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正余弦定理与三角形度量

基础更新于 2026-09-29

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在非退化三角形中,约定边 a,b,ca,b,c 分别对角 A,B,CA,B,C,面积为 SS,外接圆半径为 RR,内切圆半径为 rr,半周长为 ss。

正弦定理、余弦定理与面积公式全表

设非退化三角形内角 A,B,C∈(0,π)A,B,C\in(0,\pi),A+B+C=πA+B+C=\pi,对边为 a,b,c>0a,b,c>0,外接圆半径 RR、面积 Δ\Delta。有

asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C=2R.\frac a{\sin A}=\frac b{\sin B}=\frac c{\sin C}=2R.

圆中弦长为 2Rsin⁡A2R\sin A:由圆心到弦的垂线将弦平分,用直角三角形得到;当所对内角为钝角,取互补角,正弦相同。三边轮换即得正弦定理。

a2=b2+c2−2bccos⁡A,cos⁡A=b2+c2−a22bc,b2=c2+a2−2cacos⁡B,cos⁡B=c2+a2−b22ca,c2=a2+b2−2abcos⁡C,cos⁡C=a2+b2−c22ab.\begin{aligned} a^2&=b^2+c^2-2bc\cos A,&\cos A&=\frac{b^2+c^2-a^2}{2bc},\\ b^2&=c^2+a^2-2ca\cos B,&\cos B&=\frac{c^2+a^2-b^2}{2ca},\\ c^2&=a^2+b^2-2ab\cos C,&\cos C&=\frac{a^2+b^2-c^2}{2ab}. \end{aligned}

证明第一式可取 A=(0,0),B=(c,0),C=(bcos⁡A,bsin⁡A)A=(0,0),B=(c,0),C=(b\cos A,b\sin A),计算 BC2BC^2,用 sin⁡2A+cos⁡2A=1\sin^2A+\cos^2A=1 合并。其他两式交换顶点;右列是左列移项后除以正数,条件由非退化三角形保证。

Δ=12bcsin⁡A=12casin⁡B=12absin⁡C=2R2sin⁡Asin⁡Bsin⁡C=abc4R.\Delta=\frac12bc\sin A=\frac12ca\sin B=\frac12ab\sin C =2R^2\sin A\sin B\sin C=\frac{abc}{4R}.

前三式来自底乘对应高的一半,钝角时高可在边延长线上但仍为正弦给出的正长度;代入 a=2Rsin⁡Aa=2R\sin A 等得到后两式。

射影定理与给定角和时的角度唯一性

设 A,B,CA,B,C 为非退化三角形内角,对边为 a,b,ca,b,c。三条射影公式为

a=bcos⁡C+ccos⁡B,b=ccos⁡A+acos⁡C,c=acos⁡B+bcos⁡A.a=b\cos C+c\cos B,\quad b=c\cos A+a\cos C,\quad c=a\cos B+b\cos A.

证明第一式。 由余弦定理,

bcos⁡C+ccos⁡B=a2+b2−c22a+a2+c2−b22a=a.b\cos C+c\cos B =\frac{a^2+b^2-c^2}{2a}+\frac{a^2+c^2-b^2}{2a}=a.

另两式循环交换字母。即使三角形为钝角,这些式子仍成立;负余弦表示有向投影反向,不能擅自取绝对值。

另一个常用推论是:若 θ=A+B∈(0,π)\theta=A+B\in(0,\pi),且 0<α<θ0<\alpha<\theta,则

asin⁡α=bsin⁡(θ−α)⟹α=A.\frac{a}{\sin\alpha}=\frac{b}{\sin(\theta-\alpha)}\quad\Longrightarrow\quad \alpha=A.

证明。 正弦定理给 a/b=sin⁡A/sin⁡Ba/b=\sin A/\sin B。交叉相乘,再用 B=θ−AB=\theta-A,有

sin⁡Asin⁡(θ−α)−sin⁡αsin⁡(θ−A)=0.\sin A\sin(\theta-\alpha)-\sin\alpha\sin(\theta-A)=0.

展开两个差角正弦,左边化为 sin⁡θsin⁡(A−α)\sin\theta\sin(A-\alpha)。因 sin⁡θ>0\sin\theta>0 且 ∣A−α∣<π|A-\alpha|<\pi,只能 A−α=0A-\alpha=0。

这里必须限定 α\alpha 的范围。若允许任意实角,α=A+2kπ\alpha=A+2k\pi 也会满足原等式,不能断言 α=A\alpha=A。

海伦公式:由三边计算面积

设非退化三角形三边为 a,b,ca,b,c,半周长 s=(a+b+c)/2s=(a+b+c)/2,面积为 SS。则

S=s(s−a)(s−b)(s−c).S=\sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}.

非退化条件保证 s−a,s−b,s−cs-a,s-b,s-c 都为正。这个公式适合已知三边而不希望先求角的情形。

证明。 由余弦定理及面积公式,

16S2=4a2b2sin⁡2C=4a2b2−(a2+b2−c2)2=[2ab−(a2+b2−c2)][2ab+(a2+b2−c2)]=[c2−(a−b)2][(a+b)2−c2]=(b+c−a)(a+c−b)(a+b−c)(a+b+c)=16s(s−a)(s−b)(s−c).\begin{aligned} 16S^2 &=4a^2b^2\sin^2C\\ &=4a^2b^2-(a^2+b^2-c^2)^2\\ &=[2ab-(a^2+b^2-c^2)][2ab+(a^2+b^2-c^2)]\\ &=[c^2-(a-b)^2][(a+b)^2-c^2]\\ &=(b+c-a)(a+c-b)(a+b-c)(a+b+c)\\ &=16s(s-a)(s-b)(s-c). \end{aligned}

由于面积为正,取正平方根即得。边长不满足三角形不等式时,不能仅凭根式形式赋予它三角形面积的意义。

面积公式之间怎样转换

由底乘高,S=bcsin⁡A/2S=bc\sin A/2。再以正弦定理 a=2Rsin⁡Aa=2R\sin A 代入,得到 S=abc/(4R)S=abc/(4R)。连接内心与三个顶点,把三角形分成三个同高为 rr 的三角形,则 S=(a+b+c)r/2=srS=(a+b+c)r/2=sr,其中 ss 是半周长。

因此已知 3,4,53,4,5 三边时,直角三角形面积为 66,外接圆半径 R=abc/(4S)=5/2R=abc/(4S)=5/2,内切圆半径 r=S/s=1r=S/s=1。这些公式不是互不相关的记忆条目,而是“同一面积用不同方式表达”。

根据已知条件选择正弦或余弦定理

约定边 a,b,ca,b,c 分别对角 A,B,CA,B,C,且 A,B,C∈(0,π)A,B,C\in(0,\pi)、A+B+C=πA+B+C=\pi。

已知信息 优先入口 必须核对
两角和一边 第三角,再用正弦定理 角和小于 π\pi
两边及夹角 余弦定理求第三边 给的是夹角而非任意一个角
三边 余弦定理求角 正边长与严格三角形不等式
两边及一边对角 正弦定理或余弦方程 可能有零、一、两个三角形

例如 b=3,c=5,A=60∘b=3,c=5,A=60^\circ,得 a2=9+25−30cos⁡60∘=19a^2=9+25-30\cos60^\circ=19,故 a=19a=\sqrt{19},面积为 S=153/4S=15\sqrt3/4。长度取正平方根。

两边及非夹角:SSA 的完整分类

已知 A∈(0,π)A\in(0,\pi)、a,b>0a,b>0,其中 aa 对角 AA,令 h=bsin⁡Ah=b\sin A。

  • 当 AA 为锐角:a<ha<h 无解;a=ha=h 一解;h<a<bh<a<b 两解;a≥ba\ge b 一解。
  • 当 AA 为直角或钝角:必须 a>ba>b 才有一解,否则无解。

理由是正弦定理给出 sin⁡B=bsin⁡A/a=h/a\sin B=b\sin A/a=h/a。当它位于 (0,1)(0,1) 时,候选角为 B0B_0 与 π−B0\pi-B_0,还须分别检验 A+B<πA+B<\pi。后一条件排除了退化三角形,并解释了为什么不能只数反正弦给出的候选。

正切定理:把边的和差转成半角

非退化三角形中,正弦定理与和差化积给出

a−ba+b=sin⁡A−sin⁡Bsin⁡A+sin⁡B=tan⁡((A−B)/2)tan⁡((A+B)/2).\frac{a-b}{a+b}=\frac{\sin A-\sin B}{\sin A+\sin B} =\frac{\tan((A-B)/2)}{\tan((A+B)/2)}.

这里 a+b>0a+b>0,0<(A+B)/2<π/20<(A+B)/2<\pi/2,所以分母始终有意义。这个方向的写法还允许 a=ba=b;若将等式两边取倒数,就必须另加 a≠ba\ne b。

已知两边之比和夹角 CC 时,先由 (A+B)/2=(π−C)/2(A+B)/2=(\pi-C)/2 求右侧分母,再求 (A−B)/2∈(−π/2,π/2)(A-B)/2\in(-\pi/2,\pi/2),最后还原 A,BA,B。例如 a:b=2:1,C=π/2a:b=2:1,C=\pi/2,有 tan⁡((A−B)/2)=1/3\tan((A-B)/2)=1/3,故 A=π/4+arctan⁡(1/3),B=π/4−arctan⁡(1/3)A=\pi/4+\arctan(1/3),B=\pi/4-\arctan(1/3)。

三角恒等式的边长、内外接圆表达

设半周长 s=(a+b+c)/2s=(a+b+c)/2、内切圆半径 rr、外接圆半径 RR、面积 Δ\Delta。原稿以 pp 表半周长,本手册统一为 ss。

sin⁡A+sin⁡B+sin⁡C=sR,\sin A+\sin B+\sin C=\frac{s}{R}, acos⁡A+bcos⁡B+ccos⁡C=4Rsin⁡Asin⁡Bsin⁡C=2ΔR,a\cos A+b\cos B+c\cos C =4R\sin A\sin B\sin C=\frac{2\Delta}{R}, cos⁡A2cos⁡B2cos⁡C2=s4R,sin⁡A2sin⁡B2sin⁡C2=r4R,tan⁡A2tan⁡B2tan⁡C2=rs,\cos\frac A2\cos\frac B2\cos\frac C2=\frac{s}{4R},\quad \sin\frac A2\sin\frac B2\sin\frac C2=\frac{r}{4R},\quad \tan\frac A2\tan\frac B2\tan\frac C2=\frac rs, acos⁡A+bcos⁡B+ccos⁡C2s=rR,cos⁡A+cos⁡B+cos⁡C=1+rR.\frac{a\cos A+b\cos B+c\cos C}{2s}=\frac rR, \qquad \cos A+\cos B+\cos C=1+\frac rR.

证明中用高中三角形基本面积式 Δ=rs=abc/(4R)\Delta=rs=abc/(4R) 及海伦公式 Δ2=s(s−a)(s−b)(s−c)\Delta^2=s(s-a)(s-b)(s-c)。正弦定理立刻给出第一式;∑acos⁡A=R∑sin⁡2A=4R∏sin⁡A=2Δ/R\sum a\cos A=R\sum\sin2A=4R\prod\sin A=2\Delta/R 给出第二式。

余弦定理与半角公式给出

sin⁡A2=(s−b)(s−c)bc,cos⁡A2=s(s−a)bc.\sin\frac A2=\sqrt{\frac{(s-b)(s-c)}{bc}},\qquad \cos\frac A2=\sqrt{\frac{s(s-a)}{bc}}.

所有半角都在 (0,π/2)(0,\pi/2),根号取正。轮换三式相乘,结合海伦公式,得到

∏sin⁡(A/2)=(s−a)(s−b)(s−c)abc=Δ2sabc=r4R,\prod\sin(A/2)=\frac{(s-a)(s-b)(s-c)}{abc} =\frac{\Delta^2}{sabc}=\frac r{4R}, ∏cos⁡(A/2)=sΔabc=s4R.\prod\cos(A/2)=\frac{s\Delta}{abc}=\frac{s}{4R}.

两式相除给半角正切乘积;第二式边长加权和除以 2s2s、以及三角形余弦和恒等式,分别得到最后两式。

从边角度量转向内角恒等式

解三角形时,正弦定理、余弦定理和面积公式把边长与角联系起来。若待处理式只含三个内角的三角函数,则应先利用 A+B+C=πA+B+C=\pi,把 A+BA+B 改为 π−C\pi-C,或把 (A+B)/2(A+B)/2 改为 π/2−C/2\pi/2-C/2,再使用和差化积、倍角公式。

完整公式族及逐步证明集中在三角形内角恒等式:包括正弦和与乘积、余弦和与乘积、二倍角和、混合乘积、正切和余切、三个半角以及三个角之和为直角时的关系。平方和恒等式说明平方和与余弦乘积如何相互转换。

选择公式时应先看目标结构。例如要把正弦和化成便于估计的乘积,可使用三个半角余弦的乘积;要处理三个余弦平方之和,可转成 1−2cos⁡Acos⁡Bcos⁡C1-2\cos A\cos B\cos C。涉及正切须先排除直角,涉及半角正切、余切则对所有非退化三角形都有定义。由恒等式进一步求界及等号条件,见三角形中的常用不等式。

例

两边为 3,43,4,夹角 60∘60^\circ,则第三边平方为 9+16−24⋅1/2=139+16-24\cdot1/2=13,面积为 333\sqrt3。中线长公式为 mc2=(2a2+2b2−c2)/4m_c^2=(2a^2+2b^2-c^2)/4,可把顶点到边中点的向量写成两边向量平均后展开得到。

例:同一组条件产生两个面积

取 A=30∘,a=3,b=2A=30^\circ,a=\sqrt3,b=2。有 h=1<3<2h=1<\sqrt3<2,应有两解。由 sin⁡B=1/3\sin B=1/\sqrt3 可判断两支均合法,也可直接用余弦定理解 cc:

3=4+c2−23c  ⟺  (c−3)2=2.3=4+c^2-2\sqrt3c\iff(c-\sqrt3)^2=2.

得到两个正值 c=3±2c=\sqrt3\pm\sqrt2,对应面积 S=bcsin⁡A/2=c/2S=bc\sin A/2=c/2。两种面积分别为 (3+2)/2(\sqrt3+\sqrt2)/2 和 (3−2)/2(\sqrt3-\sqrt2)/2。

这种多解并非计算错误,而是已知条件不能唯一固定三角形形状。应把两支完整保留。

边界与歧义

三边必须满足任意两边和大于第三边。已知两边及其中一边的对角(SSA)可能有两解:由正弦定理求得 sin⁡B\sin B 后,BB 与 π−B\pi-B 都要检查 A+B<πA+B<\pi。给定两边与夹角(SAS)则没有这种歧义。

关联阅读

先修:和差、倍角、半角与和积公式。

同主题:反三角函数与三角求和 · 三角形中的恒等式与最值。

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