第三單元 平面座標與直線的斜率

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1 第十七單元正弦與餘弦定理 ( 甲 ) 三角形的面積三角形的面積公式 : 國中 面積 = 1 底 高, 以底與高的長度表示面積但是當 邊上的 高 不容易求出來的時候 ( 如有障礙物 ), 我們可以利用三角函數邊角的關係 式間接求出高, 於是 的面積 = 1 sin c H c H c H c 是銳角 是直角 是鈍角 事實上圖中, 是銳角, 當 是直角或是鈍角時, 邊上的高仍然是 sin 面積 = 1 sin 同理由對稱性得 的面積公式 = 1 sin= 1 c sin= 1 c sin 結論 : 面積記憶法 利用三角函數定義, 由 = 1 底 高, 導出兩邊夾角求面積, 即 = 1 sin= 1 c sin= 1 c sin ( 兩邊夾一角 ) ~17 1~

2 [ 例題 1] 設 為直角三角形,EF 是以 為一邊向外作出的正方形, G 是以 為一邊向外作出的正方形, 若 =5 =4 =3, 試求 ()cos( E) () E 的面積 F ns:() 3 5 ()6 E G [ 例題 ] 四邊形, 設 θ 為對角線 與 的一個交角, 1 求證 : 此四邊形的面積為..sinθ ( 練習 1) 四邊形兩對角線為 1 與 5, 若兩對角線的夾角為 θ 1,θ, 且 θ 1 =θ 則其 面積為 ns:15 3 ( 練習 ) 已知一三角形 的二邊 =5,=8,cos= 4 5, 則 的面積為 ns:1 ( 練習 3) 利用三角形的面積公式證明 : 設 P 為 上 或其延長線上的點, P (1) 若直線 P 為 的內角平分線, 則 P = P () 若直線 P 為 的外角平分線, 則 P = ~17 ~

3 ( 乙 ) 正弦定理國中幾何曾經學過 大邊對大角 這個性質, 但這個性質只說角大則邊大, 邊大則角大, 這種說法似乎只是一種對於邊角關係的 定性描述, 那麼邊角之間有沒有 定量的描述 呢? 我們用以下的定理來回答這個問題 : 正弦定理 : 在 中, 以,,c 表示,, 之對邊長度, 則 sin = sin = c sin =R, 其中 R 為 外接圓的半徑 證明 : 由前面三角形的面積公式 :S = 1 sin= 1 c sin= 1 c sin 等號兩邊同除 c, 可得 sin c = sin = sin sin = sin = c sin 但是 sin = sin = c sin 等於多少呢? 我們由以下的證明來說明 : 我們將 分成直角 銳角 鈍角三種情形來討論, 如下圖所示 : O O O (1) 當 =90 () 當 <90 (3) 當 >90 (1) =90 sin90 = = = 外接圓直徑 =R sin = sin = c sin =R () 為銳角 : 過 做圓 O 的直徑, 因為 與 對同弧 ( ), 因此 = 考慮直角三角形, 由銳角三角形的定義可知 =sin=sin sin = = 外接圓直徑 =R sin = sin = c sin =R (3) 為鈍角 : 過 做圓 O 的直徑, 因為 + =180, 所以 sin =sin(180 )=sin 考慮直角三角形, 由銳角三角形的定義可知 =sin=sin ~17 3~

4 sin = = 外接圓直徑 =R sin = sin = c sin =R 結論 : 正弦定理與邊角變換 : () ::c=sin:sin:sin () 邊化角 :=R.sin,=R.sin,c=R.sin (c) 角化邊 :sin= R,sin= R,sin= c R c [ 例題 3] 利用三角形的面積公式與正弦定理, 證明 : 的面積為 4R [ 例題 4] 設圓內接四邊形 中 =30, =45, =, 則 = ns: ( 練習 4) 中,,,c 分別代表,, 之對邊長度 : (1) 若 (+c):(c+):(+)=5:6:7, 試求 sin:sin:sin () 若 =55, =65,=10 公分, 試求外接圓半徑 ns:(1)4:3: () 公分 ( 練習 5) 在下列各條件下, 求 的外接圓半徑 R 3 (1) =70, =80,=3 ()=,cos= ns:(1)r=3()r= ( 練習 6) 以,,c 分別表示 之三邊,, 的長, 試在下列各條件下, 6+ 求 sin:sin:sin ( 已知 sin75 = 4 ) (1) =30, =45 () : : =3:4:5 (3) + c=0 且 3+ c=0 (4)(+):(+c):(c+)=5:6:7 ~17 4~

5 ns: (1): : 6+ () : 3: 6+ (3)3:5:7 (4)3::4 ( 丙 ) 餘弦定理直角三角形中的寶藏是畢氏定理 即在直角 中, 若夾角 =90 則知兩鄰邊,, 可由畢氏定理 c = + 求出對邊 c; 對於一般的三角形, 如果夾角給定, 但不一定是直角, 如何求第三邊的長呢? 餘弦定理就代替了直角三角形特有的畢氏定理 (1) 從畢氏定理到餘弦定理 : 畢氏定理第一個證明是 幾何原本 所記載的, 幾何原本 中證明了正方形 E 的面積等於正方形 FG 與正方形 HI 的面積和, 這個證明出現在第一卷命題 47, 它證明的要點如下 : (1 ) 證明 I, ( ) 證明矩形 LK 面積 = 面積, 正方形 HI 面積 = I 面積, 因此矩形 LK 面積 = 正方形 HI 面積 同理可以證明矩形 ELK 面積 = 正方形 GF 面積, H I F G K c L E 將 幾何原本 中的證明推廣成一般的三角形, 延續這個精神可以得出一般三角形類似的邊角關係 如右上圖, 可以得出 : c = + =( + )+( + ) = + cos [ 討論 ]: 如圖, 為鈍角, 請問上述的結果會成立嗎? ~17 5~

6 () 餘弦定理的證明 : 例子 : 設 中, =30, =6, =7, 請求出 =? [ 解法 ]: 作高, =6 cos30, =6 sin30 =7 6 cos30 在 中, =90 = + =(6 sin30 ) +(7 6 cos30 ) 30 =6 (sin 30 ) cos30 +6 (cos 30 ) =6 (sin 30 + cos 30 ) cos30 = cos30 上例的解法, 對於 為鈍角或直角時都會成立, 我們將其寫成底下的定理 餘弦定理 : 在 中, 若,,c 為,, 之對邊長, 則 = +c c cos = +c c cos c = + cos 證明 : 在 中, 依 為銳角 直角 鈍角三種情形來說明 : 設 點對 邊或其延長線的垂足點為 (1) 為銳角 () 為直角 (3) 為鈍角 = Qcos>0 Qcos=0 Qcos<0 = =c cos = =c co = + =c+ cos =c cos 由以上的討論可知 : 不論 為銳角 直角 鈍角均可得 =c cos ~17 6~

7 又因為 = = + =(c cos) +( sin) =c c cos+ cos + sin =c + c cos 故 = +c c cos, 同理可證 = +c c cos,c = + cos 結論 : () 由餘弦定理, 可知 cos= +c c,cos= c + c,cos= + c () 從 () 可知 =90 = +c <90 < +c >90 > +c [ 例題 5] 在 中已知 sin:sin:sin= 4:5:7, 則求 cos =?sin=? ns: ( 練習 7) 池塘旁有, 兩點, 小明想知道, 兩點間的距離, 他採用底下兩種 方法, 試根據所得資料求出 距離?( 兩者所在地點可能不同 ) 法一 : 他走到遠處 點, 並量得 =60, =7m =10m, 請問 =? 法二 : 他走到遠處 點, 並測得 =60, =75 =10m, 請問 =?ns:(1) 79() m 60 10m 60 10m 75 ( 練習 8) 中, 若 (++c)(+ c)=3, 則 = ns:60 ( 練習 9) 設,,c 為 的三邊長且滿足 ( +c) +(3+ c) =0, 若 θ 為 的最大內角, 求 cosθ = ns: 1 ~17 7~

8 ( 丁 ) 正餘弦定理的應用 (1) 三角形的邊角關係 : () 三角形的全等性質有 SSS SS S S 斜股性質, 我們可以利用正餘弦定理來解出唯一的三角形 ()SS 型的討論 : 中, 若已知, 及 [ 想法 ]: 設 =, 利用尺規在 的邊 X 上做出 點使得 = 想要找出 另一個頂點, 則圓規打開的半徑大小, 一定要比頂點 到 X 的 距離大才有交點 (1 ) 為銳角時, 頂點 到 X 的距離 h= sin <h 時, 找不到 點 無解 ( 如圖一 ) =h 時, 找到唯一一點 恰有一解 ( 如圖二 ) h<< 時, 有兩個 點 有兩解 ( 如圖三 ) 時, 找到唯一一點 恰有一解 ( 如圖四 ) ( ) 為鈍角時, 頂點 到 X 的距離 = 時, 找不到 點 無解 ( 如圖五 ) > 時, 找到唯一一點 恰有一解 ( 如圖六 ) h h 圖一 X 圖二 X h h X X 圖三 圖四 圖五 X ~17 8~ 圖六 X

9 [ 例題 6] 已知 中, =15, =15 3, =30, 則 =? =? ns: =90, =30; =30, =15 [ 例題 7] 中, =45, =60, =7, 求 及 之長 (sin75 = ns: = 7 ( 3+1), = ) ( 練習 10) 由下列條件解, 何者恰有一解?() =40, =60, =80 () =,=4,c=6 () =1,=, =30 () =1, =3, =30 (E) =1,=4, =40 ns:()(e) ( 練習 11) 中, =1, = 3, =30, 求 =?, =? ns:1,10 ( 練習 1) 中, 設 c=8, =105, =45, 求 =? ns:8 () 求三角形的面積 : ()Heron 公式 設 中,,,c 分別為,, 之對邊長, 令 s= ++c, 則 S = s( s )( s )( s c) [ 證明 ]: 由餘弦定理,cos= +c c ~17 9~

10 S = 1 c sin=1 c 1 cos = 1 c + c 1 ( ) c = 1 c 1 c (c) ( +c ) = 1 4 [(+c) ][ ( c)] = 1 4 (+c+)(+c )(+ c)( +c) = 1 4 (s)(s )(s c)(s ) = s( s )( s )( s c) () 三角形 的面積 = r s (r 為三角形 內切圓的半徑 ) [ 證明 ] 三角形 的面積 = I+ I+ I = 1 c r+1 r+1 r I = 1 (++c) r = r s 三角形 的面積 = 1 底 高 = 1 csin(1 兩邊乘積 夾角的正弦值 ) 結論 : = s( s )( s )( s c) s= 周長之半 c = (R 為三角形 外接圓的半徑 ) 4 R =r s (r 為三角形 內切圓的半徑 ) () 已知三邊 : = s( s )( s )( s c) (Heron 公式 ) () 已知二邊與夾角 : = 1.sin= 1 c.sin= 1 c.sin ~17 10~

11 ( 1 兩邊乘積 夾角的正弦值 ) (c) 已知內切圓半徑 r: =rs (d) 已知外接圓半徑 R: = c 4R (e) 任意凸多邊形面積 = 1.l.m.sinθ (l,m 為對角線長,θ 表示兩對角線之一夾角 ) [ 例題 8] 已知 之三邊長分別為 4,6,8, 則 (1) 的面積 =?() 邊長 6 所對應的高 =? (3) 的內切圓半徑 =?(4) 的外接圓半徑 =? ns:(1)3 15 () 15 (3) (4) 15 ( 練習 13) 有一凸多邊形, 若 =, =6, =4, =6, =30, 則 此四邊形的面積 =? ns:3+8 (3) 三角形或多邊形的邊角計算 : 正弦與餘弦定理是處理三角形或多邊形的邊角計算的重要工具, 許多問題都會用到這兩個重要的結果, 接下來利用一些實例來處理這兩個定理的應用 : [ 例題 9] 三角形的中線定理 三角形 中, 為 之中點, 試證 : + = ( + ) ~17 11~

12 [ 例題 10] 斯圖爾特 (Stewrt) 定理 設 E 為 中 上的點, 則. E+. E= E. + E. E. E [ 例題 11] 已知圓內接四邊形 的各邊長為 =1, =, =3, =4, 則 (1) =? ()sin =? (3) 的面積 ns:(1) 55 7 () 6 7 (3) [ 例題 1] 圓內接四邊形 中, =5, =1, =13, =10, 13 3 則 =? ns: ~17 1~

13 [ 例題 13] 中, 之內角平分線交 於, =3, =6, =10, 則 = ; = ns:; 7 ( 練習 14) 證明 : 平行四邊形 中, 對角線平方和 = 四個邊的平方和 79 ( 練習 15) 如右圖, 試求 =?ns: 5 4 ( 練習 16) 設 M 為 上 的中線, 請證明 : M = 1 4 ( +c +ccos) 1 3 ( 練習 17) 如右圖, 中, =6, =10, =10, = , 則 = ns: 13 ( 練習 18) 中若滿足以下條件則其形狀為何? (1)cossin=sin () cos cos+c cos=0 ns:(1) 等腰三角形 () 直角三角形 ~17 13~

14 綜合練習 (1) 嘌呤是構成人體基因的重要物質, 它的化學結構式主要是由一個正五邊形與一個正六邊形構成 ( 令它們的邊長均為 1) 的平面圖形, 如下圖所示 : 試問以下那些選項是正確的? (1) =54 ()O 是 的外接圓圓心 (3) = 3 (4) =.sin66 (006 指定乙 ) () 中, 設 =3,=4,tn= 3 4, 求 c=? (3) 如圖, 設每一小格皆為正方形, 求 cosθ=? θ (4) 設 之三高為 h =6,h =4,h c =3, 則求最小內角之餘弦為 ; 最小邊長 = (5) 在 中之三邊長分別為 11,13,0, 則此三角形內切圓半徑為 ; 外接圓半徑為 (6) 郊外有甲, 乙, 丙三家, 兩兩相距 70,80,90 公尺, 今計畫公設一井, 井到三家必須等距, 則此距離為公尺 (7) 在 中,M 為 邊之中點, 若 =3, =5, 且 =10, 則 tn M= (007 學科 ) (8) 圓內接四邊形, =5, =105, =90, =60, 求對角線 的長度 (9) 如圖, 三角形 之三邊長為 =7, =8, =9, 若 E,FG 皆為正方形, 則 EG = ~17 14~

15 (10) 已知 三邊長分別為 =7, =5, =3, 延長 至, 如右圖所示, 使得 =, 則 =? (11) 設 =60,P 為其內部一點且 P =10, 又 P 對於 的對稱點分別為 Q R, 則 QR=? (1) 中滿足 cos= cos, 請問此三角形之形狀為何? (13) 在 中, =75, =30, =1, =, 則 =? (14) 中, =60, =15, =4, 則 的外角平分線 長為多少? 進階問題 (15) 如圖, O=, O=, O=c, O= O=30, 試證 1 +1 = 3 c (16) ( 張角定理 ) 設 順次分別是平面內一點 P 所引的三條射線 P P P 上點, 線段 對點 P 的張角分別為 α β, 且 α+β<180, 則 三點共線的 充要條件是 : sin(α+β) P = sinα P = sinβ P O α P β (17) 在 中, 若,,c 分別代表 的三邊長 之長 (1) 試證 := cos+c cos,= cos+c cos,c=cos+cos () 利用 (1) 去證明 : = +c ccos (18) 中, 周長為 0, =60, 外接圓的半徑為 R= 又三角形的內切圓半徑為何? 則求各邊的邊長,,c, ~17 15~

16 (19) 設 之三邊長為 3,x, y, 且邊長 3 之對角為 60, 試求 x+y 的範圍 (0) 設凸四邊形 之對角線 =p,=q, 兩對角線之交角為 θ () 試證 : 凸四邊形 之面積 = 1 pq sinθ () 若 +=10, 則凸四邊形 面積之最大值為何? (1) 中, 設 =,=1 () 當 面積最大時, 求 c () 當 最大時, 求 c () 設 為半圓內接四邊形, 為直徑長為 d, 若 =, =, =c, 試證明 :d 為方程式 x 3 ( + +c )x c=0 的一根 (3) 試證明 : 的內切圓半徑 r=(s )tn s= 的半周長 R (4) 如圖, 設 之內切圓半徑為 r, 外接圓半徑為 R, 內切圓切三邊於 P,Q,R, 則 PQR 的面積之值為何? 的面積 P I Q (5) 設圓內接四邊形 四邊之長分別為 =, =, =c, =d, 試證 : () = (c+d)(d+c) +cd () = (c+d)(+cd) d+c (c). =c+d (6) 已知三角形 的邊 =9, =8, =40, 在 上取一點, 在 上 取一點 E 而 E 把 的面積等分為二, 試問 : 若要求 E 之長度最短, 及 E 之值應為何? (1) ()(3)(4) () 7 5 或 5 (3) 85 (4) ;16 15 (5) 3, 65 6 (6) 1 5 綜合練習解答 ~17 16~

17 (7) 5 3 (8) 5( 6+ ) =10 = (9) 14 (10) 7 (11) 10 3 [ 提示 QR=10 ] (1) 等腰或直角三角形 [ 提示 : 利用 cos= +c c,cos= +c c cos= cos, 化簡可得 ( )(c )=0 ] 代入 (13) (14) 40 (15) [ 提示 : 考慮 O= O+ O, 再利用三角形的面積公式, 即可得 證 ] (16) 提示 : P 的面積 = P 面積 + P 面積提示 : (17) 略 (18) =7,=8,c=5 或 =7,=5,c=8 r= 3 (19) 3<x+y 3 [ 提示 : 根據餘弦定理 =x +y xy=(x+y) 3xy (x+y) =3(xy+1), 因為 xy=x +y 3 xy 3 xy 3 (x+y) =3(xy+1) 1 ] (0) () 50 4 [ 提示 : 利用 pq 1 4 (p+q) ] (1) () 5 () 3 ( 提示 :()cos= c +3 c =1 (c+3 c ) 3 ) () [ 提示 : = + cos=c +d cdcos, 因為 =90, cos= c d, 代入前面的式子化簡即可得證 ] (3) [ 提示 : 如 (4) 題圖, 只需證明 R=s 即可 ] (4) r R [ 提示 : 如 (4) 題圖, PQR= RQI+ RPI+ PQI = 1 r sin(180 )+ r sin(180 )+ 1 r sin(180 )= 1 r (sin+sin+sin)= 1 4R r (++c)= r s R, =rs] (5) [ 提示 : 利用 = + cos=c +d cdcos, 而且 + =180 ] 1 (6) = E=6 [ 提示 : 設 =x, E=y, E= xysin40 = 1 =1 (1 9 8 sin40 ) xy=36 又因為 E =x +y xycos40 xy xycos40 =7(1 cos40 ) 等號成立時,x=y=6 ] 1 ~17 17~

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