalen:

<math>|\overline{AB}| \cdot |\overline{CD}| + |\overline{BC}| \cdot |\overline{DA}| = |\overline{AC}| \cdot |\overline{BD}|</math>.

Eigenschaften

Winkelsummen

Im Sehnenviereck beträgt die Winkelsumme der gegenüberliegenden Winkel 180° (Abbildung 1).

<math>\alpha + \gamma = 180^\circ </math>

<math>\beta + \delta = 180^\circ </math>

Der Beweis ergibt sich unmittelbar aus dem Kreiswinkelsatz, da zwei gegenüberliegende Winkel des Sehnenvierecks Umfangswinkel (Peripheriewinkel) über zwei komplementären Kreisbögen sind, deren Mittelpunktswinkel (Zentriwinkel) sich zu 360° ergänzen. Da Umfangswinkel halb so groß sind wie Mittelpunktswinkel über dem gleichen Bogen,<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> müssen sich die Umfangswinkel zu 360°/2 = 180° ergänzen.

Zwei weitere Beweise finden sich im Beweisarchiv.

Auch die Umkehrung dieser Aussage ist richtig: Beträgt in einem Viereck die Summe gegenüberliegender Winkel 180°, dann ist es ein Sehnenviereck.

Orthogonale Linien

Eine weitere Eigenschaft im Sehnenviereck beschreibt der nachfolgende Satz (Abbildung 2).

Ist <math>ABCD</math> ein Sehnenviereck und sind <math>E</math>, <math>F</math>, <math>G</math> und <math>H</math> die Mittelpunkte der Kreisbögen über den Seiten des Sehnenvierecks, so sind die Verbindungslinien <math>\overline{EG}</math> und <math>\overline{FH}</math> orthogonal zueinander.

Der Beweis verwendet ebenfalls den Kreiswinkelsatz. Die Umkreisbögen <math>b_1</math> zwischen <math>H</math> und <math>E</math> sowie <math>b_2</math> zwischen <math>F</math> und <math>G</math> umfassen zusammen einen Winkel von 180°, weil sie jeweils die Hälfte der Bögen über den Vierecksseiten <math>\overline{AB}</math>, <math>\overline{BC}</math>, <math>\overline{CD}</math> und <math>\overline{DA}</math> enthalten.

Nach dem Kreiswinkelsatz sind die Umfangswinkel <math>\alpha</math> und <math>\beta</math> jeweils halb so groß wie die zugehörigen Mittelpunktswinkel der Kreisbögen <math>b_1</math> und <math>b_2</math>.

Folglich gilt <math>\alpha + \beta = 90^\circ</math>, also sind wegen der Innenwinkelsumme 180° im Dreieck <math>GHK</math> auch die Strecken <math>\overline{EG}</math> und <math>\overline{FH}</math> orthogonal zueinander.<ref>Wolfgang Zeuge: Nützliche und schöne Geometrie - Eine etwas andere Einführung in die Euklidische Geometrie. Zweite korrigierte und ergänzte Auflage, Springer Spektrum, Springer-Verlag GmbH, Berlin 2021, ISBN 978-3-662-63830-9, Seiten 120 und 121.</ref>

Einbeschriebene Raute

Gegeben sei ein Sehnenviereck <math>ABCD</math>, bei dem sich die Verlängerungen von zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils in <math>P</math> bzw. <math>Q</math> schneiden.

Dann ist das Viereck <math>EFGH</math>, dessen Eckpunkte die Schnittpunkte der Winkelhalbierenden durch <math>P</math> und <math>Q</math> mit den Seiten von <math>ABCD</math> sind, stets eine Raute (Abbildung 3).

Beweis:

Aus den Eigenschaften des Sehnenvierecks folgt, dass die Winkel <math>\angle QBF</math> und <math>\angle HDG</math> gleich groß sind. Die Dreiecke <math>BQF</math> und <math>HQD</math> sind ähnlich zueinander, da sie in den obigen Winkeln und dem halben Winkel <math>\angle CQB</math> übereinstimmen. Daraus folgt, dass die Winkel <math>\angle BFQ</math> und <math>\angle FHD</math> gleich groß sind. Da <math>\angle BFQ</math> und <math>\angle CFH</math> Scheitelwinkel sind, haben auch sie dieselbe Weite. Damit sind wegen der Ähnlichkeit von <math>BQF</math> und <math>HQD</math> die Winkel <math>\angle PFH</math> und <math>\angle FHP</math> ebenfalls gleich groß. Also ist <math>HFP</math> ein gleichschenkliges Dreieck und somit die Winkelhalbierende <math>w_1</math> zugleich die Mittelsenkrechte von <math>HF</math>. Da <math>E</math> und <math>G</math> auf dieser Mittelsenkrechten liegen, haben sie denselben Abstand von <math>F</math> und <math>H</math>.

In analoger Vorgehensweise lässt sich schließen, dass <math>F</math> und <math>H</math> denselben Abstand von <math>E</math> und <math>G</math> haben.

Damit ist gezeigt, dass das Viereck <math>EFGH</math> eine Raute ist.<ref>Ross Honsberger: Gitter - Reste - Würfel Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1984, ISBN 978-3-528-08476-9, Seiten 218 und 219</ref><ref>George Zerr: Problem 90, American Mathematical Monthly, 1898, S. 143</ref>

Entstehung aus Winkelhalbierenden

Die Halbierenden der Innenwinkel eines beliebigen Vierecks umschließen ein Sehnenviereck (Abbildung 4).

Beweis:

Aus den Eigenschaften der Winkelsumme und der Scheitelwinkel folgt

<math>\epsilon=180^\circ-\frac{\alpha}{2}-\frac{\delta}{2}</math>

und

<math>\zeta=180^\circ-\frac{\beta}{2}-\frac{\gamma}{2}</math>.

Aus der Summe

<math>\epsilon+\zeta=360^\circ-\frac{1}{2} \left(\alpha+\beta+\gamma+\delta\right)=180^\circ</math>

folgt dann aufgrund der Eigenschaft gegenüberliegender Winkel im Sehnenviereck die Behauptung.

Hinweis: Mit analoger Beweisführung gilt die obige Aussage auch für die Außenwinkel.<ref>Lorenz Halbeisen, Norbert Hungerbühler, Juan Läuchli: Mit harmonischen Verhältnissen zu Kegelschnitten - Perlen der klassischen Geometrie, 2. Auflage, Springer Spektrum 2016, ISBN 978-3-662-63329-8, S. 23/220</ref>

Satz von Thébault für Sehnenvierecke

Der Satz von Thébault gilt für beliebige Sehnenvierecke:<ref name="Herrmann">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> Die Lote der Seitenmitten auf die Gegenseiten (grün in Abb. 5) schneiden sich in einem Punkt <math>E</math>. Dieser ist der Spiegelpunkt des Umkreismittelpunkts <math>U</math> am Schwerpunkt <math>S</math> der vier Ecken (rot.)<ref>Ross Honsberger: Episodes in Nineteenth and Twentieth Century Euclidean Geometry. Cambridge University Press, S. 35–39, ISBN 978-0-88385-639-0 </ref>

Wenn die Diagonalen zueinander orthogonal sind, ist nach dem Satz von Brahmagupta <math>E</math> ihr Schnittpunkt. Daraus folgt, dass der Abstand des Mittelpunkts einer Seite zu <math>E</math> die Hälfte der Länge dieser Seite ist. Wenn <math>a,b,c,d</math> die Seitenlängen sind, wobei <math>a</math> die Gegenseite von <math>c</math> und <math>b</math> die von <math>d</math> ist, und <math>r</math> der Radius des Umkreises ist, dann gilt:

<math>a^2+c^2=b^2+d^2=4r^2</math>.

{{#invoke:Vorlage:Anker|f |errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Anker |errHide=1}} Formeln

Mathematische Formeln zum Sehnenviereck
Flächeninhalt	f}}</ref>
Flächeninhalt	<math>F = \frac{e \cdot (a \cdot b + c \cdot d)}{4 \cdot R}=\frac{f \cdot (a \cdot d + b \cdot c)}{4 \cdot R}</math>
Länge der Diagonalen	AC\|=\sqrt{\frac{(a \cdot c + b \cdot d) \cdot (a \cdot d + b \cdot c)}{a \cdot b + c \cdot d}} </math><ref name="Bronstein140">{{#invoke:Vorlage:Literatur\|f}}</ref>
Länge der Diagonalen	BD\| = \sqrt{\frac{(a \cdot b + c \cdot d) \cdot (a \cdot c + b \cdot d)}{a \cdot d + b \cdot c}} </math><ref name="Bronstein140" />
Umkreisradius	<math>R = \frac{1}{4 \cdot F} \cdot \sqrt{(a \cdot b + c \cdot d) \cdot (a \cdot c + b \cdot d) \cdot (a \cdot d + b \cdot c)}</math><ref name="Bronstein140" />
Innenwinkel	<math> \alpha + \gamma = \beta + \delta = 180^\circ </math>

Die zuerst genannte Formel für den Flächeninhalt ist eine Verallgemeinerung des Satz des Heron für Dreiecke und wird auch als Satz von Brahmagupta oder Formel von Brahmagupta bezeichnet. Hierbei fasst man ein Dreieck als ein ausgeartetes Sehnenviereck auf, dessen vierte Seite die Länge 0 besitzt, d. h. zwei seiner Eckpunkte liegen aufeinander. Die Formel von Brahmagupta kann zur Formel von Bretschneider verallgemeinert werden, diese fügt Brahmaguptas Formel einen Korrekturterm, der im Falle eines Sehnenvierecks 0 ist, hinzu und gilt dann für beliebige Vierecke.

Ein Viereck mit festen, geordneten Seitenlängen hat genau dann den größtmöglichen Flächeninhalt, wenn es ein Sehnenviereck ist. Ebenso hat ein Vieleck genau dann den größten Flächeninhalt, wenn es ein Sehnenvieleck ist.<ref>Titu Andreescu, Oleg Mushkarov, Luchezar N. Stoyanov: Geometric Problems on Maxima and Minima. Birkhäuser, Boston u. a. 2006, ISBN 0-8176-3517-3, S. 69 ({{#if: Gvrr-7wt__gC | {{#if: {{#if: ||1}} {{#if: Gvrr-7wt__gC ||1}} | <0|&pg={{#if:|RA{{{Band}}}-}}PA69|&pg=69}}{{#if:|&q=}}#v=onepage|{{#if:|&pg=|}}{{#if:|&q=}}}}{{#if:|q=%7B%7B%7BSuchbegriff%7D%7D%7D}}|{{#if:|q=%7B%7B%7BSuchbegriff%7D%7D%7D}}}} {{#if:Auszug (Google)|{{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Auszug (Google)}}|eingeschränkte Vorschau}}{{#if:ja|| in der Google-Buchsuche}}{{#ifeq:|US|-USA}}{{#if: Gvrr-7wt__gC |{{#invoke: Vorlage:GoogleBook|fine |id=Gvrr-7wt__gC |errN=Parameter „BuchID“ hat falsche Länge |errC=Parameter „BuchID“ enthält ungültige Zeichen |errH=# in der „BuchID“ |errP=Parameterzuweisungen in der „BuchID“ |class=editoronly |cat={{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Google Buch}} |template= Vorlage:Google Buch}} }} | Es darf nur genau einer der beiden Parameter „Suchbegriff“ oder „BuchID“ ausgefüllt werden. Bitte beachte die in der Vorlage:Google Buch befindliche Dokumentation und prüfe die verwendeten Parameter.{{#ifeq: 0 | 0 | }}}} | Es muss mindestens einer der beiden Parameter „Suchbegriff“ oder „BuchID“ ausgefüllt werden. Bitte beachte die in der Vorlage:Google Buch befindliche Dokumentation und prüfe die verwendeten Parameter.{{#ifeq: 0 | 0 | }}}}{{#invoke:TemplatePar|check |all= |opt= Suchbegriff= BuchID= Seite= Band= SeitenID= Hervorhebung= Linktext= Land= KeinText= |cat= {{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Google Buch}} |template= Vorlage:Google Buch |format= @@@ }}{{#if:Auszug (Google)|{{#if:{{#invoke:WLink|isBracketedLink|Auszug (Google)}}| Linktext ungültig}}}}).</ref>

Weitere Formeln

Nach dem Satz des Pythagoras gilt für die Flächeninhalte der Dreiecke ABM, BCM, CDM und DAM

<math>F(ABM) = \frac{1}{2} \cdot a \cdot \sqrt{R^2 - \left(\frac{a}{2}\right)^2} = \frac{a}{4} \cdot \sqrt{4 \cdot R^2 - a^2} </math> und entsprechend

Der Flächeninhalt des Sehnenvierecks ABCD ist die Summe dieser vier Flächeninhalte, also gilt

<math>\begin{align}

F &= F(ABM) + F(BCM) + F(CDM) + F(DAM) \\ &= \frac{a}{4} \cdot \sqrt{4 \cdot R^2 - a^2} + \frac{b}{4} \cdot \sqrt{4 \cdot R^2 - b^2} + \frac{c}{4} \cdot \sqrt{4 \cdot R^2 - c^2} + \frac{d}{4} \cdot \sqrt{4 \cdot R^2 - d^2} \\ &= \frac{1}{4} \cdot \left(a \cdot \sqrt{4 \cdot R^2 - a^2} + b \cdot \sqrt{4 \cdot R^2 - b^2} + c \cdot \sqrt{4 \cdot R^2 - c^2} + d \cdot \sqrt{4 \cdot R^2 - d^2}\right) \end{align}</math>

Bezeichnet man die Mittelpunktswinkel, die den Seiten <math>a </math>, <math>b </math>, <math>c </math>, <math>d </math> gegenüber liegen, mit <math>\alpha_m </math>, <math>\beta_m </math>, <math>\gamma_m </math>, <math>\delta_m </math>, dann gilt nach der Definition von Sinus und Kosinus

<math>\sin \left(\frac{\alpha_m}{2}\right) = \frac{a}{2 \cdot R}</math> und <math>\cos \left(\frac{\alpha_m}{2}\right) = \frac{\sqrt{4 \cdot R^2 - a^2}}{2 \cdot R}</math>, also <math>\sin \left(\frac{\alpha_m}{2}\right) \cdot \cos \left(\frac{\alpha_m}{2}\right) = \frac{a}{2 \cdot R} \cdot \frac{\sqrt{4 \cdot R^2 - a^2}}{2 \cdot R} = \frac{a \cdot \sqrt{4 \cdot R^2 - a^2}}{4 \cdot R^2}</math>. Aus der Formel für die Doppelwinkelfunktionen folgt

<math>a \cdot \sqrt{4 \cdot R^2 - a^2} = 4 \cdot R^2 \cdot \sin \left(\frac{\alpha_m}{2}\right) \cdot \cos \left(\frac{\alpha_m}{2}\right) = 2 \cdot R^2 \cdot \sin(\alpha_m)</math> und entsprechend

<math>c \cdot \sqrt{4 \cdot R^2 - c^2} = 2 \cdot R^2 \cdot \sin(\gamma_m)</math>

<math>d \cdot \sqrt{4 \cdot R^2 - d^2} = 2 \cdot R^2 \cdot \sin(\delta_m)</math>

Einsetzen in die Formel für den Flächeninhalt ergibt<ref>Harald Schröer, Universitätsbibliothek Heidelberg: Die 4. Seite und der Flächeninhalt des Sehnenvierecks</ref>

<math>\begin{align}

F &= \frac{1}{4} \cdot \left(2 \cdot R^2 \cdot \sin(\alpha_m) + 2 \cdot R^2 \cdot \sin(\beta_m) + 2 \cdot R^2 \cdot \sin(\gamma_m) + 2 \cdot R^2 \cdot \sin(\delta_m)\right) \\ &= \frac{R^2}{2} \cdot \left(\sin(\alpha_m) + \sin(\beta_m) + \sin(\gamma_m) + \sin(\delta_m)\right) \end{align}</math>

Gleichungen

Für die Innenwinkel eines Sehnenvierecks gelten folgende Gleichungen:<ref>C. V. Durell, A. Robson: Advanced Trigonometry. Dover, 2003 (Nachdruck der Originalausgabe von 1930), S. 23, 26, 31</ref>

<math>\sin(\alpha) = \frac{2 \cdot \sqrt{(s - a) \cdot (s - b) \cdot (s - c) \cdot (s - d)}}{a \cdot d + b \cdot c}</math>

<math>\cos(\alpha) = \frac{a^2 + d^2 - b^2 - c^2}{2 \cdot (a \cdot d + b \cdot c)}</math>

<math>\tan\left(\frac{\alpha}{2}\right) = \sqrt{\frac{(s - a) \cdot (s - d)}{(s - b) \cdot (s - c)}}</math>

Für den Schnittwinkel der Diagonalen gilt:

<math>\tan\left(\frac{\theta}{2}\right) = \sqrt{\frac{(s - b) \cdot (s - d)}{(s - a) \cdot (s - c)}}</math>

Für den Schnittwinkel der verlängerten Seiten a und c gilt:

<math>\cos\left({\frac{\varphi}{2}}\right) = \sqrt{\frac{(s - b) \cdot (s - d) \cdot (b + d)^2}{(a \cdot b + c \cdot d) \cdot (a \cdot d + b \cdot c)}}</math>

Die Bezeichnung <math>s = \tfrac{1}{2} (a+b+c+d)</math> steht für den halben Umfang des Sehnenvierecks.

Sehnentangentenviereck

Spezielle Eigenschaften

Ist ein Sehnenviereck auch zugleich ein Tangentenviereck, so wird es Sehnentangentenviereck genannt. Es besitzt sowohl einen Inkreis als auch einen Umkreis. Da die Konstruktion eines Sehnentangentenvierecks aufwändiger ist als die eines reinen Sehnen-, bzw. Tangentenvierecks, liefert der nachfolgende Satz ein Kriterium, welches die Konstruktion erleichtert:

Ein Tangentenviereck ist genau dann ein Sehnentangentenviereck, wenn die Verbindungsstrecken gegenüberliegender Berührpunkte des Inkreises senkrecht aufeinander stehen.

Beweis:

Zu zeigen ist, dass das Tangentenviereck <math>ABCD</math> genau dann zugleich ein Sehnenviereck ist, wenn <math>\varphi=90^\circ</math> gilt.

Anders ausgedrückt ist somit zu zeigen:

<math>\beta+\delta=180^\circ\Leftrightarrow\varphi=90^\circ</math>

Da die beiden Dreiecke <math>EGM_1</math> und <math>FHM_1</math> gleichschenklig sind, haben die Winkel <math>\angle M_1GE</math> und <math>\angle GEM_1</math> jeweils die Weite <math>\alpha</math> und die Winkel <math>\angle HFM_1</math> und <math>\angle M_1HF</math> jeweils die Weite <math>\gamma</math>.

Das Viereck <math>SECF</math> hat die Innenwinkelsumme

<math>(90^\circ-\alpha)+\beta+(90^\circ+\gamma)+\varphi=360^\circ \Leftrightarrow \beta=\alpha-\gamma-\varphi+180^\circ</math>.

Das Viereck <math>AHSG</math> hat die Innenwinkelsumme

<math>\delta+(90^\circ-\gamma)+\varphi+(90^\circ+\alpha)=360^\circ \Leftrightarrow \delta=\gamma-\varphi-\alpha+180^\circ</math>.

Nach Addition dieser beiden Gleichungen erhält man:

<math>\beta+\delta=360^\circ-2\varphi</math>

Also ist <math>\beta+\delta=180^\circ</math> genau dann, wenn <math>\varphi=90^\circ</math>, was zu zeigen war.

Vereinfachte Flächeninhaltsberechnung

Aus der Flächeninhaltsformel <math>F = \sqrt{(s - a) \cdot (s - b) \cdot (s - c) \cdot (s - d)}</math> für Sehnenvierecke und der Halbumfangsformel <math>s=a+c=b+d</math> für Tangentenvierecke nach dem Satz von Pitot folgt speziell für Sehnentangentenvierecke die vereinfachte Flächeninhaltsformel

<math>F =\sqrt{a\cdot b\cdot c\cdot d}</math>.<ref>Wolfgang Zeuge: Nützliche und schöne Geometrie - Eine etwas andere Einführung in die Euklidische Geometrie. Zweite korrigierte und ergänzte Auflage, Springer Spektrum, Springer-Verlag GmbH, Berlin 2021, ISBN 978-3-662-63830-9, S. 133–134.</ref>

Siehe auch

Literatur

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Weblinks

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Sehnenviereck auf www.mathematische-basteleien.de
Hans Walser: Sehnenviereck (PDF; 0,8 MB)
Das Sehnen- & Tangentenviereck (PDF; 1,7 MB)

Einzelnachweise