Áreas, n > 4
Sejam \(P\) e \(Q\) dois
polígonos do plano. Se \(P=(P_0,P_1,\ldots,P_{n-1})\) e
\(Q=(Q_0,Q_1,\ldots,Q_{n-1})\), com \(P_i=(x_i,y_i)\) e
\(Q_i=(z_i,w_i)\), dão origem ao
mesmo polígono, isto significa que \(Ax=Az\) e
\(Ay=Aw\), onde \(x=(x_0,x_1,\ldots,x_{n-1})\),
\(y=(y_0,y_1,\ldots,y_{n-1})\), \(w=(w_0,w_1,\ldots,w_{n-1})\) e
\(z=(z_0,z_1,\ldots,z_{n-1})\).
Temos então \(A(x-z)=A(y-w)=0\), ou seja, os vectores
\(x-z\) e \(y-w\) pertencem ao núcleo da matriz \(A\).
No caso da bissecção, temos \(a_0=a_1=\frac{1}{2}\) e
\(a_j=0\) para \(j > 1\)
e o núcleo da matriz \(A\)
é gerado pelo vector
\[u_{(n/2)}=((-1)^j)_{j=0,1,\ldots,n-1}=(1,-1,1,-1,\ldots).\]
Assim, \(Q_i=P_i+R_i\)
onde, para certos valores reais \(k\) e \(k'\),
\[R_i=(z_i-x_i,w_i-y_i)=((-1)^i k,(-1)^i k')=(-1)^i (k,k')\]
A área do polígono \(P\) é dada por
\[\frac{1}{2}\left|\sum_{i=0}^{n-1} P_i\times P_{i+1}\right|\]
onde \((a,b)\times (c,d)=\det\left(
\begin{array}{cc}a & b\\c & d\\\end{array}\right)=a d - b c\)
e a área do polígono \(Q\)
é dada por
\[\begin{array}{ll}\frac{1}{2}\left|\sum_{i=0}^{n-1} Q_i\times Q_{i+1}\right|
& =\; \frac{1}{2}\left|\sum_{i=0}^{n-1} (P_i+R_i)\times (P_{i+1}+R_{i+1})\right|\;=\\
& =\; \frac{1}{2}\left|\sum_{i=0}^{n-1} P_i\times P_{i+1}
+\sum_{i=0}^{n-1} P_i\times R_{i+1} + \sum_{i=0}^{n-1} R_i\times
P_{i+1} + \sum_{i=0}^{n-1} R_i\times R_{i+1}\right|
\end{array}\]
Mas como
\[\begin{array}{ll}\sum_{i=0}^{n-1} P_i\times R_{i+1}
& =\; \sum_{i=0}^{n-1} (x_i,y_i)\times (-1)^{i+1}(k,k')\;=\\
& =\; \sum_{i=0}^{n-1} (x_{i+1},y_{i+1})\times (-1)^i(k,k')\;=\\
& =\; \sum_{i=0}^{n-1} P_{i+1}\times R_i\;=\\
& =\; -\sum_{i=0}^{n-1} R_i\times P_{i+1}
\end{array}\]
e
\[\sum_{i=0}^{n-1} R_i\times R_{i+1}\;=\;\sum_{i=0}^{n-1}
(-1)^i(k,k')\times (-1)^{i+1}(k,k')\;=\;0\]
vem
\[\frac{1}{2}\left|\sum_{i=0}^{n-1} Q_i\times Q_{i+1}\right|\;=\;
\frac{1}{2}\left|\sum_{i=0}^{n-1} P_i\times P_{i+1}\right|
\]
ou seja, as áreas
dos polígonos \(P\) e \(Q\) são iguais.
Alternativamente, também
poderíamos ter visto que as áreas dos polígonos obtidos juntando
os vértices de índice par são iguais, assim como as áreas
dos polígonos obtidos juntando os vértices de índice ímpar.
De facto, como \(Q_i=P_i+(k,k')\) para todo o valor de \(i\)
par, o polígono obtido juntando os vértices de índice par do
polígono \(Q\)
é a imagem por uma translação associada ao vector \((k,k')\)
do polígono obtido juntando os vértices de índice par do polígono
\(P\), pelo que têm a mesma área. Analogamente, o polígono obtido juntando
os vértices de índice ímpar do polígono \(Q\)
é a imagem por uma translação associada ao vector \((-k,-k')\)
do polígono obtido juntando os vértices de índice ímpar
do polígono \(P\)
pelo que também têm a mesma área. Mas, como a área de um
polígono qualquer pode ser calculada a partir dos valores das áreas
relativas ao polígono obtido por bissecção e aos polígonos
obtidos unindo, respectivamente, os vértices de índice par e os de
índice ímpar, e uma vez que estes valores são iguais para os
polígonos \(P\) e \(Q\)
as suas áreas também o são.