User:Jacobolus/Gudermann Spharik

Christoph Gudermann (1832) "problems and theorems" sent to Crelle's Journal

https://doi.org/10.1515/crll.1832.9.100

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Fig. 4

14. Werden von zwei Puncten M und N eines Hauptkreises (Fig. 4.) die Berührungslinien MA, MB, NC, ND an einen Kreis auf der Kugel gezogen, so ist immer

$$\operatorname {tang} {\tfrac {\alpha }{2}}\,\operatorname {tang} {\tfrac {\beta }{2}}=\operatorname {tang} {\tfrac {\alpha '}{2}}\,\operatorname {tang} {\tfrac {\beta '}{2}}$$

Dasselbe Theorem gilt in der Ebene des Kreises, wenn MN, MA, MB, NC, ND gerade Linien sind, wovon die vier letzten den Kreis berühren. Es wird ein elementarer Beweis dieser beiden Sätze verlangt.

Google translate + some finessing (so probably not a super accurate translation) renders the problem as:

14. Given two points M and N of a great circle (Fig. 4.) with tangent lines MA, MB, NC, ND to a circle of a sphere, we always have

$$\operatorname {tang} {\tfrac {\alpha }{2}}\,\operatorname {tang} {\tfrac {\beta }{2}}=\operatorname {tang} {\tfrac {\alpha '}{2}}\,\operatorname {tang} {\tfrac {\beta '}{2}}$$

The same theorem holds in the plane of the circle if MN, MA, MB, NC, ND are straight lines, the last four tangent to the circle. An elementary proof of these two theorems is required.

Christoph Gudermann (1835) Lehrbuch der niederen Sphärik, §§296–297:

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Original German

Fig. 166

§. 296.

Aufgabe. Man soll den Zusammenhang unter den Winkeln finden, welche zwei Tangenten eines Kreises mit einem durch ihren Scheitel gehenden Hauptkreise machen.

Auflösung. In Fig. 166 seien $PA$ und $PB$ zwei Tangenten eines Kreises, und durch den Scheitel $P$ ihres Winkels gehe der Hauptbogen $XY$ im Inneren des Winkels $APB.$ Man ziehe noch die Radien $MA,MB,$ ferner nach dem Scheitel des Winkels $P$ die Linie $MP$ und auf $XY$ das Loth $Mm$; dann ist im Dreiecke $PMA$

$\sin MA=\sin PM\cdot \sin APM,$

und im Dreiecke $PMm$ ist $\sin Mm=\sin PM\cdot \sin mPM$; daher hat man

${\frac {\sin MA}{\sin Mm}}={\frac {\sin APM}{\sin mPM}}.$

Bezeichnet man nun den Radius des Kreises mit $r$ und das Loth $Mm$ mit $u,$ so ist also

${\frac {\sin r}{\sin u}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}APB}{\sin mPM}}.$

Bezeichnet man ferner die Winkel $APY$ und $BPY$ mit $\alpha$ und $\beta ,$ so ist $APB=\alpha +\beta ,$ also $MPA={\tfrac {1}{2}}(\alpha +\beta ),$ daher ist $mPM={\tfrac {1}{2}}(\alpha +\beta )-\alpha ={\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha ),$ folglich hat man die Gleichung

1. ${\frac {\sin u}{\sin r}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )}}.$

Erhebt man die Gleichung zum Quadrate und subtrahirt man sie aus beiden Seiten von Eins, so hat man

${\frac {\sin r^{2}-\sin u^{2}}{\sin r^{2}}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )^{2}-\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )^{2}}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )^{2}}}$ d.h.

2. ${\frac {\sin mn\cdot \sin mn'}{\sin r^{2}}}={\frac {\sin \alpha \cdot \sin \beta }{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )^{2}}},$ oder

${\frac {\sin mn\cdot \sin mn'}{\sin {\tfrac {1}{2}}nn'^{2}}}={\frac {\sin APY\cdot \sin BPY}{\sin {\tfrac {1}{2}}APB^{2}}}.$

Ferner folgt aus der Gleichung (1)

${\frac {\sin r-\sin u}{\sin r+\sin u}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )-\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )+\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}}$ oder

3. ${\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}(r-u)}{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}(r+u)}}={\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha }{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\beta }}.$

Befindet sich die Linie $XY$ außerhalb des Winkels, durch dessen Scheitel sie geht, und also auch außerhalb des Kreises, wie in Fig. 167, so gelten die vorigen Formeln ebenfalls, und die Herleitung für diesen Fall stimmt mit der vorigen überein.

Anmerkung. Ein Winkel, in dessen Innerem sich ein Kreis befindet, und dessen Schenkel Tangenten dieses Kreises sind, heiße ein um den Kreis geschriebener Winkel.

§. 297.

Lehrsatz. Sind zwei Winkel um denselben Kreis geschrieben, und zieht man durch ihre Scheitel einen Hauptbogen, so theilt dieser jeden Winkel (innerlich oder äußerlich) in zwei Theile, so, daß erstens die Sinus der halben Unterschiede der Theile dieser Winkel sich zu einander verhalten, wie die Sinus der halben Winkel selbst; zweitens die Producte aus den Sinus der Theile der Winkel sich zu einander verhalten, wie die Quadrate der Sinus der halben Winkel; endlich drittens, daß die Tangenten der halben Theile des einen Winkels proportional sind zu den Tangenten der halben Theile des anderen Winkels.

Beweis. Zieht man in Fig. 166 und Fig. 167 von einem anderen Punkte $P'$ im Hauptbogen $XY$ die Tangenten $P'A'$ und $P'B',$ und setzt man den Winkel $A'P'Y=a',$ $P'P'Y=b',$ so ist, wenn die übrige Bezeichnung des §. 296 beibehalten wird,

${\frac {\sin u}{\sin r}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )}}$ und ${\frac {\sin u}{\sin r}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta '-\alpha ')}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta '+\alpha ')}},$ also

${\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta '-\alpha ')}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta '+\alpha ')}},$

Ferner ist ${\frac {\sin mn\cdot \sin mn'}{\sin r^{2}}}={\frac {\sin APY\cdot \sin BPY}{\sin {\tfrac {1}{2}}APB^{2}}}$ und auch

${\frac {\sin mn\cdot \sin mn'}{\sin r^{2}}}={\frac {\sin A'PY\cdot \sin B'P'Y}{\sin {\tfrac {1}{2}}A'P'B'^{2}}},$ also

${\frac {\sin APY\cdot \sin BPY}{\sin {\tfrac {1}{2}}APB^{2}}}={\frac {\sin A'P'Y\cdot \sin B'P'Y}{\sin {\tfrac {1}{2}}A'P'B'^{2}}}.$

Endlich ist ${\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha }{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\beta }}={\frac {\pm \operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}(r-u)}{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}(r+u)}}$ und auch

${\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha '}{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\beta '}}={\frac {\pm \operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}(r-u)}{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}(r+u)}},$ und also

${\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha }{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\beta }}={\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha '}{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\beta '}}.$

Zusatz. Zieht man vom Punkte $m$ aus die Tangenten $m\mu$ und $n\nu ,$ so machen sie mit $XY$ die Winkel $\nu mY=\beta ''$ und $\mu mY=\alpha '',$ und da nun $\alpha ''+\beta ''=180^{\circ }$ also ${\tfrac {1}{2}}(\alpha ''+\beta '')=90^{\circ },$ ist, so ist $\beta ''=180^{\circ }-\alpha '',$ also ${\tfrac {1}{2}}(\beta ''-\alpha '')=90^{\circ }-\alpha ''$; und also

1. $\cos \alpha ''={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )}},$

2. ${\frac {\sin \alpha \cdot \sin \beta }{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}}={\frac {\sin \alpha ''^{2}}{\cos \alpha ''^{2}}}=\operatorname {tng} \alpha ''^{2},$

3. ${\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha }{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\beta }}=\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha ''^{2}.$

Anmerkung 1. Die vorstehenden Sätze sind nur verschiedene Formen des Ausdrucks eines einzigen, welcher der reciproke von dem im §. 255 bewiesenen Satze ist, und auch daraus auf eine einfache Art durch Construction des reciproken Kreises hätte hergeleitet werden können. Die beiden Sätze erscheinen noch gleichlautender, wenn man sich nicht die um den Kreis geschriebenen Winkel $APB$ und $A'P'B',$ sondern ihre Nebenwinkel von der Linie $XY$ getheilt vorstellt. Die zweiten Schenkel dieser Nebenwinkel sind dann Tangenten eines anderen Kreises, welcher der Gegenkreis des ersten ist.

Anmerkung 2. Die hier hehandelten Formeln gelten auch unverändert im analogen Falle der Planimetrie, und sind auch in dieser Hinsicht noch neu. Sie drücken auch dort das Reciproke von dem Gesetze aus, nach welchen die aus den Theilen zweier sich schneidenden Sehnen eines Kreises construirten Rechtecke gleich groß sind.

§. 300.

[...]

Will man die Methode der reciproken Polaren anwenden so steht auch sie der Sphärik zu Gebote, und da ihre Anwendung in der Sphärik nicht verwickelter als in der Planimetrie ist, so sieht man also, daß in der Sphärik eine zweifache Methode der Reciprocität anwendbar ist, wovon aber derjenigen, welche oben gebraucht worden ist, unstreitig ein großer Vorzug vor der anderen gebührt; nur gibt es zu ihr kein Analogon in der Planimetrie, oder man müßte sich alle geraden Linien als Hauptbogen auf einer Kugel vorstellen. Aber dieser Reichthum der Sphärik an Methoden macht sie lehrreicher, interessanter und überhaupt wichtiger als die Planimetrie, deren weitere Ausbildung durch die der Sphärik bedingt wird, wie das in der Anmerkung 2. zu §. 297 erwähnte Beispiel, und eine Menge anderer, welche zum Theil noch interessanter sein dürften, zur Genüge zeigen.

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Fig. 166

§. 296.

Task. One should find the relation between the angles which two tangents of a circle make with a great circle passing through their intersection.

Resolution. In Fig. 166 let $PA$ and $PB$ be two tangents of a circle, with the great-circle arc $XY$ passing through the vertex $P$ inside their angle $APB.$ Draw the radii $MA,MB,$ further after the vertex of the angle $P$ the line $MP$ and from $XY$ the altitude $Mm$; then in the triangle $PMA$

$\sin MA=\sin PM\cdot \sin APM,$

and in the triangle $PMm$ it is $\sin Mm=\sin PM\cdot \sin mPM$; therefore one has

${\frac {\sin MA}{\sin Mm}}={\frac {\sin APM}{\sin mPM}}.$

Denote the radius of the circle by $r$ and the altitude $Mm$ by $u,$ hence

${\frac {\sin r}{\sin u}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}APB}{\sin mPM}}.$

Further denote the angles $APY$ and $BPY$ by $\alpha$ and $\beta ,$ then $APB=\alpha +\beta ,$ i.e. $MPA={\tfrac {1}{2}}(\alpha +\beta ),$ therefore $mPM={\tfrac {1}{2}}(\alpha +\beta )-\alpha ={\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha ),$ hence we have the equation

1. ${\frac {\sin u}{\sin r}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )}}.$

Squaring this equation and subtracting each side from unity, one has

${\frac {\sin r^{2}-\sin u^{2}}{\sin r^{2}}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )^{2}-\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )^{2}}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )^{2}}}$ i.e.

2. ${\frac {\sin mn\cdot \sin mn'}{\sin r^{2}}}={\frac {\sin \alpha \cdot \sin \beta }{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )^{2}}},$ or

${\frac {\sin mn\cdot \sin mn'}{\sin {\tfrac {1}{2}}nn'^{2}}}={\frac {\sin APY\cdot \sin BPY}{\sin {\tfrac {1}{2}}APB^{2}}}.$

Furthermore, it follows from equation (1)

${\frac {\sin r-\sin u}{\sin r+\sin u}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )-\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )+\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}}$ or

3. ${\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}(r-u)}{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}(r+u)}}={\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha }{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\beta }}.$

If the line $XY$ is outside the angle through whose vertex it passes, and therefore also outside the circle, as in Fig. 167, the previous formulas also apply, and the derivation for this one case agrees with the previous one.

Note. An angle inside which there is a circle and whose legs are tangents to this circle is called an angle drawn around the circle.

§. 297.

Theorem. If two angles are drawn around the same circle, and a principal arc is drawn through their vertices, this divides each angle (internal or external) into two parts, so that, first, the sines of the half differences of the parts of these angles are related to one another as the sines of the half-angles themselves; secondly, the products of the sines of the parts of the angles are related to each other as the squares of the sines of the half angles; Finally, thirdly, that the tangents of the half-parts of one angle are proportional to the tangents of the half-parts of the other angle.

Proof. If one draws in Fig. 166 and Fig. 167 from another point $P'$ on the great-circle $XY$ with tangents $P'A'$ and $P'B',$ and sets the angle $A'P'Y=\alpha ',$ $B'P'Y=\beta ',$ therefore, keeping the rest of the designations from §. 296 unchanged,

${\frac {\sin u}{\sin r}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )}}$ and ${\frac {\sin u}{\sin r}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta '-\alpha ')}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta '+\alpha ')}},$ so

${\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )}}={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta '-\alpha ')}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta '+\alpha ')}},$

Furthermore, ${\frac {\sin mn\cdot \sin mn'}{\sin r^{2}}}={\frac {\sin APY\cdot \sin BPY}{\sin {\tfrac {1}{2}}APB^{2}}}$ and also

${\frac {\sin mn\cdot \sin mn'}{\sin r^{2}}}={\frac {\sin A'PY\cdot \sin B'P'Y}{\sin {\tfrac {1}{2}}A'P'B'^{2}}},$ so

${\frac {\sin APY\cdot \sin BPY}{\sin {\tfrac {1}{2}}APB^{2}}}={\frac {\sin A'P'Y\cdot \sin B'P'Y}{\sin {\tfrac {1}{2}}A'P'B'^{2}}}.$

Finally ${\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha }{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\beta }}={\frac {\pm \operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}(r-u)}{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}(r+u)}}$ and also

${\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha '}{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\beta '}}={\frac {\pm \operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}(r-u)}{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}(r+u)}},$ and so

${\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha }{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\beta }}={\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha '}{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\beta '}}.$

Corollary. If one draws the tangents $m\mu$ and $n\nu ,$ from the point $m$, forming with $XY$ the angles $\nu mY=\beta ''$ and $\mu mY=\alpha '',$ then $\alpha ''+\beta ''=180^{\circ }$ so ${\tfrac {1}{2}}(\alpha ''+\beta '')=90^{\circ },$ and $\beta ''=180^{\circ }-\alpha '',$ i.e. ${\tfrac {1}{2}}(\beta ''-\alpha '')=90^{\circ }-\alpha ''$; and so

1. $\cos \alpha ''={\frac {\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta +\alpha )}},$

2. ${\frac {\sin \alpha \cdot \sin \beta }{\sin {\tfrac {1}{2}}(\beta -\alpha )}}={\frac {\sin \alpha ''^{2}}{\cos \alpha ''^{2}}}=\operatorname {tng} \alpha ''^{2},$

3. ${\frac {\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha }{\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\beta }}=\operatorname {tng} {\tfrac {1}{2}}\alpha ''^{2}.$

Note 1. The above propositions are only different ways of expressing a single one, which is the dual of the proposition proved in §. 255, and could also have been derived from it in a simple way by constructing the reciprocal circle. The two sentences appear even more identical if one does not look at the angles $APB$ and $A'P'B',$ written around the circle, but at their central angles from the line $XY$ divided. The second legs of these secondary angles are then tangents of another circle, which is the opposite circle of the first.

Note 2. The formulas dealt with here also apply unchanged in the analogous case of planimetry, and are also new in that context. There they also express the dual of the law according to which the product of each pair of segments from two intersecting chords of a circle are of equal magnitude.