Tangentenviereck


Ein Tangentenviereck ist ein Viereck, dessen Seiten Tangenten eines Kreises sind. Diesen Kreis nennt man den Inkreis des Tangentenvierecks. Ein solches Tangentenviereck ist immer konvex. Vierecke, bei denen lediglich die verlängerten Seiten Tangenten eines Kreises sind und die damit auch nicht notwendigerweise konvex sein müssen, sind keine Tangentenvierecke im Sinne der hiesigen Definition. Spezielle Tangentenvierecke sind das Quadrat, die Raute und das Drachenviereck.

Inhaltsverzeichnis

Eigenschaften


Für jedes Tangentenviereck gilt der Satz von Pitot: Die Summe zweier gegenüberliegender Seiten gleich der Summe der anderen beiden Seiten. Es gilt also

\({\displaystyle a+c=b+d}\)

Umgekehrt gilt auch, dass jedes konvexe Viereck mit \({\displaystyle a+c=b+d}\) einen Inkreis besitzt und somit ein Tangentenviereck ist. Der Satz von Pitot und seine Umkehrung werden zusammen auch als Satz vom Tangentenviereck bezeichnet.

Der Mittelpunkt des Inkreises ist der Schnittpunkt der Winkelhalbierenden aller vier Innenwinkel. Deshalb müssen sich beim Tangentenviereck alle Winkelhalbierenden auch in einem Punkt schneiden.

Außerdem ist ein Viereck, das kein Trapez ist, genau dann ein Tangentenviereck, wenn eine der folgenden Bedingungen gilt:

Dabei ist E der Schnittpunkt der Geraden \({\displaystyle AB}\) und \({\displaystyle CD}\) und F ist der Schnittpunkt der Geraden \({\displaystyle BC}\) und \({\displaystyle DA}\).

Sind P, Q, R, S die Fußpunkte der Lote des Inkreismittelpunkts M auf die Seiten AB, BC, CD, DA und \({\displaystyle r}\) der Inkreisradius des Tangentenvierecks, dann sind die rechtwinkligen Dreiecke MSA und APM nach dem Kongruenzsatz SWS kongruent, weil sie die Seite AM gemeinsam haben und außerdem \({\displaystyle {\overline {MS}}={\overline {MP}}=r}\) und \({\displaystyle \angle MSA=\angle APM=90^{\circ }}\) gilt. Daraus folgt, dass die Innenwinkel dieser rechtwinkligen Dreiecke jeweils gleich sind, also gilt auch \({\displaystyle \angle AMS=\angle PMA}\). Entsprechend gilt \({\displaystyle \angle BMP=\angle QMB}\), \({\displaystyle \angle CMQ=\angle RMC}\) und \({\displaystyle \angle DMR=\angle SMD}\). Die Summe dieser acht Teilwinkel am Inkreismittelpunkt M ist gleich 360°. Daraus folgt schließlich \({\displaystyle \angle BMA+\angle DMC=\angle PMA+\angle BMP+\angle RMC+\angle DMR=180^{\circ }}\) und \({\displaystyle \angle CMB+\angle AMD=\angle QMB+\angle CMQ+\angle SMD+\angle AMS=180^{\circ }}\), also \({\displaystyle \angle BMA+\angle DMC=\angle CMB+\angle AMD=180^{\circ }}\). Die Summe der gegenüber liegenden Winkel am Inkreismittelpunkt beträgt also jeweils 180°.[1]

Formeln


Mathematische Formeln zum Tangentenviereck
Flächeninhalt \({\displaystyle A=r\cdot (a+c)=r\cdot (b+d)}\)
\({\displaystyle A={\frac {1}{2}}\cdot {\sqrt {p^{2}\cdot q^{2}-(a\cdot c-b\cdot d)^{2}}}}\)
\({\displaystyle A={\sqrt {(e+f+g+h)\cdot (e\cdot f\cdot g+f\cdot g\cdot h+g\cdot h\cdot e+h\cdot e\cdot f)}}}\)
\({\displaystyle A={\sqrt {a\cdot b\cdot c\cdot d-(e\cdot g-f\cdot h)^{2}}}}\)
\({\displaystyle A={\sqrt {a\cdot b\cdot c\cdot d}}\cdot \sin \left({\frac {\alpha +\gamma }{2}}\right)={\sqrt {a\cdot b\cdot c\cdot d}}\cdot \sin \left({\frac {\beta +\delta }{2}}\right)}\)
Umfang \({\displaystyle U=2\cdot (a+c)=2\cdot (b+d)}\)
Länge der Diagonalen \({\displaystyle p={\sqrt {\frac {(e+g)\cdot ((e+g)\cdot (f+h)+4\cdot f\cdot h)}{f+h}}}}\)
\({\displaystyle q={\sqrt {\frac {(f+h)\cdot ((e+g)\cdot (f+h)+4\cdot e\cdot g)}{e+g}}}}\)
Inkreisradius \({\displaystyle r={\frac {A}{a+c}}={\frac {A}{b+d}}}\)
\({\displaystyle r={\sqrt {\frac {e\cdot f\cdot g+f\cdot g\cdot h+g\cdot h\cdot e+h\cdot e\cdot f}{e+f+g+h}}}}\)

Ein interessanter Spezialfall liegt vor, wenn ein Tangentenviereck die Bedingung

\({\displaystyle \alpha +\gamma =\beta +\delta }\)

erfüllt. Unter dieser Voraussetzung ist das Tangentenviereck zugleich ein Sehnenviereck, also ein Viereck mit Inkreis und Umkreis. Die Formel für den Flächeninhalt von Sehnenvierecken liefert in diesem Fall das einfache Ergebnis

\({\displaystyle A={\sqrt {a\cdot b\cdot c\cdot d}}}\)

Mithilfe des Satz des Pythagoras und des Kosinussatz erhält man die Längen der tangentialen Sehnen \({\displaystyle k={\overline {PR}}}\) und \({\displaystyle l={\overline {QS}}}\). Es gilt

\({\displaystyle k={\sqrt {\frac {e\cdot f\cdot g+f\cdot g\cdot h+g\cdot h\cdot e+h\cdot e\cdot f}{(e+f)\cdot (g+h)\cdot (e+g)\cdot (f+h)}}}}\)
\({\displaystyle l={\sqrt {\frac {e\cdot f\cdot g+f\cdot g\cdot h+g\cdot h\cdot e+h\cdot e\cdot f}{(e+h)\cdot (f+g)\cdot (e+g)\cdot (f+h)}}}}\)

Daraus ergibt sich das Längenverhältnis[1]

\({\displaystyle {\frac {k}{l}}={\sqrt {\frac {(f+g)\cdot (e+h)}{(e+f)\cdot (g+h)}}}={\sqrt {\frac {b\cdot d}{a\cdot c}}}}\)

Gleichungen


Für die Winkel jedes Tangentenvierecks gelten folgende Gleichungen:[1][2]

\({\displaystyle \sin \left({\frac {\alpha }{2}}\right)={\sqrt {\frac {e\cdot f\cdot g+f\cdot g\cdot h+g\cdot h\cdot e+h\cdot e\cdot f}{(e+f)\cdot (e+g)\cdot (e+h)}}}}\)
\({\displaystyle \sin \left({\frac {\beta }{2}}\right)={\sqrt {\frac {e\cdot f\cdot g+f\cdot g\cdot h+g\cdot h\cdot e+h\cdot e\cdot f}{(f+e)\cdot (f+g)\cdot (f+h)}}}}\)
\({\displaystyle \sin \left({\frac {\gamma }{2}}\right)={\sqrt {\frac {e\cdot f\cdot g+f\cdot g\cdot h+g\cdot h\cdot e+h\cdot e\cdot f}{(g+e)\cdot (g+f)\cdot (g+h)}}}}\)
\({\displaystyle \sin \left({\frac {\delta }{2}}\right)={\sqrt {\frac {e\cdot f\cdot g+f\cdot g\cdot h+g\cdot h\cdot e+h\cdot e\cdot f}{(h+e)\cdot (h+f)\cdot (h+g)}}}}\)
\({\displaystyle \tan \left({\frac {\angle ABD}{2}}\right)\cdot \tan \left({\frac {\angle BDC}{2}}\right)=\tan \left({\frac {\angle ADB}{2}}\right)\cdot \tan \left({\frac {\angle DBC}{2}}\right)}\)

Siehe auch


Literatur


Weblinks


Commons: Tangentenviereck  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Tangentenviereck – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise


  1. a b c Martin Josefsson: Calculations concerning the tangent lengths and tangency chords of a tangential quadrilateral , Forum Geometricorum
  2. Nicusor Minculete: Characterizations of a Tangential Quadrilateral , Forum Geometricorum









Kategorien: Viereck | Vierecksgeometrie




Stand der Informationen: 19.12.2020 04:10:39 CET

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