Un cuadrilátero con la denominación de sus elementos característicos En geometría , la fórmula de Bretschneider es una expresión que permite calcular el área de un cuadrilátero general:
K
=
(
s
−
a
)
(
s
−
b
)
(
s
−
c
)
(
s
−
d
)
−
a
b
c
d
⋅
cos
2
(
α
+
γ
2
)
{\displaystyle K={\sqrt {(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)-abcd\cdot \cos ^{2}\left({\frac {\alpha +\gamma }{2}}\right)}}}
=
(
s
−
a
)
(
s
−
b
)
(
s
−
c
)
(
s
−
d
)
−
1
2
a
b
c
d
[
1
+
cos
(
α
+
γ
)
]
.
{\displaystyle ={\sqrt {(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)-{\tfrac {1}{2}}abcd[1+\cos(\alpha +\gamma )]}}.}
Aquí, a b c d s semiperímetro , y α γ
Se cumple en cualquier cuadrilátero, ya sea cíclico o no.
El matemático alemán Carl Anton Bretschneider descubrió la fórmula en 1842. También fue deducida ese mismo año por el matemático alemán Karl Georg Christian von Staudt .
Si se denomina K al área del cuadrilatero, entonces se tiene que
K
=
área de
△
A
D
B
+
área de
△
B
D
C
=
a
d
sin
α
2
+
b
c
sin
γ
2
.
{\displaystyle {\begin{aligned}K&={\text{área de }}\triangle ADB+{\text{área de }}\triangle BDC\\&={\frac {ad\sin \alpha }{2}}+{\frac {bc\sin \gamma }{2}}.\end{aligned}}}
Por lo tanto
2
K
=
(
a
d
)
sin
α
+
(
b
c
)
sin
γ
.
{\displaystyle 2K=(ad)\sin \alpha +(bc)\sin \gamma .}
4
K
2
=
(
a
d
)
2
sin
2
α
+
(
b
c
)
2
sin
2
γ
+
2
a
b
c
d
sin
α
sin
γ
.
{\displaystyle 4K^{2}=(ad)^{2}\sin ^{2}\alpha +(bc)^{2}\sin ^{2}\gamma +2abcd\sin \alpha \sin \gamma .}
La ley del coseno implica que
a
2
+
d
2
−
2
a
d
cos
α
=
b
2
+
c
2
−
2
b
c
cos
γ
,
{\displaystyle a^{2}+d^{2}-2ad\cos \alpha =b^{2}+c^{2}-2bc\cos \gamma ,}
porque ambos lados equivalen al cuadrado de la longitud de la diagonal BD
(
a
2
+
d
2
−
b
2
−
c
2
)
2
4
=
(
a
d
)
2
cos
2
α
+
(
b
c
)
2
cos
2
γ
−
2
a
b
c
d
cos
α
cos
γ
.
{\displaystyle {\frac {(a^{2}+d^{2}-b^{2}-c^{2})^{2}}{4}}=(ad)^{2}\cos ^{2}\alpha +(bc)^{2}\cos ^{2}\gamma -2abcd\cos \alpha \cos \gamma .}
Añadiendo esto a la fórmula superior por 4K 2 , resulta
4
K
2
+
(
a
2
+
d
2
−
b
2
−
c
2
)
2
4
=
(
a
d
)
2
+
(
b
c
)
2
−
2
a
b
c
d
cos
(
α
+
γ
)
=
(
a
d
+
b
c
)
2
−
2
a
b
c
d
−
2
a
b
c
d
cos
(
α
+
γ
)
=
(
a
d
+
b
c
)
2
−
2
a
b
c
d
(
cos
(
α
+
γ
)
+
1
)
=
(
a
d
+
b
c
)
2
−
4
a
b
c
d
(
cos
(
α
+
γ
)
+
1
2
)
=
(
a
d
+
b
c
)
2
−
4
a
b
c
d
cos
2
(
α
+
γ
2
)
.
{\displaystyle {\begin{aligned}4K^{2}+{\frac {(a^{2}+d^{2}-b^{2}-c^{2})^{2}}{4}}&=(ad)^{2}+(bc)^{2}-2abcd\cos(\alpha +\gamma )\\&=(ad+bc)^{2}-2abcd-2abcd\cos(\alpha +\gamma )\\&=(ad+bc)^{2}-2abcd(\cos(\alpha +\gamma )+1)\\&=(ad+bc)^{2}-4abcd\left({\frac {\cos(\alpha +\gamma )+1}{2}}\right)\\&=(ad+bc)^{2}-4abcd\cos ^{2}\left({\frac {\alpha +\gamma }{2}}\right).\end{aligned}}}
Nótese que
cos
2
α
+
γ
2
=
1
+
cos
(
α
+
γ
)
2
{\displaystyle \cos ^{2}{\frac {\alpha +\gamma }{2}}={\frac {1+\cos(\alpha +\gamma )}{2}}}
α
+
γ
2
{\displaystyle {\frac {\alpha +\gamma }{2}}}
Siguiendo los mismos pasos que en la fórmula de Brahmagupta , se puede escribir como
16
K
2
=
(
a
+
b
+
c
−
d
)
(
a
+
b
−
c
+
d
)
(
a
−
b
+
c
+
d
)
(
−
a
+
b
+
c
+
d
)
−
16
a
b
c
d
cos
2
(
α
+
γ
2
)
.
{\displaystyle 16K^{2}=(a+b+c-d)(a+b-c+d)(a-b+c+d)(-a+b+c+d)-16abcd\cos ^{2}\left({\frac {\alpha +\gamma }{2}}\right).}
Introduciendo el semiperímetro
s
=
a
+
b
+
c
+
d
2
,
{\displaystyle s={\frac {a+b+c+d}{2}},}
lo anterior se convierte en
16
K
2
=
16
(
s
−
d
)
(
s
−
c
)
(
s
−
b
)
(
s
−
a
)
−
16
a
b
c
d
cos
2
(
α
+
γ
2
)
{\displaystyle 16K^{2}=16(s-d)(s-c)(s-b)(s-a)-16abcd\cos ^{2}\left({\frac {\alpha +\gamma }{2}}\right)}
K
2
=
(
s
−
a
)
(
s
−
b
)
(
s
−
c
)
(
s
−
d
)
−
a
b
c
d
cos
2
(
α
+
γ
2
)
{\displaystyle K^{2}=(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)-abcd\cos ^{2}\left({\frac {\alpha +\gamma }{2}}\right)}
y la fórmula de Bretschneider se deduce después de sacar la raíz cuadrada de ambos lados de la ecuación:
K
=
(
s
−
a
)
(
s
−
b
)
(
s
−
c
)
(
s
−
d
)
−
a
b
c
d
⋅
cos
2
(
α
+
γ
2
)
{\displaystyle K={\sqrt {(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)-abcd\cdot \cos ^{2}\left({\frac {\alpha +\gamma }{2}}\right)}}}
La fórmula de Bretschneider generaliza la fórmula de Brahmagupta para el área de un cuadrilátero cíclico , que a su vez generaliza la fórmula de Herón para el área de un triángulo .
El ajuste trigonométrico en la fórmula de Bretschneider para la no ciclicidad del cuadrilátero se puede reescribir de forma no trigonométrica en términos de los lados y las diagonales e y f para dar[ 1] [ 2]
K
=
1
4
4
e
2
f
2
−
(
b
2
+
d
2
−
a
2
−
c
2
)
2
=
(
s
−
a
)
(
s
−
b
)
(
s
−
c
)
(
s
−
d
)
−
1
4
(
a
c
+
b
d
+
e
f
)
(
a
c
+
b
d
−
e
f
)
.
{\displaystyle {\begin{aligned}K&={\tfrac {1}{4}}{\sqrt {4e^{2}f^{2}-(b^{2}+d^{2}-a^{2}-c^{2})^{2}}}\\&={\sqrt {(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)-{\tfrac {1}{4}}(ac+bd+ef)(ac+bd-ef)}}.\end{aligned}}}
Referencias
↑ J. L. Coolidge, "A historically interesting formula for the area of a quadrilateral", American Mathematical Monthly JSTOR )
↑ E. W. Hobson : A Treatise on Plane Trigonometry . Cambridge University Press, 1918, pp. 204-205
Lecturas relacionadas
Ayoub B. Ayoub: Generalizations of Ptolemy and Brahmagupta Theorems . Mathematics and Computer Education, Volume 41, Number 1, 2007, ISSN 0730-8639
E. W. Hobson: A Treatise on Plane Trigonometry . Cambridge University Press, 1918, pp. 204–205 (online copy )
C. A. Bretschneider. Untersuchung der trigonometrischen Relationen des geradlinigen Viereckes. Archiv der Mathematik und Physik, Band 2, 1842, S. 225-261 (online copy, German )
F. Strehlke: Zwei neue Sätze vom ebenen und sphärischen Viereck und Umkehrung des Ptolemaischen Lehrsatzes . Archiv der Mathematik und Physik, Band 2, 1842, S. 323-326 (online copy, German )
Enlaces externos
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