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由歌西不等式求三角形面積的快速方法
2019/04/19 18:17:37瀏覽548|回應0|推薦0

    

        由歌西不等式求三角形面積的快速方法

               作者: 遠東科技大學 鄧岱松

由歌西不等式導出三角形面積的快速方法

   設 O(0,0,…,0),A(a1,a2,…,an),B(b1,b2,…,bn)為佈於

實數域n維線性空間En正交坐標系之坐標點,O(0,0,…,0)為原點,

O=[0,0,…,0]為零向量,A=[a1,a2,…,an],B=[b1,b2,…,bn]

分別為 A(a1,a2,…,an),B(b1,b2,…,bn)之位向量.

A.A=[(a1)2+(a2)2+…+(an)2],

B.B=[(b1)2+(b2)2+…+(bn)2],

A.B=(a1b1+a2b2+…+anbn),

(A.A)(B.B)³(A.B)2是謂歌西不等式.

(A.A)(B.B)-(A.B)2=4D2. D爲三角形△OAB的面積.

且唯若A,B為線性相關.則D=0, (A.A)(B.B)=(A.B)2.

證

A.A=[(a1)2+(a2)2+…+(an)2], B.B=[(b1)2+(b2)2+…+(bn)2],

A.B=(a1b1+a2b2+…+anbn),由向量的基本概念:

(A.B)2=(A.A)(B.B)cos2q,

q=∠AOB為二向量A,B 的交角.®

(A.A)(B.B)-(A.B)2=(A.A)(B.B)-(A.A)(B.B)cos2q

(A.A)(B.B)(1-cos2q)=(A.A)(B.B)sin2q

=(OA)2(OB)2sin2q=[(OA)(OB)sinq]2=[2D]2=4D2.

即得證 (A.A)(B.B)-(A.B)2=4D2,

D爲三角形△OAB 的面積.且唯若A,B為線性相關.則D=0,

(A.A)(B.B)=(A.B)2.

解題方法之比較

例1.設 A(3,-5),B(1,2),C(-2,3),求△ABC 的面積D.

解(一) 由高中數學教材

令a=AB=[a1,a2]=[-2,7],b=AC=[b1,b2]=[-5,8].

®2D=|a1b2-a2b1|=|-16+35|=19.

解(二) 由歌西不等式

令a=AB=[-2,7],b=AC=[-5,8].®

a.a=4+49=53, b.b=25+64=89, a.b=10+56=66.

®53(89)-(66)2=4717-4356=361=4D2,2D=19,

解(三) 由三角不等式

 由 BC=[-3,1],AC=[-5,8], AB=[-2,7].®

 a=(BC)=Ö(10),b=(AC)=Ö(89),c=(AB)=Ö(53).

由½b-c½<a<b+c,得 Ö(89)-Ö(53)<Ö(10)<Ö(89)+ Ö(53),

89+53-2Ö(4717)<10<89+53+2Ö(4717),

142-2Ö(4717)<10<142+2Ö(4717).®

16D2=(2Ö(4717)+132)(2Ö(4717)-132),

4D2=(Ö(4717)+66)( Ö(4717)-66)=4717-4356=361,2D=19.

解(四) 由海龍公式

  由 a=(BC)=Ö(10),b=(AC)=Ö(89),c=(AB)=Ö(53).®

s=(a+b+c)/2=[Ö(10)+Ö(89)+Ö(53)]/2,

s-a=[Ö(89)+Ö(53)-Ö(10)]/2,

s-b=[Ö(10)-Ö(89)+Ö(53)]/2,

s-c=[Ö(10)+Ö(89)-Ö(53)]/2,

s(s-a)={[Ö(10)+Ö(89)+Ö(53)]/2}{[Ö(89)+Ö(53)-Ö(10)]/2}

={[Ö(89)+Ö(53)]2-10}/4={89+53+2Ö(4717)-10}/4

={2Ö(4717)+132}/4=[Ö(4717)+66]/2,

(s-b)(s-c)={[Ö(10)-Ö(89)+Ö(53)]/2}{[Ö(10)+Ö(89)-Ö(53)]/2}

={10-[Ö(89)-Ö(53)]2]}/4={10-[89+53-2Ö(4717)]}/4

=[2Ö(4717)-132]/4= [Ö(4717)-66]/2,

s(s-a)(s-b)(s-c)

={[Ö(4717)+66]/2}{[Ö(4717)-66]/2}=[4717-4356]/4=(361)/4,

D=Ös(s-a)(s-b)(s-c)=(19)/2.

例2.設 A(1,-1,2),B(5,1,3),C(-4,3,5),求△ABC的面積D.

解(一) 由歌西不等式

  令a=AB=[4,2,1],b=AC=[-5,4,3].®a.a=21,

b.b=50,a.b=-9. 4D2=21(50)-81=969,

解(二) 由三角不等式

   BC=[-9,2,2],AC=[-5,4,3],AB=[4,2,1].®

a=(BC)=Ö(89),b=(AC)=Ö(50),c=(AB)=Ö(21).

由½b-c½<a<b+c,得 Ö(50)-Ö(21)<Ö(89)<Ö(50)+ Ö(21),

50+21-2Ö(1050)<89<50+21+2Ö(1050).®

16D2=(2Ö(1050)-18)(2Ö(1050)+18), 

4D2=(Ö(1050)-9)(Ö(1050)+9)=969.

解(三) 由海龍公式

由 a=(BC)=Ö(89),b=(AC)=Ö(50),c=(AB)=Ö(21).®

s=(a+b+c)/2=[Ö(89)+Ö(50)+Ö(21)]/2,

s-a=[Ö(50)+Ö(21)-Ö(89)]/2,

s-b=[Ö(89)-Ö(50)+Ö(21)]/2,

s-c=[Ö(89)+Ö(50)-Ö(21)]/2,

s(s-a)={[Ö(89)+Ö(50)+Ö(21)]/2}{[Ö(50)+Ö(21)-Ö(89)]/2}

={[Ö(50)+Ö(21)]2-89}/4={50+21+2Ö(1050)-89}/4

={2Ö(1050)-18}/4=[Ö(1050)-9]/2,

(s-b)(s-c)={[Ö(89)-Ö(50)+Ö(21)]/2}{[Ö(89)+Ö(50)-Ö(21)]/2} 

={89-[Ö(50)-Ö(21)]2]}/4={89-[50+21-2Ö(1050)]}/4 

=[2Ö(1050)+18]/4=[Ö(1050)+9]/2, 

 s(s-a)(s-b)(s-c)

={[Ö(1050)-9]/2}{[Ö(1050)+9]/2}=[1050-81]/4=(969)/4,

D=Ös(s-a)(s-b)(s-c)=Ö(969)/2.

例3.設 A(2,1,-1,1,5,),B(3,4,1,-1,7),C(1,0,-3,2,6),

   求△ABC 的面積D.

解(一) 由歌西不等式

 令a=AB=[1,3,2,-2,2],b=AC=[-1,-1,-2,1,1].®

a.a=22,b.b=8,a.b=-8.®

4D2=22(8)-64=112,D2=28,D=2Ö7.

解(二) 由三角不等式

BC=[-2,-4,-4,3,-1],AC=[-1,-1,-2,1,1],

AB=[1,3,2,-2,2].®

a=(BC)=Ö(46),b=(AC)=Ö8,c=(AB)=Ö(22).

由½b-c½<a<b+c,得 Ö(22)-Ö8 <Ö(46)<Ö(22)+ Ö8.®

30-2Ö(176)<46<30+2Ö(176).®

16D2=(2Ö(176)-16)(2Ö(176)+16),

4D2=(Ö(176)-8)(Ö(176)+8)=112,D2=28,D=2Ö7.

解(三) 由海龍公式

  由 a=(BC)=Ö(46),b=(AC)=Ö8,c=(AB)=Ö(22).®

s=(a+b+c)/2=[Ö(46)+Ö8+Ö(22)]/2,

s-a=[Ö8+Ö(22)-Ö(46)]/2,s-b=[Ö(46)-Ö8+Ö(22)]/2,

s-c=[Ö(46)+Ö8-Ö(22)]/2,

s(s-a)={[Ö(46)+Ö8+Ö(22)]/2}{[Ö8+Ö(22)-Ö(46)]/2}

={[Ö8+Ö(22)]2-46}/4={2Ö(176)-16}/4

={8Ö(11)-16}/4=2Ö(11)-4.

(s-b)(s-c)={[Ö(46)-Ö8+Ö(22)]/2}{[Ö(46)+Ö8-Ö(22))]/2}

={46-[Ö8-Ö(22)]2]}/4={46-[30-2Ö(176)]}/4

={8Ö(11)+16}/4=2Ö(11)+4,

s(s-a)(s-b)(s-c)=[2Ö(11)-4][2Ö(11)+4]=28,

D=Ös(s-a)(s-b)(s-c)=2Ö7.

例4 名題鑑賞.

設a,b,c爲任何實數,且bc¹0.試證

Ö(a2-ab+b2),Ö(a2+ac+c2),Ö(b2+c2).

可爲三角形之三邊,並求此三角形的面積D.

證與解

由a2-ab+b2=(a-b/2)2+3b2/4,a2+ac+c2=(a+c/2)2+3c2/4,

可知對於任何實數a,b,c,bc¹0.恒有

a2-ab+b2>0,b2+c2>0,a2+ac+c2>0.

令 p=Ö(a2-ab+b2),q=Ö(a2+ac+c2),r=Ö(b2+c2).®

p>0,q>0,r>0,

假定(AB)=p,(AC)=q,(BC)=r 爲三角形△ABC之三邊.®

AB.AB =p2=a2-ab+b2,AC.AC=q2=a2+ac+c2,

BC.BC=r2=b2+c2,BC=AC-AB,

BC.BC=(AC-AB).(AC-AB)

=AB.AB+AC.AC-2(AB.AC),

2(AB.AC)=AB.AB+AC.AC-BC.BC

=a2-ab+b2+a2+ac+c2-(b2+c2)=2a2-a(b-c).

解(一) 由歌西不等式

(AB.AB)( AC.AC)-(AB.AC)2=4D2.®

16D2=4(AB.AB)(AC.AC)-4(AB.AC)2

=4(a2-ab+b2)(a2+ac+c2)-[2a2-a(b-c)]2

=4a4-4a3(b-c)+4a2(b2+c2-bc)-4abc(c-b)+4b2c2

  -[4a4-4a3(b-c)+a2(b-c)2]

=4a2(b2+c2-bc)-4abc(c-b)+4b2c2-a2(b-c)2

=4a2(b2+c2-bc)-4abc(c-b)+4b2c2-a2(b-c)2

=(3b2-2bc+3c2)a2+4bc(b-c)a+4b2c2.

3b2-2bc+3c2=2b2+2c2+(b-c)2>0.由判別式

d=[2bc(b-c)]2-4b2c2(3b2-2bc+3c2)=-8b2c2(b2+c2)<0,

可知  16D2=(3b2-2bc+3c2)a2+4bc(b-c)a+4b2c2>0.

且唯若D>0,D為△ABC 的面積.

p=Ö(a2-ab+b2),q=Ö(a2+ac+c2),r=Ö(b2+c2)

可爲三角形之三邊,(AB)=p=Ö(a2-ab+b2),

(AC)=q=Ö(a2+ac+c2),(BC)=r=Ö(b2+c2).

解(二) 由三角不等式「如前文」

解(三) 由海龍公式「留待數學傳播大顯身手.」

   從本文解題方法之比較.顯然最快的方法是由歌西不等式,

最煩最慢的方法便是那海龍公式,

而中研院數學所數學傳播對前文:

「由三角不等式導出三角形面積的快速方法」

「審核結果:退稿」的「審核意見」

一個証明的方式正如作者所提出的辦法,請參見網路“海龍公式”」

恰是對這鼎鼎大名的海龍公式情有獨鍾.

其如是,何不展示一下海龍絕學,讓國人開開眼界.

因此本人擬將「由歌西不等式導出三角形面積的快速方法」一文,

再次投寄數學傳播,藉以測試該期刊見賢思除瘋狂程度.

兼之欣賞那信口雌黃言不及義的審核意見.

 

 

 

 

 

 

 


 

( 心情隨筆|心情日記 )
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