鉸鏈四邊形

鉸鏈四邊形

鉸鏈四邊形(hinge quadrilateral)是一種特殊的四邊形,如果四邊形的四條邊的邊長一定,其四個內角不固定,這樣的可以變形的四邊形稱為鉸鏈四邊形,鉸鏈四邊形顯示四邊形的不穩定性。

基本概念

如果四邊形的四條邊的邊長一定,其四個內角不固定,這樣的四邊形就叫做鉸鏈四邊形,鉸鏈四邊形的任三邊長度之和大於第四邊,鉸鏈四邊形還有一個重要的性質:在四邊長度給定的一切四邊形中,內接於圓的四邊形具有最大的面積。

圖1 圖1

相關定理

我們知道,一個三角形在三邊長度給定的條件下,這個三角形的形狀及它的面積就被惟一地確定下來,但對四邊形來講,情況就大不相同了,當四邊長度給定時,可以做出各種各樣形狀的四邊形。譬如,我們取長度分別為a、b、c、d的四根小木條,並用鉸鏈聯成一個活動的四邊形(圖2),活動這個四邊形的頂角。便可得到各種形狀的四邊形,這些四邊形具有不同的面積。那么在這些四邊形中,怎么樣的四邊形具有最大的面積?

圖2 圖2

下面的定理回答了這個問題(關於定理的證明請參考相應書籍 )。

定理1 在四邊長度給定的一切四邊形中,內接於圓的四邊形具有最大的面積。

細心的讀者可能會提出這樣的問題:難道在邊長給定的條件下,適當調整夾角一定能使四邊形內接於圓嗎?

引理 在保持四邊形各邊長度的條件下,適當調整它的頂角,一定能夠使它內接於圓 。

圖3 圖3

鉸鏈四邊形的面積

當四邊長度給定時,四邊形面積的最大值

鉸鏈四邊形 鉸鏈四邊形

這也就是四邊給定且又內接於圓的一般四邊形的面積公式 。

設a+b+c+d=2p,公式(1)能改寫成更對稱更完整且便於記憶的形式

鉸鏈四邊形 鉸鏈四邊形

鉸鏈四邊形 鉸鏈四邊形

這個關於a、b、c、d具有對稱形式的公式還告訴我們:面枳的最大值與給定邊的次序無關,僅由給定的邊長a、b、c、d惟一確定。

假如四辺形ABCD的邊長中有一邊的長度逐漸縮短而最後趨於零,譬如DA=d=0,此吋,四邊形退化為三角形,任何三角形都內接於圓,故得三角形面積

鉸鏈四邊形 鉸鏈四邊形
鉸鏈四邊形 鉸鏈四邊形

這就是著名的 海倫公式。因此,上述公式是海倫公式的推廣。

公式(1):

鉸鏈四邊形 鉸鏈四邊形

是我國南宋數學家秦九韶在他所著《數書九章》中的三斜求積(已知三邊求三角形的面積)公

鉸鏈四邊形 鉸鏈四邊形

的推廣 。

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