直角三角形

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直角三角形
Rtriangle.svg
直角三角形,C為直角,對於角A而言,a為對邊、b為鄰邊、c為斜邊
3
頂點 3
面積 二直角邊的積除以2
內角 () 90° 、另外兩角和為90°
對偶 相似直角三角形
直角三角形,C為直角,對於角A而言,a為對邊、b為鄰邊、c為斜邊

有一個直角三角形稱為直角三角形。在直角三角形中,直角相鄰的兩條稱為直角邊。直角所對的邊稱為斜邊。直角三角形直角所對的邊也叫作「弦」。若兩條直角邊不一樣長,短的那條邊叫作「勾」,長的那條邊叫作「股」[1]

直角三角形滿足畢氏定理(勾股定理),即兩直角邊邊長的平方和等於斜邊長的平方。直角三角形各邊和角之間的關係也是三角學的基礎。

直角三角形的外心是斜邊中點;其垂心是直角頂點。

若直角三角形的三邊均為整數,稱為畢氏三角形,其邊長稱為勾股數

埃及將邊長比例為3:4:5的直角三角形稱為埃及三角形[2]

主要性質[編輯]

面積[編輯]

和其他三角形相同,直角三角形的面積等於任一邊(底邊)乘以對應高的一半。在直角三角形中.若以一股(直角邊)為底邊,另一股即為對應的高,因此面積為二股直角邊乘積的一半,面積T的公式為

T=\tfrac{1}{2}ab

其中ab是直角三角形的二股。

內切圓和斜邊AB相切於P點,令半周長(a + b + c) / 2s,則PA = saPB = sb,面積可表示為

T=\text{PA} \cdot \text{PB} = (s-a)(s-b).

此公式只適用在直角三角形[3]

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直角三角形的高

若在直角三角形有直角的頂點處作往斜邊的高,可以將三角形切割成二個較小的三角形,兩者均和原三角形相似,且二個小三角形彼此相似。因此:

  • 高為斜線切割出的二線段的幾何平均數
  • 各股是直角三角形的高和斜線切割出的二線段中相鄰部份的幾何平均數。

若以方程式表示

\displaystyle f^2=de,(有時稱為直角三角形高定理英語right triangle altitude theorem
\displaystyle b^2=ce,
\displaystyle a^2=cd

其中a, b, c, d, e, f均如圖所示[4]:p.156

三角形的面積等於底邊乘高除二,也等於二股乘積除二,兩者相等,因此

f=\frac{ab}{c}.

斜邊上的高和兩股還有以下的關係[5][6]

\frac{1}{a^2} + \frac{1}{b^2} = \frac{1}{f^2}.

勾股定理[編輯]

勾股定理的示意圖

勾股定理也稱為畢氏定理,內容如下:

在任意的三角形中,邊長等於斜邊的正方形,其面積等於邊長等於兩股的二個正方形的和

可以表示為以下的公式表示

\displaystyle a^2+b^2=c^2

其中c為斜邊長,而ab為剩下二股的長度。

內切圓及外接圓[編輯]

直角三角形的內切圓

直角三角形的二股長度為ab,斜邊長度為c內切圓的半徑為

r = \frac{a+b-c}{2} = \frac{ab}{a+b+c}.

外接圓的半徑為斜邊的一半

R = \frac{c}{2}.

直角三角形的任一股可以用內切圓半徑和另一股長度表示:

\displaystyle a=\frac{2r(b-r)}{b-2r}.

性質[編輯]

一三角形ABC,其各邊為a \le b < c半周長英語Semiperimeters面積 T、斜邊的h外接圓半徑R內切圓半徑r旁切圓半徑ra, rb, rc(分別和a, b, c邊相切)、中線ma, mb, mc,此三角形為直角三角形若且唯若以下六類的敘述中有任何一個成立。以下的敘述也是直角三角形的性質。

邊長和半周長[編輯]

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面積[編輯]

  • \displaystyle T=\frac{ab}{2}
  • \displaystyle T=r_ar_b=rr_c
  • \displaystyle T=r(2R+r)
  • T=PA\cdot PB,其中P為內切圓和最長邊AB相切的點[10]

內切圓及外切圓半徑[編輯]

高線和中線[編輯]

內切參圓和外接圓[編輯]

各邊的比例[編輯]

a, b, h為角A的對邊、鄰邊和斜邊

銳角的三角函數可以用直角三角形各邊的比例來定義。針對一特定銳角,可以繪製一直角三角形,各邊分別是此銳角的對邊、鄰邊及斜邊。所有有相同大小銳角的直角三角形都為相似形,因此依照上面的定義,各邊的比例只和此銳角的角度有關。若一角度θ,其對邊、鄰邊及斜邊分別是a,bh,則其三角函數為:

\sin\theta =\frac {a}{h},\,\cos\theta =\frac {b}{h},\,\tan\theta =\frac {a}{b},\,\sec\theta =\frac {h}{b},\,\cot\theta =\frac {b}{a},\,\csc\theta =\frac {h}{a}.

特殊的直角三角形[編輯]

特定角度的三角函數可以計算其精確值,因此對應直角三角形的各邊比例也可以得知。例如像30-60-90三角形,可以用來計算角度為π/6倍數的三角函數,以及45-45-90三角形,可以用來計算角度為π/4倍數的三角函數,這些都屬於特殊直角三角形

泰勒斯定理[編輯]

直角三角形的外接圓以其斜邊為直徑,斜邊中點為其圓心

泰勒斯定理提到若A點是直徑的BC的一圓上的一點,且不和B點及C點共點,ABC為直角三角形,角A為直角。其逆定理為若一三角形內接於一圓,則其斜邊長度即為該圓的直徑。因此可以推論由直角頂邊到斜邊的中線(外接圓半徑)為斜邊的一半。而直角三角形外接圓的半徑為直角頂邊到斜邊的中線長.也是直徑的一半。

中線[編輯]

直角三角形的中線長和內切圓半徑滿足以下的公式:

m_a^2 + m_b^2 = 5m_c^2 = \frac{5}{4}c^2.

因為直角三角形斜邊的中線長是斜邊的一半,會將直角三角形分為二個等腰三角形

不同平均和黃金比例的關係[編輯]

HGA是二個正整數aba > b)的調和平均幾何平均算術平均。若一直角三角形的二股為HG,其斜邊為A,則[13]

\frac{A}{H} = \frac{A^{2}}{G^{2}} = \frac{G^{2}}{H^{2}} = \phi \,

\frac{a}{b} = \phi^{3}, \,

其中\phi黃金比例\tfrac{1+ \sqrt{5}}{2}. \,

其他性質[編輯]

若長度為pq,通過頂點的線段,將斜邊分為三等分,則[14]:pp. 216-217

p^2 + q^2 = 5\left(\frac{c}{3}\right)^2.

除直角三角形以外的三角形都可以找到三個相異的內接正方形,但直角三角形只能找到二個相異的內接正方形[15]

hkh > k)為一斜邊長為c的直角三角形的二個內接正方形邊長,則

\frac{1}{c^2} + \frac{1}{h^2} = \frac{1}{k^2}.

直角三角形的周長等於內切圓及三個旁切圓的半徑和。

參看[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ 勾股弦概說. 科博館. [2013-08-22]. 
  2. ^ A. Aleksei Petrovich Stakhov. Mathematics of Harmony: From Euclid to Contemporary Mathematics and Computer. World Scientific. 2009: p.86. ISBN 9812775838. 
  3. ^ Di Domenico, Angelo S., "A property of triangles involving area", Mathematical Gazette 87, July 2003, pp. 323-324.
  4. ^ Wentworth, G.A. A Text-Book of Geometry. Ginn & Co. 1895. 
  5. ^ Voles, Roger, "Integer solutions of a^{-2} + b^{-2} = d^{-2}," Mathematical Gazette 83, July 1999, 269–271.
  6. ^ Richinick, Jennifer, "The upside-down Pythagorean Theorem," Mathematical Gazette 92, July 2008, 313–317.
  7. ^ Triangle right iff s = 2R + r. Art of problem solving. 2011-06-11 [2013-08-24]. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 Andreescu, Titu and Andrica, Dorian, "Complex Numbers from A to...Z", Birkhäuser, 2006, pp. 109-110.
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 A Variant of the Pythagorean Theorem. CTK Wiki Math. 2012-10-17 [2013-08-24]. 
  10. ^ Darvasi, Gyula, Converse of a Property of Right Triangles, The Mathematical Gazette. March 2005, 89 (514): 72–76 .
  11. ^ 11.0 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 Bell, Amy, Hansen's Right Triangle Theorem, Its Converse and a Generalization, Forum Geometricorum. 2006, 6: 335–342 .
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 Inequalities proposed in 「Crux Mathematicorum」, Problem 954, p. 26, .
  13. ^ Di Domenico, A., "The golden ratio — the right triangle — and the arithmetic, geometric, and harmonic means," Mathematical Gazette 89, July 2005, 261. Also Mitchell, Douglas W., "Feedback on 89.41", vol 90, March 2006, 153-154.
  14. ^ Posamentier, Alfred S., and Salkind, Charles T. Challenging Problems in Geometry, Dover, 1996.
  15. ^ Bailey, Herbert, and DeTemple, Duane, "Squares inscribed in angles and triangles", Mathematics Magazine 71(4), 1998, 278-284.