三角形中的線段
眾所周知,這是一個普通的三角形。
又眾所周知,高線,中線,角平分線與三角形有關(guān)的三條線段。 再加上勾股定理和余弦定理,我們便可以用三角形的三邊長度表示出三角形的高,中線,角平分線的長度。理論存在,實踐開始。 (一)三角形的高
如圖所示,△ABC的三邊長分別為a,b,c,設(shè)AB邊上的高AD的長為h,BD的長為c/2+t,AD長為c/2-t。 在Rt△BCD和Rt△ACD中,根據(jù)勾股定理, (c/2+t)2=a2-h2 ① (c/2-t)2=b2-h2 0 ①-②,得, (c/2+t+c/2-t)(c/2+t-c/2+t)=a2-b2 所以2ct=a2-b2 所以t=(a2-b2)/2c 所以c/2+t=c/2+(a2-b2)/2c =(a2-b2+c2)/2c 所以h2=a2-(c/2+t)2 =a2-[(a2-b2+c2)/2c]2 =a2-[(a?+b?+c?-2a2b2-2b2c2+2c2a2)/2c]2 =4a2c2/4c2-[(a?+b?+c?-2a2b2-2b2c2+2c2a2)/2c]2 =(-a?-b?-c?+2a2b2+2b2c2+2c2a2)/4c2 所以h= √[(-a?-b?-c?+2a2b2+2b2c2+2c2a2)/4c2] =√(-a?-b?-c?+2a2b2+2b2c2+2c2a2)/2c 這樣,我們就用三角形的三邊長表示出了三角形的高的長度。 但是這樣要計算三邊長的四次方,計算起來比較麻煩,于是我又對根號里的式子進(jìn)行了化簡: -a?-b?-c?+2a2b2+2b2c2+2c2a2 =(2a2b2-a?)+(2b2c2-b?)+(2c2a2-c?) =a2(2b2-a2)+b2(2c2-b2)+c2(2a2-c2) 所以h =√[a2(2b2-a2)+b2(2c2-b2)+c2(2a2-c2)]/2c (二)三角形的中線
如圖所示,CD是△ABC的中線,設(shè)CD=x,∠BDC=α,∠ADC=180°-α。 在△BDC和△ADC中,根據(jù)余弦定理, a2=x2+(c/2)2-2cosαxc/2 =x2+c2/4-cosαcx ③ b2=x2+(c/2)2-2cos(180°-α)xc/2 =x2+c2/4+cosαcx ④ ③+④,得 a2+b2=2x2+c2/2 所以4x2=2a2+2b2-c2 所以2x=√(2a2+2b2-c2) 所以x=√(2a2+2b2-c2)/2 (三)三角形的角平分線
如圖所示,CD是△ABC的角平分線,設(shè)CD為x,BD為m,AD為n,∠BCD=∠ACD=α,∠BCA=2α。 根據(jù)角平分線的性質(zhì),易知 m∶n=S△BCD∶△ACD=a∶b 又因為m+n=c 所以m=ac/(a+b),n=bc/(a+b) 所以m-n=(a-b)c/(a+b) 所以m2-n2=(m+n)(m-n) =c·(a-b)c/(a+b) =(a-b)c2/(a+b) 在△ABC中,根據(jù)余弦定理, cos2α=(a2+b2-c2)/2ab 又因為cos2α=2cos2α-1 所以2cos2α=(a2+2ab+b2-c2)/2ab =[(a+b)2-c2]/2ab =(a+b+c)(a+b-c)/2ab 所以cosα=√[(a+b+c)(a+b-c)/4ab] 為了便于表示,我們設(shè)(a+b+c)(a+b-c)=A 則cosα=√(A/4ab) 在△BCD和△ACD中,根據(jù)余弦定理, m2=a2+x2-2cosαax ⑤ n2=b2+x2-2cosαbx ⑥ ⑤-⑥,得, m2-n2=a2-b2-2cosα(a-b)x 所以(a-b)c2/(a+b) =(a+b)(a-b)-(a-b)2cosαx 兩邊同時除以(a-b),得 c2/(a+b)=a+b-2cosαx 2cosαx=(a+b)2/(a+b)-c2/(a+b) =[(a+b)2-c2]/(a+b) =(a+b+c)(a+b-c)/(a+b) =A/(a+b) 所以x=A/(a+b)÷2cosα =A/(a+b)÷2√(A/4ab) =A/(a+b)÷√(A/ab) =A÷√A×√(ab)÷(a+b) =√(Aab)/(a+b) =√[ab(a+b+c)(a+b-c)]/(a+b) 這樣,我們就得出了三角形的高,中線,角平分線的長度:
高: √[a2(2b2-a2)+b2(2c2-b2)+c2(2a2-c2)]/2c 中線:√(2a2+2b2-c2)/2 角平分線:√[ab(a+b+c)(a+b-c)]/(a+b) 此外,知道了三角形的高,我們就可以根據(jù)三角形的面積公式S=1/2ah,得出三角形的面積 S=1/2ah =1/2×c×√[a2(2b2-a2)+b2(2c2-b2)+c2(2a2-c2)]/2c =√[a2(2b2-a2)+b2(2c2-b2)+c2(2a2-c2)]/4 將這個公式變形一下,就得到了秦九韶公式 S=√{1/4{a2b2-[(a2+b2-c2)/2]2}} 也許秦九韶就是用這種方法得出的秦九韶公式吧。 -----------------分割線------------------ 推算這些東西的靈感其實是來自這三道題
這三道題都提到了一個特殊的三角形,即三邊分別為13,14和15的三角形,這個三角形在長為14的邊上的高為12。于是我就想到將這個性質(zhì)一般化,也就是已知三角形的三邊,求三角形的高,然后我又求出了三角形的中線和角平分線的長度,并算出了三角形的面積。這個過程正是從特殊到一般,再推廣的過程,也許許多的科學(xué)家都是用這樣的方式,得出了許多著名的成就。 最后,這篇文章中可能會有錯誤的地方,歡迎大家指正。真理越辯越明。