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【趣味数学题】 三角形的内接圆

2021-07-01 22:06 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

郑涛 (Tao Steven Zheng) 著

【问题】

此问题选自会田安明(Aida Yasuaki,1747 年 - 1817 年)《算法天生法指南》(1811):

假设一个圆内接在一个边长为13、14、15的三角形中。问:内接圆的直径是多少?


【题解】

(1)用 “海伦公式” 或 秦九韶的 “三斜求积术” 公式 来计算三角形的面积。

 海伦公式

海伦(Heron of Alexandria,约公元 10 年 - 70 年)在《度量论》(Metrica)卷一给出:

A%3D%5Csqrt%7Bs(s-a)(s-b)(s-c)%20%7D%20

其中 A 为三角形的面积, abc 分别为三角形的边长和 s%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20(a%2Bb%2Bc) 为半周长(semi-perimeter)。

s%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20%20(13%2B14%2B15)%20%3D%2021%0A%0A%0A

A%3D%5Csqrt%7B21(21-13)(21-14)(21-15)%7D%20%0A%0A%0A

A%20%3D%20%5Csqrt%7B21%C3%978%C3%977%C3%976%7D%20%3D%2084

秦九绍的“三斜求积术”

秦九绍(1202—1261)在《数书九章》卷五“田域类”第二问给出:

A%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B1%7D%7B4%7D%20%5Cleft%5Ba%5E2%20c%5E2-%20%5Cleft(%5Cfrac%7Ba%5E2%2Bc%5E2-b%5E2%7D%7B2%7D%20%5Cright)%5E2%20%5Cright%5D%7D%20

其中 A 为三角形的面积, a 为小斜边长, b 为中斜边长,  c  为大斜边长。

A%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B1%7D%7B4%7D%20%5Cleft%5B(13)%5E2%20(15)%5E2-%5Cleft(%5Cfrac%7B13%5E2%2B15%5E2-14%5E2%7D%7B2%7D%20%5Cright)%5E2%20%5Cright%5D%7D%20%3D%2084

 

(2)

图1


如图1所示,%E2%96%B3ABC 可分为三个三角形: %E2%96%B3OAB,  %E2%96%B3OAC%20 and %E2%96%B3OBC。因此, %E2%96%B3ABC 的面积是

%7BA%7D_%7B%E2%96%B3ABC%7D%20%3D%20%7BA%7D_%7B%E2%96%B3OAB%7D%20%2B%20%7BA%7D_%7B%E2%96%B3OAC%7D%20%2B%20%7BA%7D_%7B%E2%96%B3OBC%7D

其中

%7BA%7D_%7B%E2%96%B3OAB%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20OD%5Ccdot%20AB

%7BA%7D_%7B%E2%96%B3OAC%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20OE%5Ccdot%20AC

%7BA%7D_%7B%E2%96%B3OBC%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20OF%5Ccdot%20BC


因为线段 ODOE OF 都是圆的半径, 所以 OD%3DOE%3DOF%3Dr。然后设 AB%3Da AC%3DbBC%3Dc.

因此,

 %7BA%7D_%7B%E2%96%B3ABC%7D%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20ra%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20rb%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Drc

%7BA%7D_%7B%E2%96%B3ABC%7D%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20r%EF%BC%88a%2Bb%2Bc%EF%BC%89

因为半径是直径的一半,

%7BA%7D_%7B%E2%96%B3ABC%7D%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B4%7D%20d%EF%BC%88a%2Bb%2Bc%EF%BC%89

因此,内接圆的直径为

d%3D%5Cfrac%7B4%5Ctimes%20%7BA%7D_%7B%E2%96%B3ABC%7D%7D%7Ba%2Bb%2Bc%7D%20

d%3D%5Cfrac%7B4%5Ctimes%2084%7D%7B13%2B14%2B15%7D%20

d%3D8



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