Rozwiązywanie trójkąta z trzech boków - krok po kroku
Klasa 1 liceum i technikum
Trzy boki a, b, c - komplet wzorów
Trzy boki wyznaczają trójkąt jednoznacznie (cecha przystawania BBB) - więc skoro trójkąt jest jeden, to jego pole, kąty i wszystkie pozostałe wielkości są już „zaszyte” w tych trzech liczbach. Trzeba je tylko umieć wydobyć. Dokładnie to robi nasz kalkulator trójkąta - a na tej stronie pokazujemy cały tok obliczeń, krok po kroku i bez skrótów.
Przez całą stronę liczymy jeden przykład: trójkąt o bokach , , .
Krok 1. Czy trójkąt w ogóle istnieje?
Zanim cokolwiek policzymy, sprawdzamy nierówność trójkąta: suma dwóch krótszych boków musi być większa od najdłuższego:
Trójkąt istnieje. (Dla boków mielibyśmy - takiego trójkąta nie ma i obliczenia nie miałyby sensu; wzór Herona „zaprotestowałby” ujemną liczbą pod pierwiastkiem.)
Krok 2. Obwód - na rozgrzewkę
Przyda nam się też połowa obwodu - występuje w kilku następnych wzorach.
Krok 3. Pole - wzór Herona
Zwykły wzór wymaga wysokości, której nie znamy. Na szczęście istnieje wzór na pole wprost z trzech boków:
Wzór Herona. , gdzie .
Liczymy po kolei czynniki: , , , :
Zauważ, że nierówność trójkąta jest tu „wbudowana”: gdyby , czynnik byłby ujemny i pierwiastek by nie istniał. Szybki test wiarygodności wzoru: trójkąt prostokątny ma pole , a Heron daje . Zgadza się.
Krok 4. Kąty - twierdzenie cosinusów
Twierdzenie Pitagorasa działa tylko w trójkącie prostokątnym. Jego uogólnieniem na dowolny trójkąt jest twierdzenie cosinusów:
gdzie to kąt naprzeciw boku . Składnik to „poprawka” względem Pitagorasa: dla mamy i wzór przechodzi w . Dwa dowody i historię twierdzenia opisuje hasło twierdzenie cosinusów, a gdy zamiast trzech boków znamy bok i dwa kąty, przydaje się twierdzenie sinusów.
Chcemy wyznaczyć kąt, więc przekształcamy wzór (dokładnie tak, jak w lekcji przekształcanie wzorów):
1. Przenosimy składnik z cosinusem na lewą stronę, a na prawą:
2. Dzielimy obie strony przez (boki są dodatnie, więc wolno):
3. Znając cosinus, odczytujemy kąt (funkcją odwrotną na kalkulatorze).
Dla naszego trójkąta - kąt naprzeciw najdłuższego boku :
Analogicznie kąt naprzeciw : , czyli ; i naprzeciw : , czyli . Kontrola: .
Krok 5. Klasyfikacja trójkąta
Według boków: - trójkąt różnoboczny. (Dwa równe boki dałyby równoramienny, trzy - równoboczny.)
Według kątów: wystarczy spojrzeć na największy kąt (naprzeciw najdłuższego boku). Można też bez liczenia kątów - testem z twierdzenia odwrotnego do Pitagorasa:
Skoro , największy kąt jest ostry - trójkąt ostrokątny (zgadza się: ).
Krok 6. Promień okręgu wpisanego
W każdy trójkąt można wpisać okrąg (jego środek to punkt przecięcia dwusiecznych). Wzór na jego promień ma śliczne, krótkie wyprowadzenie. Połączmy środek okręgu wpisanego z wierzchołkami - trójkąt rozpadnie się na trzy mniejsze trójkąty o wspólnym wierzchołku . Podstawą każdego jest bok trójkąta, a wysokością - dokładnie promień (bo promień jest prostopadły do boku w punkcie styczności). Sumujemy pola:
Stąd po podzieleniu przez :
Krok 7. Promień okręgu opisanego
Na każdym trójkącie można też opisać okrąg (środek: przecięcie symetralnych boków). Jego promień wiąże z polem wzór:
(Wzór wynika z twierdzenia sinusów, które poznasz przy trygonometrii - tu korzystamy z niego „na kredyt”.) Dla naszego trójkąta:
Rozsądny test: zawsze wychodzi większe niż (okrąg opisany obejmuje trójkąt, wpisany mieści się w środku). Tu .
Krok 8. Wysokości
Skoro znamy pole, wysokości dostajemy z przekształcenia wzoru :
Dla naszego trójkąta: , , . (Im dłuższy bok, tym krótsza wysokość - ich iloczyn jest stały i równy .)
Najczęstsze pytania
Czy z każdych trzech liczb da się zbudować trójkąt? Nie. Musi być spełniona nierówność trójkąta: każdy bok krótszy od sumy dwóch pozostałych. Dla , i trójkąta nie ma, bo . Dlatego ten warunek sprawdzamy jako pierwszy.
Kiedy wzór Herona, a kiedy ? Heron, gdy znamy trzy boki, a nie znamy żadnej wysokości - i to jest właśnie ten przypadek. Gdy wysokość jest dana, prostszy jest wzór z podstawą i wysokością.
Skąd wiadomo, że trójkąt jest rozwartokątny, bez liczenia kątów? Wystarczy porównać kwadrat najdłuższego boku z sumą kwadratów pozostałych: gdy , trójkąt jest rozwartokątny, gdy - prostokątny, a gdy - ostrokątny. To odwrotność twierdzenia Pitagorasa.
Dlaczego promień okręgu wpisanego liczy się jako ? Bo trójkąt można podzielić na trzy trójkąty o wspólnym wierzchołku w środku okręgu wpisanego. Ich wysokości są równe , a podstawy to boki, więc , gdzie to połowa obwodu.
Czy wystarczy znać trzy kąty, żeby wyznaczyć boki? Nie. Trzy kąty wyznaczają jedynie kształt trójkąta - istnieje nieskończenie wiele trójkątów podobnych o tych samych kątach. Do wyznaczenia boków trzeba znać co najmniej jedną długość.
Przećwicz
- Twierdzenie Pitagorasa → - obliczanie brakujących boków krok po kroku.
Podsumowanie - cały algorytm
- Nierówność trójkąta: dwa krótsze boki kontra najdłuższy; brak nierówności = koniec obliczeń.
- Obwód i połowa obwodu .
- Pole ze wzoru Herona: .
- Kąty z twierdzenia cosinusów: , potem .
- Klasyfikacja: boki (równe?) i kąty (test kontra ).
- Promień okręgu wpisanego: (z podziału trójkąta na trzy mniejsze).
- Promień okręgu opisanego: .
- Wysokości: i analogicznie.
Wszystkie te kroki wykonuje automatycznie kalkulator trójkąta - wpisz trzy boki i porównaj wyniki z powyższymi rachunkami.