218
2015年數學家發現一個新的可以無縫密鋪平面的凸 五邊形,如圖1所示。我們不禁想了解這個凸五邊形的 邊長、角度與對角線的長度;而用來探討這些問題的工 具-三角形的邊角關係,正是本單元學習的重點。三角比的性質
12
▲ 圖1甲
三角形面積公式
國中學過:已知三角形的「兩邊長及其夾角」時,三角形就會確定,那麼該 如何求此三角形的面積呢?如 圖 2 所 示 , 在3ABC中 , 不 論3ABC的 A+ 為銳 角、直角或鈍角, AB 邊上的高都等於 sinb A 。 A + 為銳角 + 為直角A + 為鈍角A 高=bsinA 高=bsin90c
sin b A = 高=bsin^180c
-Ah sin b A = ▲ 圖212
三角比的性質219
因此, ABC3 的面積可表為 ABC 3 的面積 c bsinA bcsinA 2 1 2 1 2 1 # # = ^底 高h= ^ h= 。 用同樣的方法可得 ABC 3 的面積 casinB absinC 2 1 2 1 = = 。 將三角形面積公式整理如下。 若a,b和c分別表 ABC3 三內角 A+ , + 和 CB + 的對邊長,則 ABC3 的面積 bcsinA casinB absinC
2 1 2 1 2 1 = = = 。 三角形面積公式 此後,只要知道三角形的「兩邊長及其夾角」,便可用以上公式算出此三角 形的面積。 求下列各 ABC3 的面積: 1 AC=10, BC= ,8 + =C 135
c
。 2 AC= , BC2 = , C1 + =40c
。(四捨五入到小數點以下第1位) 解 利用三角形面積公式,得1 ABC3 的面積 absinC sin 2 1 2 1 8 10 135 # # #
c
= = 2 1 8 10 2 2 20 2 # # # = = 。2 ABC3 的面積 absinC sin sin 2 1 2 1 1 2 40 40 # # #
c
c
= = = 。 利用計算機,可得 ABC3 的面積=sin 40c
.0 6. 。例題
1
220
隨堂練習
求下列各 ABC3 的面積: 1 BC= ,4 AB= ,3 + =B 120c
。 2 AB= ,5 AC= ,6 + =A 37c
。(四捨五入到整數位) 面積公式也可以解決較為複雜的問題。 如 右 圖 所 示 , 已 知 AB=5, AC= 4, CAD 30c
+ = , +DAB=90c
,求 AD 的 長度。 解因為 ABC3 面積= ABD3 面積+ ACD3 面積,所以 sin AB AC 2 1 90 30 # # # ^
c
+c
h sin sin AB AD AC AD 2 1 90 2 1 30 # # #c
# # #c
= + , 即 AD AD 2 1 5 4 2 3 2 1 5 1 2 1 4 2 1 # # # = # # # + # # # , 解得 AD 7 10 3 = 。例題
2
在 3ABC 中 , 已 知 AB=1 , AC=2 , A 120c
+ = ,且 A+ 的內角平分線交 BC 於D,求 AD 的長度。隨堂練習
12
三角比的性質221
乙
正弦定理
將三角形面積公式 ABC3 的面積 bcsinA casinB absinC
2 1 2 1 2 1 = = = 同除以 abc 2 1
,得 sin sin sin
a A b B c C = = ,即
sinA sin sin
a B b C c = = 。 事實上,上述這個比值恰等於 ABC3 外接圓的直徑,這個性質稱為正弦定理。 若a,b和c分別表 ABC3 三內角 A+ , + 和 CB + 的對邊長,且R表其外接圓 半徑,則
sinA sin sin
a B b C c R 2 = = = 。 正弦定理 證明: 不失一般性可設 A+ #+B#+C。因為
sinA sin sin
a B b C c = = ,所以只需要證明 sin A a R 2 = 。 將 ABC3 依銳角、直角、鈍角三種三角形來討論:作 ABC3 的外接圓,令其半徑 為R,如圖3所示。 ▲ 圖3 銳角三角形 直角三角形 鈍角三角形
222
過C點作直徑 CD 並連接 BD 。因為 CD 為直徑,即 CBD+ =90c
,所以 BCD3 為 直角三角形,且 sin D CD BC R a 2 = = 。 又因為 A+ =+D(同弧所對的圓周角相等),所以 sinA sinD R a 2 = = 。故 sin A a R 2 = 。 因此,只要知道三角形的「某邊長及其對角的度數」,就可以利用正弦定理 求出此三角形的外接圓半徑。 1 在 ABC3 中 , 已 知 A+ =45c
, + =B 60c
, BC= 2 , 求 AC 的 長 度 與 ABC 3 的外接圓半徑。 2在 ABC3 中,已知 A+ =25c
, BC= ,1 AC= 2,求 B+ 的角度。(四捨 五入到小數點以下第1位) 解 1 利用正弦定理,得 sin sin AC R 45 2 60 2c
=c
= , 解得 sin sin AC 45 2 60 2 2 2 2 3 3 #c
c
= = = , 且 R=1,即外接圓半徑為1。 2 利用正弦定理,得 sin25 sin B 1 2c
= ,例題
3
12
三角比的性質223
即 sinB=2sin25c
。利用計算機,依序按下 2 25 即可得+ .B 57 7.c
。隨堂練習
在 ABC3 中,已知 A+ =30c
,+ =C 45c
, BC= 2,求 1 AB 的長度。 2 3ABC的外接圓半徑。 由正弦定理sinA sin sin
a B b C c = = 可知
: : sin :sin :sin
a b c= A B C, 即三角形的三邊長比等於其對應的三內角正弦值之比。 在 ABC3 中,已知+A:+B:+ =C 1 4 1: : ,求 : :a b c 。 解 因為 ABC3 三內角和為180
c
,所以 A 1 4 1 1 180 30 #c
c
+ = + + = , B 1 4 1 4 180 120 #c
c
+ = + + = , C 1 4 1 1 180 30 #c
c
+ = + + = 。 利用正弦定理,得: : sin :sin :sin sin :sin :sin
a b c= A B C= 30
c
120c
30c
: : : : 2 1 2 3 2 1 1 3 1 = = 。例題
4
224
隨堂練習
在3ABC中 , 已 知 BC=9, 且sinA:sinB:sinC=3 5 4: : , 求3ABC的 周 長。 測量上常用方位來描述物體所在的位置。除了東南 西北四個主要方位之外,將其他描述法舉例介紹如下: 在圖4中, 1 P點位於O點的北 30
c
東(或東 60c
北); 2 Q點位於O點的北 75c
西(或西15c
北); 3 R點位於O點的南 45c
東(或東南方)。 我們可利用正弦定理來解決測量的應用問題。 有一艘船從碼頭O出發,往東北方前進10公里到A地後,再往正西方前 進至B地,於B地停船測得碼頭在南 60c
東。 1 選出 ABO+ 的度數。 (A) 30c
(B) 45c
(C) 60c
(D) 75c
。 2 試求B地與碼頭的距離。 3 問:船從A地到B地的航程中與碼頭最近的距離為多少? 解 1 依題意畫圖,可得 ABO+ =30c
。故選(A)。 2 在 OAB3 中,利用正弦定理,得 sin sin BO 30 10 45c
=c
, 解得 BO=10 2。故B地與碼頭的距離10 2 公里。 3 當船航行至C點( OC= AB )時與碼頭距離最近,此時 sin OC 10 45 10 2 2 5 2 #c
# = = = 。 故船從A地到B地的航行中與碼頭最近的距離為 5 2 公里。例題
5
▲ 圖412
三角比的性質225
隨堂練習
由南向北行駛的汽車上,在A地看到西北方有一座摩天輪,車子繼續行 駛10公里至B地後,摩天輪變成在南 75c
西的方位,試求B地與摩天輪 的距離。丙
餘弦定理
國中學過:已知直角三角形的兩股長時(此時兩股夾 90c
),可利用畢氏定 理求得斜邊的長度;但如果是一般的三角形,只知道「兩邊長及其夾角」時,要 怎麼求第三邊的長度呢? 先討論 A+ ,以銳角三角形ABC為例,如圖5所示, sin CD=b A, AD=bcosA。 因此, cos BD= -c b A。 在直角三角形BCD中,利用畢氏定理,得 sin cos a2=^b Ah2+^c-b Ah2sin cos cos
b2 2A c2 2bc A b2 2A
= + - + sin A+cos A cos
b2 2 2 c2 2bc A = _ i+ -cos b2 c2 2bc A = + - 。 至於其他的情形,以上的推論亦成立,證明請參考本書的附錄。 利用同樣的方法討論 B+ 與 C+ 可得 cos b2=c2+a2-2ca B, c2=a2+b2-2abcosC。 這就是餘弦定理。 ▲ 圖5
226
若a,b和c分別表 ABC3 三內角 A+ , + 和 CB + 的對邊長,則 cos a2=b2+c2-2bc A, cos b2=c2+a2-2ca B, cos c2=a2+b2-2ab C。 餘弦定理 當 C+ 是 直 角 時 , 即 cos C=0, 代 入 餘 弦 定 理c2=a2+b2-2abcosC 可 得 c2=a2+b2。這就是國中學過的畢氏定理。 當我們知道三角形的「兩邊長及其夾角」時,可藉助餘弦定理來求得第三邊 的長度。 在 ABC3 中,已知 AB= ,8 AC= ,3 + =A 60c
,求 BC 的長度。 解 利用餘弦定理a2=b2+c2-2bccosA,得 cos BC2=32+82-2# # #3 8 60c
9 64 24 49 = + - = , 解得 BC=7。例題
6
在 ABC3 中,已知 AB= ,3 AC= ,5 + =A 120c
,求 BC 的長度。隨堂練習
12
三角比的性質227
餘弦定理的三個等式也可移項寫成 cos A bc b c a 2 2 2 2 = + - , cos B ca c a b 2 2 2 2 = + - , cos C ab a b c 2 2 2 2 = + - 。 因此,當已知三角形的「三邊長」時,就可以利用這些等式計算出各內角的 餘弦值,並進而求得其角度。 1 在 ABC3 中,已知 AB= ,8 BC= 13, AC= 7,求 A+ 的度數。 2 在 ABC3 中,已知 AB=5, BC=6, AC=7,求最大角的度數。(四 捨五入到小數點以下第1位) 解 1 利用餘弦定理,得 cos A bc b c a 2 2 7 8 7 8 13 2 1 2 2 2 2 2 2 # # = + - = + - =- 。 故 A+ =120c
。 2 因為 AC 為最長的邊長,所以其對角 B+ 為 最大角。利用餘弦定理,得 cos B ca c a b 2 2 5 6 5 6 7 5 1 2 2 2 2 2 2 # # = + - = + - = 。 利用計算機,可得+ .B 78 5.c
。例題
7
1 在 ABC3 中,已知 AB= ,7 BC= ,5 AC= ,求 C3 + 的度數。 2 在 ABC3 中,已知 AB=5, BC=6, AC=7,求最小角的度數。(四 捨五入到小數點以下第1位)隨堂練習
228
餘弦定理也可以解決圖形比較複雜的情形。
如右圖所示,已知 AB= ,3 AC= ,7 BD= ,3
CD=5,求 AD 的長度。
解
在 ABC3 與 ABD3 中,分別利用餘弦定理來求 cos B 的值: 1 在 ABC3 中,可得 cos B AB BC AB BC AC 2 2 3 8 3 8 7 2 1 2 2 2 2 2 2 # # # # = + - = + - = 。 2 在 ABD3 中,可得 cos B AB BD AB BD AD AD AD 2 2 3 3 3 3 18 18 2 2 2 2 2 2 2 # # # # = + - = + - = - 。 由12得 AD 2 1 18 18 2 = - ,解得 AD=3。
例題
8
在 ABC3 中,已知 AB= ,5 BC=6, AC=7,且M 為 BC 邊上的中點,求中線 AM 的長度。隨堂練習
來看引言的應用問題。12
三角比的性質229
在2015年數學家再度發現可以無縫密鋪平面 的凸五邊形,如右圖所示。選出正確的選項。 1 AD=2 2 2 BD=2 3 3 BAD+ =60c
4 ABD+ =30c
5 此五邊形的面積為 5 3 3+ 。 解 1 連接 AD ,在 ADE3 中,利用畢氏定理,得 AD = 22+22 =2 2。 2 連接 BD ,在 BCD3 中,利用餘弦定理,得 cos BD2=42+22-2# # #4 2 60c
16 4 16 2 1 # = + -12 = , 因此 BD= 2 3。 3 因為 ADE3 為等腰直角三角形,所以 EAD+ =45c
,可得 BAD 105c
45c
60c
+ = - = 。 4 在 ABD3 中,利用正弦定理,得sin ABD sin 2 2
60 2 3
c
+ = , 解得 sin ABD sin
2 3 2 2 60 2 3 2 2 2 3 2 2 #