Van Aubel’s theorem︱馮•奧伯定理

Van Aubel's theorem,中文稱「馮•奧伯定理」,「凡•奧貝爾定理」。該定理於1878年發表。

它的描述是:任意四邊形,以每邊為邊長,往外作四個正方形,連接相對的正方形的中心,則這兩條線段等長且相互垂直。

更流暢的動畫請見:https://van-aubel.surge.sh/output.gif

定理證明

一,幾何推理

先隱去D點,將兩個正方形的中點視為等腰直角三角形的頂點E和F。

連接EF,將\triangle EBF繞E點順時針旋轉90⁰,得\triangle EB'F',其中B'與A重合。

可知BF⊥AF',且BF=AF',則推出CF\parallel AF'CF=AF'

則AC中點亦為FF'的中點,設其為O,連結OE。

則在等腰直角三角形\triangle EF'F中,O點為斜邊的中點,可得:

\begin{cases}OF⊥OE\\ OF=OE\end{cases}

回到原圖,連接EG,FH,OE,OF,OG,OH。EG和HF相交於點Q。

由前可知,OF⊥OEOF=OE,同理OG⊥OHOG=OH,推出\angle HOF=\angle GOE

則可得到兩個三角形全等:

\triangle GOE≅\triangle HOF

推出EG=FH。同時推出\angle E=\angle F,則點E、Q、O、F四點共圓,則推出:

\angle EQF=\angle EOF=90⁰

即得證:

\begin{cases}EG⊥FH\\ EG=FH\end{cases}

二,複數計算

在複數的幾何意義中,一個複數向量乘以(1+i),結果為以此向量為邊的正方形的對角線。乘以i即旋轉90⁰。可得:

\begin{cases}E-A=(B-A)(1+i)/2\\ F-B=(C-B)(1+i)/2\\ G-C=(D-C)(1+i)/2\\ H-D=(A-D)(1+i)/2\end{cases}

推出:

\begin{cases}G-E=\cfrac{Ai-A-Bi-B+C-Ci+D+Di}{2}\\[0.777em] H-F=\cfrac{A+Ai-B+Bi-C-Ci+D-Di}{2}\end{cases}

H-F=-i(G-E),由複數的幾何意義,得證:

\begin{cases}EG⊥FH\\ EG=FH\end{cases}

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