Jump to content

Формула Герона

Треугольник со сторонами a , b и c.

В геометрии ( формула Герона или формула Герона ) дает площадь треугольника через длины трех сторон Сдача в аренду полупериметр треугольника, район это [ 1 ]

Он назван в честь инженера первого века Герона Александрийского (или Героя), который доказал это в своей работе «Метрика» , хотя, вероятно, он был известен столетиями раньше.

Пусть — треугольник со сторонами и Полупериметр этого треугольника равен и поэтому площадь

В этом примере длины сторон и площадь являются целыми числами , что делает его героновым треугольником . Однако формула Герона одинаково хорошо работает и в тех случаях, когда одна или несколько длин сторон не являются целыми числами.

Альтернативные выражения

[ редактировать ]

Формулу Герона также можно записать, используя только длины сторон, а не полупериметр, несколькими способами:

После разложения выражение под квадратным корнем представляет собой квадратичный многочлен квадратов длин сторон , , .

То же соотношение можно выразить с помощью определителя Кэли–Менгера : [ 2 ]

Формула приписывается Герону (или Герою) Александрийского ( ок. 60 г. н.э.), [ 3 ] и доказательство можно найти в его книге «Метрика» . Историк математики Томас Хит предположил, что Архимед знал эту формулу более двух столетий назад: [ 4 ] и поскольку Метрика представляет собой собрание математических знаний, доступных в древнем мире, возможно, что формула предшествует ссылке, приведенной в этой работе. [ 5 ]

Формула, эквивалентная формуле Герона, а именно:

был обнаружен китайцами. Оно было опубликовано в «Математическом трактате в девяти разделах» ( Цинь Цзюшао , 1247). [ 6 ]

Доказательства

[ редактировать ]

Есть много способов доказать формулу Герона, например, используя тригонометрию, как показано ниже, или центр и одну внешнюю окружность треугольника. [ 7 ] или как частный случай теоремы Де Гуа (для частного случая остроугольных треугольников), [ 8 ] или как частный случай формулы Брахмагупты (для случая вырожденного вписанного четырехугольника).

Тригонометрическое доказательство с использованием закона косинусов.

[ редактировать ]

Далее следует современное доказательство, использующее алгебру и сильно отличающееся от доказательства Герона. [ 9 ] Пусть — стороны треугольника и углы , лежащие против этих сторон. Применяя закон косинусов, получаем

Треугольник со сторонами a , b и c

Из этого доказательства мы получаем алгебраическое утверждение, что

Высота основании треугольника в имеет длину , и отсюда следует

Алгебраическое доказательство с использованием теоремы Пифагора

[ редактировать ]
Треугольник с высотой h, разрезающий основание c на d + ( c d )

Следующее доказательство очень похоже на доказательство Райфайзена. [ 10 ] По теореме Пифагора имеем и согласно рисунку справа. Вычитая эти доходы Это уравнение позволяет нам выразить через стороны треугольника:

Для высоты треугольника имеем Заменив используя формулу, приведенную выше, и применяя тождество разности квадратов, получаем

Теперь применим этот результат к формуле, которая вычисляет площадь треугольника по его высоте:

Тригонометрическое доказательство с использованием закона котангенсов.

[ редактировать ]
Геометрическое значение s a , s b и s c . См. закон котангенсов, чтобы понять причину этого.

Если — радиус вписанной окружности треугольника, тогда треугольник можно разбить на три треугольника одинаковой высоты и базы и Их общая площадь составляет

где это полупериметр.

Треугольник можно поочередно разбить на шесть треугольников (в равных парах) высоты ⁠. и базы и объединенной площади (см. закон котангенсов )

Средний шаг выше: тождество тройного котангенса , которое применяется, поскольку сумма половинных углов равна

Объединив эти два, мы получаем

откуда следует результат.

Численная стабильность

[ редактировать ]

Формула Герона, приведенная выше, численно нестабильна для треугольников с очень маленьким углом при использовании арифметики с плавающей запятой . Устойчивая альтернатива предполагает расположение длин сторон так, чтобы и вычисления [ 11 ] [ 12 ]

Скобки в приведенной выше формуле необходимы для предотвращения числовой нестабильности в оценке.

Подобные формулы площади треугольника

[ редактировать ]

Три другие формулы площади общего треугольника имеют структуру, аналогичную формуле Герона, но выражаются через различные переменные.

Во-первых, если и медианы сторон и соответственно, а их полусумма равна затем [ 13 ]

Далее, если , и высоты сторон и соответственно, а полусумма их обратных величин равна затем [ 14 ]

Наконец, если и — три угловые меры треугольника, а полусумма их синусов равна затем [ 15 ] [ 16 ]

где — диаметр описанной окружности , Эта последняя формула совпадает со стандартной формулой Герона, когда описанная окружность имеет единичный диаметр.

Обобщения

[ редактировать ]
Циклический четырехугольник

Формула Герона является частным случаем формулы Брахмагупты для площади вписанного четырёхугольника . Формула Герона и формула Брахмагупты являются частными случаями формулы Бретшнейдера для площади четырехугольника . Формулу Герона можно получить из формулы Брахмагупты или формулы Бретшнайдера, приравняв одну из сторон четырехугольника к нулю.

Формула Брахмагупты дает площадь вписанного четырехугольника , стороны которого имеют длины как

где это полупериметр .

Формула Герона также является частным случаем формулы площади трапеции или трапеции, рассчитанной только по ее сторонам. Формула Герона получается, если приравнять меньшую параллельную сторону к нулю.

Выразив формулу Герона с определителем Кэли – Менгера через квадраты расстояний между тремя заданными вершинами,

иллюстрирует ее сходство с Тартальи для объема трехсимплекса . формулой

Другое обобщение формулы Герона на пятиугольники и шестиугольники, вписанные в круг, было обнаружено Дэвидом П. Роббинсом . [ 17 ]

Формула типа Герона для объема тетраэдра

[ редактировать ]

Если — длины ребер тетраэдра (первые три образуют треугольник; напротив и так далее), то [ 18 ]

где

Формулы Герона в неевклидовой геометрии

[ редактировать ]

Существуют также формулы площади треугольника через длины его сторон для треугольников на сфере или гиперболической плоскости . [ 19 ] Для треугольника в сфере с длинами сторон и полупериметр и площадь , такая формула

а для гиперболической плоскости имеем

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Кендиг, Кейт (2000). «Формула 2000-летней давности все еще хранит какие-то секреты?» . Американский математический ежемесячник . 107 (5): 402–415. дои : 10.1080/00029890.2000.12005213 . JSTOR   2695295 . МР   1763392 . S2CID   1214184 . Архивировано из оригинала 29 мая 2024 г. Проверено 27 декабря 2021 г.
  2. ^ Гавел, Тимоти Ф. (1991). «Некоторые примеры использования расстояний в качестве координат для евклидовой геометрии» . Журнал символических вычислений . 11 (5–6): 579–593. дои : 10.1016/S0747-7171(08)80120-4 .
  3. ^ Ид, Юсуф; Кеннеди, ES (1969). «Средневековое доказательство формулы Герона». Учитель математики . 62 (7): 585–587. дои : 10.5951/MT.62.7.0585 . JSTOR   27958225 . МР   0256819 .
  4. ^ Хит, Томас Л. (1921). История греческой математики . Том. II. Издательство Оксфордского университета. стр. 321–323.
  5. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Формула Герона» . Математический мир .
  6. ^ Цинь, Цзюшао (1773 г.) «Том 3, Часть 1, Вычисление трех наклонных произведений» . Девять глав математики (Sikuquanshuben) (на китайском языке).
  7. ^ «Личное общение по электронной почте между математиками Джоном Конвеем и Питером Дойлом» . 15 декабря 1997 года . Проверено 25 сентября 2020 г.
  8. ^ Леви-Леблон, Жан-Марк (14 сентября 2020 г.). «Симметричное трехмерное доказательство формулы Герона» . Математический интеллект . 43 (2): 37–39. дои : 10.1007/s00283-020-09996-8 . ISSN   0343-6993 .
  9. ^ Нивен, Иван (1981). Максимумы и минимумы без исчисления . Математическая ассоциация Америки. стр. 7–8 .
  10. ^ Райфайзен, Клод Х. (1971). «Простое доказательство формулы Герона». Журнал «Математика» . 44 (1): 27–28. дои : 10.1080/0025570X.1971.11976093 .
  11. ^ Стербенс, Пэт Х. (1 мая 1974 г.). Вычисление с плавающей запятой . Серия Прентис-Холла по автоматическим вычислениям (1-е изд.). Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, США: Прентис Холл . ISBN  0-13-322495-3 .
  12. ^ Уильям М. Кахан (24 марта 2000 г.). «Неверный расчет площади и углов игольчатого треугольника» (PDF) .
  13. ^ Бени, Арпад, «Формула типа Герона для треугольника», Mathematical Gazette 87, июль 2003 г., 324–326.
  14. ^ Митчелл, Дуглас В., «Формула типа Герона для обратной площади треугольника», Mathematical Gazette 89, ноябрь 2005 г., 494.
  15. ^ Митчелл, Дуглас В. (2009). «Формула площади типа цапли в терминах синусов». Математический вестник . 93 : 108–109. дои : 10.1017/S002555720018430X . S2CID   132042882 .
  16. ^ Кочик, Ежи; Солецкий, Анджей (2009). «Распутывание треугольника» (PDF) . Американский математический ежемесячник . 116 (3): 228–237. дои : 10.1080/00029890.2009.11920932 . S2CID   28155804 .
  17. ^ Д. П. Роббинс, «Площади многоугольников, вписанных в круг», Discr. Вычислить. Геом. 12, 223–236, 1994.
  18. ^ В. Кахан, «Какое отношение объем тетраэдра имеет к языкам компьютерного программирования?», [1] , стр. 16–17.
  19. ^ Алексеевский, Д.В.; Винберг, Е.Б.; Солодовников А.С. (1993). «Геометрия пространств постоянной кривизны». В Гамкрелидзе Р.В.; Винберг, Э.Б. (ред.). Геометрия. II: Пространства постоянной кривизны . Энцикл. Математика. наук. Том. 29. Шпрингер-Верлаг. п. 66. ИСБН  1-56085-072-8 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: f563ffdc65db31ba286d298665df7a8d__1723560420
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/f5/8d/f563ffdc65db31ba286d298665df7a8d.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Heron's formula - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)