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2025年8月26日 星期二

三角形面積的終極密碼:希羅公式 (Heron's Formula) 推導全解析

希羅公式推導講義

三角形面積的終極密碼:希羅公式 (Heron's Formula) 推導全解析

大家好,相信大家在高中時都學過各式各樣的三角形面積公式。其中,希羅公式(又稱海龍公式)絕對是最特別的一個——它完全不需要知道任何角度,只需要三邊長,就能算出三角形的面積。

這份講義將帶你從最熟悉的公式出發,一步步推導,讓你徹底看懂希羅公式背後的代數與幾何之美。這不僅是個公式證明,更是對高中三角函數與代數運算能力的一次總回顧!


Part 1: 我們的起點——必備的先備知識

在開始證明之前,讓我們先回憶一下幾個關鍵的工具:

  • 三角形面積公式:這是我們最熟悉的公式之一,利用兩邊長及其夾角來計算面積。 $$ \triangle = \frac{1}{2}ab \sin C $$
  • 餘弦定理 (Law of Cosines):連接三角形三邊長與一個內角的重要橋樑。 $$ \cos C = \frac{a^2 + b^2 - c^2}{2ab} $$
  • 三角函數的平方關係:一個簡單卻極其強大的恆等式。 $$ \sin^2 C + \cos^2 C = 1 \implies \sin C = \sqrt{1 - \cos^2 C} $$

Part 2: 推導的奇幻旅程

我們的目標是將面積公式 $\triangle = \frac{1}{2}ab \sin C$ 中的 $\sin C$ 換掉,讓整個公式只剩下邊長 $a, b, c$。

Step 1: 用邊長取代角度

首先,我們將平方關係代入面積公式,把 $\sin C$ 換成 $\cos C$ 的表示式。

$$ \triangle = \frac{1}{2}ab \sin C = \frac{1}{2}ab \sqrt{1 - \cos^2 C} $$

接著,利用餘弦定理,將 $\cos C$ 換成用三邊長表示的式子。這一步是整個證明的核心!

$$ \triangle = \frac{1}{2}ab \sqrt{1 - \left(\frac{a^2 + b^2 - c^2}{2ab}\right)^2} $$

Step 2: 展開與化簡的代數魔法

現在,公式裡已經沒有任何角度了,剩下的是純粹的代數運算。我們把 $\frac{1}{2}ab$ 乘進根號裡,方便後續計算。

$$ \triangle = \sqrt{\left(\frac{1}{2}ab\right)^2 \left[1 - \left(\frac{a^2 + b^2 - c^2}{2ab}\right)^2\right]} $$ $$ = \sqrt{\frac{1}{4}a^2b^2 - \frac{1}{4}a^2b^2 \frac{(a^2 + b^2 - c^2)^2}{4a^2b^2}} $$ $$ = \sqrt{\frac{4a^2b^2 - (a^2 + b^2 - c^2)^2}{16}} $$

Step 3: 平方差公式的連環應用

觀察根號內的分子,你是否看到了熟悉的結構?沒錯,就是**平方差公式** $x^2 - y^2 = (x-y)(x+y)$!這裡的 $x$ 是 $2ab$,$y$ 是 $(a^2+b^2-c^2)$。

$$ \triangle = \sqrt{\frac{1}{16} \left[ (2ab)^2 - (a^2 + b^2 - c^2)^2 \right]} $$ $$ = \sqrt{\frac{1}{16} [2ab - (a^2 + b^2 - c^2)][2ab + (a^2 + b^2 - c^2)]} $$ $$ = \sqrt{\frac{1}{16} (2ab - a^2 - b^2 + c^2)(2ab + a^2 + b^2 - c^2)} $$

Step 4: 重新整理,再次使用平方差

我們將括號內的項重新整理,配成完全平方式。

$$ \triangle = \sqrt{\frac{1}{16} [c^2 - (a^2 - 2ab + b^2)][(a^2 + 2ab + b^2) - c^2]} $$ $$ = \sqrt{\frac{1}{16} [c^2 - (a-b)^2][(a+b)^2 - c^2]} $$

看!又是兩組平方差!我們再次把它們分解開來。

$$ = \sqrt{\frac{1}{16} [c - (a-b)][c + (a-b)][(a+b) - c][(a+b) + c]} $$ $$ = \sqrt{\frac{1}{16} (c - a + b)(c + a - b)(a + b - c)(a + b + c)} $$

Step 5: 引入半周長 s,迎接最終型態

為了讓公式更優雅,我們引入一個新的符號:半周長 (semi-perimeter) $s$。

$$ s = \frac{a+b+c}{2} $$

現在,我們來看看根號裡的四個括號如何用 $s$ 來表示:

  • $a+b+c = 2s$
  • $a+b-c = (a+b+c) - 2c = 2s - 2c = 2(s-c)$
  • $a+c-b = (a+b+c) - 2b = 2s - 2b = 2(s-b)$
  • $b+c-a = (a+b+c) - 2a = 2s - 2a = 2(s-a)$

將這些代回我們的面積公式:

$$ \triangle = \sqrt{\frac{1}{16} \cdot 2(s-a) \cdot 2(s-b) \cdot 2(s-c) \cdot 2s} $$ $$ = \sqrt{\frac{16}{16} \cdot s(s-a)(s-b)(s-c)} $$

於是,我們得到了最終的完美形式:

$$ \triangle = \sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)} $$

Part 3: 總結與反思

我們從一個包含角度的面積公式 $\triangle = \frac{1}{2}ab \sin C$ 出發,巧妙地結合了餘弦定理與多次的平方差運算,最終推導出一個只與三邊長有關的優美公式。

這個過程不僅展現了數學符號運算的威力,也體現了從不同知識點(面積、邊、角)之間建立聯繫的數學思想。希望這次的複習,能讓你對高中數學有一個更全面、更深刻的理解。

2022年5月30日 星期一

一道空間幾何的三角形面積問題

==問題== 

在正四面體ABCD中,於$\overline{AB}, \overline{AC}, \overline{AD}$上分別取$P, Q, R$,已知$\overline{AD}$垂直於平面$PQR$,且$\overline{AP} = 6$,試求出$\Delta PQR$的面積。

==答案==

$9 \sqrt{2}$

==解答==

題目略圖如下:

分析三角錐APQR,其中$\angle BAC = 60^{\circ} = \angle PAR = \angle QAR$,再利用三角形邊長關係得下圖:


於是$\Delta PQR$是邊長為$3\sqrt{3}, 3\sqrt{3}, 6$的三角形,其中

$$\cos R = \frac{\sqrt{3}^2 + \sqrt{3}^2 - 2^2}{2 \cdot \sqrt{3} \cdot \sqrt{3}} = \frac{1}{3},$$

且

$$\sin R = + \sqrt{1 - \cos^2 R} = \frac{2\sqrt{2}}{3}.$$

因此

$$\Delta PQR = \frac{1}{2} \cdot 3\sqrt{3} \cdot 3\sqrt{3} \cdot \frac{2\sqrt{2}}{3} = 9 \sqrt{2}.$$

(解答終了)

2021年1月14日 星期四

105指考數甲的平面向量內積問題

=問題= 

假設三角形ABC的三邊長分別為$\overline{AB}=5, \overline{BC}=8, \overline{AC}=6$。請選出和$\overrightarrow{AB}$內積為最大的選項。(單選)

(A) $\overrightarrow{AC}$

(B) $\overrightarrow{CA}$

(C) $\overrightarrow{BC}$

(D) $\overrightarrow{CB}$

(E) $\overrightarrow{AB}$

=解答=

首先畫出三角形ABC。

由圖看來,$\angle A$應是鈍角,為確定此論斷,我們計算$\cos A$,由餘弦定理得

$$\cos A = \frac{5^2 + 6^2 - 8^2}{2 \cdot 5 \cdot 6} = \frac{-1}{20} < 0.$$

所以確定了$\angle A$是鈍角。

既然$\angle A$是鈍角,那麼剩下的兩個角$\angle B, \angle C$必為銳角。再由大邊對大角可知$\angle B > \angle C$。

現在觀察各選項所決定的夾角。

(A) $\overrightarrow{AB}$與$\overrightarrow{AC}$的夾角為$\angle A$,鈍角。

(B) $\overrightarrow{AB}$與$\overrightarrow{CA}$的夾角為$180^{\circ} - \angle A$,銳角。

(C) $\overrightarrow{AB}$與$\overrightarrow{BC}$的夾角為$180^{\circ} - \angle B$,鈍角。

(D) $\overrightarrow{AB}$與$\overrightarrow{CB}$的夾角為$\angle B$,銳角。

(E) $\overrightarrow{AB}$與$\overrightarrow{AB}$的夾角為$0^{\circ}$。

若兩向量夾角為鈍角,則內積必為負數。所以不用考慮(A)與(C)。

現在來計算(B)、(D)、(E)。

(B): $\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CA} = 5 \cdot 6 \cdot \cos (180^\circ - A) = 30 \cdot (- \cos A) = 30 \cdot \frac{1}{20} = \frac{3}{2}$。

(D):$\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CB} = 5 \cdot 8 \cdot \cos B = 40 \cdot \frac{5^2 + 8^2 - 6^2}{2 \cdot 5 \cdot 8} = 40 \cdot \frac{53}{80} = \frac{53}{2}$。

(E):$\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AB} = 5^2 = 25$。

所以$\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CB}$最大,故選(D)。

2015年10月13日 星期二

103(上)北一女高二第一次期中考,多選題4,選項(5)

「若$\angle A=\angle D>90^{\circ}, a=d=10, b=e=8$,則$\triangle ABC$及$\triangle DEF$全等」
[解] 在$\angle ABC$中設$\overline{AB}=x$,在$\triangle DEF$中設$\overline{DE}=y$。由餘弦定理(長度型)得
$100=x^2+64-16x\cos A$,
$100=y^2+64-16y\cos D$,
(請留意$\cos A=\cos D$)。
於是有
$x^2+64-16x\cos A=y^2+64-16y\cos D$,
整理得
$(x^2-y^2)-16\cos A(x-y)=0$,
$(x-y)(x+y)-16\cos A(x-y)=0$,
$(x-y)(x+y-16\cos A)=0$。
注意$\angle A$是鈍角,所以$\cos A<0$,得$x+y-16\cos A>0$,因此$x-y=0$,即有$x=y$。
因為三邊長相等,所以兩三角形全等(SSS)。
故本選項正確。