sábado, 5 de diciembre de 2020
The Pythagorean Theorem from the Half-Angle Formula for Cosine
domingo, 29 de noviembre de 2020
An Alternative Form of Bretschneider's Formula
If you are already familiar with Bretschneider's Formula, have you ever wonder how would it like if we interchange the cosine-part by a sine-part?
There are three different forms of expressing the Bretschneider's Formula in MathWorld. In this note we will give another one which is almost as simple as the original one.
Given a general convex quadrilateral with sides $a$, $b$, $c$ and $d$, its area is given by the formula
$$K=\sqrt{abcd\sin^2\left({\frac{\alpha+\gamma}{2}}\right)-s(s-c-d)(s-b-d)(s-b-c)}\tag{1},$$
where $s$ is the semiperimeter and $\alpha$ and $\gamma$ are opposite angles.
The proof is based on the following unexpected simplification lemma.
Lemma 1. Given a general quadrilateral with sides $a$, $b$, $c$ and $d$, then
$$(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)+s(s-c-d)(s-b-d)(s-b-c)=abcd,\tag{2}$$Now, consider the original Bretschneider's Formula,
$$K=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)-abcd\cos^2\left(\frac{\alpha+\gamma}{2}\right)}.\tag{3}$$or
$$K=\sqrt{-s(s-a)(s-c)(s-a-c)}$$
$$K=\sqrt{-s(s-a)(s-b)(s-a-b)}$$
jueves, 26 de noviembre de 2020
La importancia de tener un amigo matemático
Probablemente los nombres de Charles Marie de la Condamine y Francois-Marie Arouet no digan nada a la mayoría, pero las cosas cambian si os digo que este segundo utilizó en su vida decenas de seudónimos, entre ellos el de Voltaire, uno de los pensadores más célebres de la Ilustración y un crítico constante de las autoridades francesas, su carencias y abusos en las décadas previas a la Revolución. Por su parte, de la Condamine no alcanzó la fama de Voltaire en los libros de historia, pero sí en los de matemáticas y en los de geografía, a través de sus valiosas investigaciones en Sudamérica, patrocinadas, como no, por sus ganancias con la lotería. Esta había sido instituida en la segunda década del siglo XVIII con la intención de revalorizar los bonos del tesoro expedidos anteriormente y, de paso, conseguir fondos nuevos para el estado. El problema es que el encargado de diseñarla, Le Pelletier Desforts, Vice Ministro de finanzas, cometió un grave error.
Los futuros socios de la Condamine y Voltaire se conocieron en una cena cuando el segundo acababa de volver a París después de uno de sus múltiples exilios. Sus finanzas no eran muy boyantes y el matemático aprovechó para contarle el fallo que había encontrado en la lotería. Él no tenía problemas de dinero, pero quería probar su teoría y sabía que Voltaire contaba con ciertas conexiones que les ayudarían en la empresa. El truco era el siguiente: todos los dueños de bonos podían comprar un billete de la lotería, uno por bono, sin importar su valor, al precio de una milésima del valor del bono. El premio equivaldría al valor del bono, más 500.000 libras extras. Así, los que comparaban billetes a 1 libra con bonos de 1000 libras, tenían la misma oportunidad de ganar el premio que alguien que había comprado el billete a 100 libras por tener un bono de 100.000 libras. Lo único que tenían que hacer los socios era comprar la mayoría de los bonos más baratos, de los que había más, y así se aseguraban ganar un premio invirtiendo menos. No todo era fácil, pues se necesitaba un capital para empezar, y aquí fue donde las conexiones sociales de Voltaire entraban en juego, sino que los billetes podían comprarse exclusivamente a través de un notario. El filósofo no tuvo problemas en encontrar uno que aceptara ser parte del cartel.
Así, cada mes Voltaire acudía a su amigo el notario a comprar los billetes y poco después volvía a cobrar sus premios. El truco funcionó durante varios meses en los que todos los participantes se llevaron pingües beneficios a costa del estado, hasta que fueron descubiertos. Resulta que la gente de aquella época acostumbraba escribir mensajes en cada cupón de la lotería, normalmente deseándose suerte a sí mismos, pero Voltaire no pudo evitar burlarse del mismo gobierno que le estaba haciendo rico. En muchas ocasiones, escribió en sus billetes cosas como “¡A la buena idea de Marie de la Condamine!”, o incluso burlas directas, “¡Brindo por el Vice-Ministro de Finanzas!”. Este, que ya se había dado cuenta de que un mismo grupo de personas ganaba casi todos los sorteos, no tardó en descubrir su identidad. Desforts demandó a Voltaire y a de la Condamine por fraude, pero como en realidad no habían hecho nada ilegal, el tribunal los exoneró y pudieron quedarse lo ganado. Eso sí, el ministro tuvo la sensata idea de cancelar la lotería.
Charles Marie de la Condamine, miembro de la Academia de las Ciencias, utilizó sus ganancias para pagarse un par de expediciones a Sudamérica, donde confirmó la teoría de Isaac Newton de que la Tierra no era completamente esférica, sino ligeramente achatada y abultada a la altura del Ecuador. También fue el primero en conocer el caucho, y quien lo introdujo a Europa junto con un documento científico demostrando sus propiedades, y realizó el primer mapa topográfico basado en observaciones astronómicas de la Cuenca del Amazonas. Por su parte, Voltaire, rico de por vida con el medio millón de libras obtenido de la lotería, se dedicó a lo que mejor sabía hacer, criticar al gobierno y promover las libertades de expresión y religión y la separación de estado e iglesia en más de dos mil libros y folletos y 20.000 cartas que aún se preservan. De la Condamine y Voltaire probablemente no utilizaron los medios más éticos para enriquecerse, pero al menos dieron buen uso al dinero.
Fuente: Ciencia Histórica
The product AI*BI*CI
Consider a triangle $\triangle{ABC}$ and its Incenter, $I$. Denote $R$ and $r$ the circumradius and inradius, respectively. Also let $AI=k$; $BI=l$; $CI=m$. Then, the following identity holds
$$klm=4Rr^2$$
where $s$ is the semiperimeter and $\gamma$ denotes the angle $\angle{ACB}$. The proof for this formula can be found here.
Notice that $\cos{\frac{\gamma}{2}}=\frac{(s-c)}{m}$. Also, because of $(1)$ we have $\cos{\frac{\gamma}{2}}=\sqrt{\frac{s(s-a)}{ab}}$. Equating both expressions and solving for $m^2$,
$$m^2=\frac{ab(s-c)}{s}$$
Similarly you get $k^2=\frac{bc(s-a)}{s}$ and $l^2=\frac{ac(s-b)}{s}$. Hence,
$$(klm)^2=\frac{a^2b^2c^2(s-a)(s-b)(s-c)}{s^3}=\frac{a^2b^2c^2s(s-a)(s-b)(s-c)}{s^4}$$sábado, 21 de noviembre de 2020
Still very Bretschneider, isn't it?
Given a general convex quadrilateral with sides of lengths $a$, $b$, $c$, and $d$, the area is given by
$$\begin{align*} K&=\frac{1}{4}\sqrt{4p^2q^2-(b^2+d^2-a^2-b^2)^2}\tag{1}\\&=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)-\frac{1}{4}(ac+bd+pq)(ac+bd-pq)}\tag{2}\end{align*}$$
where $p$ and $q$ are the diagonal lengths and $s$ is the semiperimeter.
In MathWorld the American mathematician Julian Coolidge is credited with giving the second form of this formula, stating "here is one [formula] which, so far as I can find out, is new," while at the same time crediting Bretschneider and Strehlke with "rather clumsy" proofs of the related formula
$$\begin{align*}K&=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)-abcd\cos^2\left(\frac{\alpha+\gamma}{2}\right)}\tag{3}\end{align*}$$
where $\alpha$ and $\gamma$ are two opposite angles of the quadrilateral.
sábado, 31 de octubre de 2020
Two Identities and their Consequences (draft)
Article: Two Identities and their Consequences
lunes, 6 de julio de 2020
Generalization of two formulae and an alternative proof of Bretschneider's formula
"If we do not succeed in solving a mathematical problem, the reason frequently consists in our failure to recognize the more general standpoint from which the problem before us appears only as a single link in a chain of related problems. After finding this standpoint, not only is this problem frequently more accessible to our investigation, but at the same time we come into possession of a method which is applicable also to related problems." — David Hilbert
\end{align*}$$
Since the area of $ABCD$ can be expressed as the sum of the areas of $\triangle{ABD}$ and $\triangle{CBD}$, which in turn can be written as $\frac{ad\sin{\alpha}}{2}+\frac{bc\sin{\gamma}}{2}$, then we are done.
sábado, 4 de julio de 2020
Killing three birds with one stone
sábado, 20 de junio de 2020
Proofs and applications of two well-known formulae involving sine, cosine and the semiperimeter of a triangle
- Length of angle bisector: yet another application of the half-angle formulas
- Using the half-angle formulas to derive Mahavira's identities
- Using the half-angle formula for cosine to derive Zelich's lemma on mixtilinear incircles
- Two Identities and their Consequences, pp. 5-11
- Generalization of Mollweide's formulas (rather Newton's)
- Generalization of the law of tangents
- The compound angle formulas from the half angle formulas
- $\sum_{cyc}\tan\frac\alpha2\tan\frac\beta2\geq4$
- Another proof of Euler inequality via the half-angle formulas
viernes, 5 de junio de 2020
Yet Another Proof of the Law of Cosines
miércoles, 20 de mayo de 2020
Another Simple Proof of Johnson's Theorem
Johnson's theorem: Let three equal circles with centers $J_a$, $J_b$, and $J_c$ intersect in a single point $H$ and intersect pairwise in the points $A$, $B$, and $C$. Then the circumcircle of the triangle $\triangle{ABC}$ is congruent to the original three.
sábado, 9 de mayo de 2020
The Pythagorean Theorem by Reductio ad Absurdum
Let $\triangle{ABC}$ be a right-triangle with $\angle{ACB}=90^\circ$. Let $D$, $E$ and $F$ be the contact points of the incircle with $BC$, $AC$ and $AB$, respectively. Also, let $AE=AF=x$; $BD=BF=y$; $CD=CE=r$, where $r$ is the inradius of $\triangle{ABC}$.
There is a simple direct proof starting from $\Delta=rs$ and $\Delta=xy$, can you find it? My sincerest thanks to Andrius Navas and José Hernández for pointing me out this.
jueves, 7 de mayo de 2020
Yet Another Proof of the Pythagorean Theorem - Simpler version
Below is the comment by John Molokach, whom I consider an expert on this topic (he has proved the theorem in more than ten different ways).
lunes, 4 de mayo de 2020
Galileo's Genius: The Experiment That Never Was.
Reductio ad absurdum or the contrapositive?
viernes, 24 de abril de 2020
Selectivo Argentina Cono Sur - Problema 3
jueves, 23 de abril de 2020
Un lema sobre segmentos congruentes
Lema.
a) $BN=CN=NP$.
b) $CP$ es la bisectriz de $\angle{ACB}$.
c) $BPEID$ es cíclico ($I$ es el incentro de $\triangle{ABC}$).
Demostración a). Denotemos con $s$ el semiperímetro de $\triangle{ABC}$. Entonces tenemos
Demostración b). Note que $AC$ es paralela con $MN$ y $\triangle{PNC}$ es isósceles, de donde resulta que $\angle{NCP}=\angle{NPC}=\frac{180^\circ-(180-\angle{ACB})}{2}=\frac{\angle{ACB}}{2}$.
Demostración c). El cuadrilátero $BEID$ es cíclico puesto que es un deltoide recto. Note que como consecuencia de a) y b) $\angle{EPI}=\angle{EPM}-\frac{\angle{ACB}}{2}=\frac{180^\circ-\angle{BAC}}{2}-\frac{\angle{ACB}}{2}=\frac{\angle{ABC}}{2}$. Pero $\angle{EBI}=\frac{\angle{ABC}}{2}$, por lo tanto, $BPEID$ es cíclico.
sábado, 18 de abril de 2020
Another Tran Viet Hung's problem
Proof. Notice that $\angle{BDC}=\angle{BAC}$, so
$$\angle{GBI}=\frac{\angle{ABC}}{2}-(\angle{DBG}-\angle{DBA})=$$
$$\angle{GBI}=\frac{\angle{ABC}}{2}-(90^\circ-\frac{\angle{BAC}}{2})+\angle{DCA}.$$
Replacing $90^\circ$ by $\frac{\angle{ABC}}{2}+\frac{\angle{BAC}}{2}+\frac{\angle{BCA}}{2}$ and simplifying, we get $\angle{GBI}=\angle{DCA}-\frac{\angle{BCA}}{2}$. But $\angle{DCA}=\angle{BCA}-\angle{BCD}$, thus, $\angle{GBI}=\frac{\angle{BCA}}{2}-\angle{BCD}$. Moreover, $\angle{DCI}=\angle{GCI}=\frac{\angle{BCA}}{2}-\angle{BCD}$, hence,$\angle{GBI}=\angle{GCI}$ implying $BGIC$ is cyclic.
$$\angle{IEG}=\angle{IGE}=360^\circ-\angle{EGF}-\angle{DGB}-\angle{BGC}-\angle{CGI}.$$
Combining lemmas 1 and 2 we get $\angle{EGF}=\frac{\angle{BAC}}{2}+\angle{DCA}$; $\angle{DGB}=90^\circ-\frac{\angle{BAC}}{2}$; $\angle{BGC}=\angle{BIC}=180^\circ-\frac{\angle{ABC}}{2}-\frac{\angle{BCA}}{2}$; $\angle{CGI}=\frac{\angle{ABC}}{2}$.
Replacing and simplifying we get $\angle{IEG}=90^\circ+\angle{BCD}-\frac{\angle{BCA}}{2}$. Finally, $\angle{FEI}+\angle{FCI}=180^\circ+\angle{BCD}-\frac{\angle{BCA}}{2}+\frac{\angle{BCA}}{2}-\angle{BCD}=180^\circ$ and we are done.