Формула Герона

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.
Пример
[ редактировать ]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 ]
История
[ редактировать ]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

Из этого доказательства мы получаем алгебраическое утверждение, что
Высота основании треугольника в имеет длину , и отсюда следует
Алгебраическое доказательство с использованием теоремы Пифагора
[ редактировать ]
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 ]
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 ]
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 ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Хит, Томас Л. (1921). История греческой математики . Том. II. Издательство Оксфордского университета. стр. 321–323.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Формула Герона» . Математический мир .
- ^ Цинь, Цзюшао (1773 г.) «Том 3, Часть 1, Вычисление трех наклонных произведений» . Девять глав математики (Sikuquanshuben) (на китайском языке).
- ^ «Личное общение по электронной почте между математиками Джоном Конвеем и Питером Дойлом» . 15 декабря 1997 года . Проверено 25 сентября 2020 г.
- ^ 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 .
- ^ Нивен, Иван (1981). Максимумы и минимумы без исчисления . Математическая ассоциация Америки. стр. 7–8 .
- ^ Райфайзен, Клод Х. (1971). «Простое доказательство формулы Герона». Журнал «Математика» . 44 (1): 27–28. дои : 10.1080/0025570X.1971.11976093 .
- ^ 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 .
- ^ Уильям М. Кахан (24 марта 2000 г.). «Неверный расчет площади и углов игольчатого треугольника» (PDF) .
- ^ Бени, Арпад, «Формула типа Герона для треугольника», Mathematical Gazette 87, июль 2003 г., 324–326.
- ^ Митчелл, Дуглас В., «Формула типа Герона для обратной площади треугольника», Mathematical Gazette 89, ноябрь 2005 г., 494.
- ^ Митчелл, Дуглас В. (2009). «Формула площади типа цапли в терминах синусов». Математический вестник . 93 : 108–109. дои : 10.1017/S002555720018430X . S2CID 132042882 .
- ^ Кочик, Ежи; Солецкий, Анджей (2009). «Распутывание треугольника» (PDF) . Американский математический ежемесячник . 116 (3): 228–237. дои : 10.1080/00029890.2009.11920932 . S2CID 28155804 .
- ^ Д. П. Роббинс, «Площади многоугольников, вписанных в круг», Discr. Вычислить. Геом. 12, 223–236, 1994.
- ^ В. Кахан, «Какое отношение объем тетраэдра имеет к языкам компьютерного программирования?», [1] , стр. 16–17.
- ^ 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 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Доказательство теоремы Пифагора на основе формулы Герона .
- Интерактивный апплет и калькулятор площади с использованием формулы Герона.
- Обсуждение Дж. Х. Конвея формулы Герона
- «Формула Герона и обобщение Брахмагупты» . MathPages.com .
- Геометрическое доказательство формулы Герона
- Альтернативное доказательство формулы Герона без слов
- Факторинг Цапли