如图3-9,CD是Rt△ABC的斜边AB上的高,设BC=a,AC=b,AB=c,CD=h,AD=m,DB=n.你能尝试写出这些线段之间的数量关系吗?

图3-9
图3-9
答案:解:
1. 由线段和关系可得:$m + n = c$
2. 在$\mathrm{Rt}△ ABC$中,由勾股定理得:$a^2 + b^2 = c^2$
3. 由直角三角形面积公式,$S_{△ ABC} = \frac{1}{2}ab = \frac{1}{2}ch$,化简得:$ab = ch$
4. 在$\mathrm{Rt}△ ACD$中,由勾股定理得:$b^2 = m^2 + h^2$
5. 在$\mathrm{Rt}△ BCD$中,由勾股定理得:$a^2 = n^2 + h^2$
将$a^2 = n^2 + h^2$、$b^2 = m^2 + h^2$代入$a^2 + b^2 = (m+n)^2$,得:
$n^2 + h^2 + m^2 + h^2 = m^2 + 2mn + n^2$
化简得:$h^2 = mn$
将$h^2 = mn$代入$a^2 = n^2 + h^2$,得:
$a^2 = n^2 + mn = n(m+n) = cn$
即$a^2 = cn$,同理可得:$b^2 = cm$
由$ab=ch$得$h=\frac{ab}{c}$,代入推导得:
$\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2} = \frac{a^2 + b^2}{a^2b^2} = \frac{c^2}{c^2h^2} = \frac{1}{h^2}$
即$\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2}=\frac{1}{h^2}$
综上,这些线段的数量关系为:
$\boldsymbol{m+n=c}$,$\boldsymbol{a^2+b^2=c^2}$,$\boldsymbol{ab=ch}$,$\boldsymbol{a^2=cn}$,$\boldsymbol{b^2=cm}$,$\boldsymbol{h^2=mn}$,$\boldsymbol{\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2}=\frac{1}{h^2}}$。
1. 由线段和关系可得:$m + n = c$
2. 在$\mathrm{Rt}△ ABC$中,由勾股定理得:$a^2 + b^2 = c^2$
3. 由直角三角形面积公式,$S_{△ ABC} = \frac{1}{2}ab = \frac{1}{2}ch$,化简得:$ab = ch$
4. 在$\mathrm{Rt}△ ACD$中,由勾股定理得:$b^2 = m^2 + h^2$
5. 在$\mathrm{Rt}△ BCD$中,由勾股定理得:$a^2 = n^2 + h^2$
将$a^2 = n^2 + h^2$、$b^2 = m^2 + h^2$代入$a^2 + b^2 = (m+n)^2$,得:
$n^2 + h^2 + m^2 + h^2 = m^2 + 2mn + n^2$
化简得:$h^2 = mn$
将$h^2 = mn$代入$a^2 = n^2 + h^2$,得:
$a^2 = n^2 + mn = n(m+n) = cn$
即$a^2 = cn$,同理可得:$b^2 = cm$
由$ab=ch$得$h=\frac{ab}{c}$,代入推导得:
$\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2} = \frac{a^2 + b^2}{a^2b^2} = \frac{c^2}{c^2h^2} = \frac{1}{h^2}$
即$\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2}=\frac{1}{h^2}$
综上,这些线段的数量关系为:
$\boldsymbol{m+n=c}$,$\boldsymbol{a^2+b^2=c^2}$,$\boldsymbol{ab=ch}$,$\boldsymbol{a^2=cn}$,$\boldsymbol{b^2=cm}$,$\boldsymbol{h^2=mn}$,$\boldsymbol{\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2}=\frac{1}{h^2}}$。
例 古希腊数学家海伦在解决三角形面积计算问题时,提出了著名的海伦公式:已知三角形三边的长度$a,b,c$,令半周长 $p=\frac{a+b+c}{2}$,则三角形面积 $S=\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}$。中国南宋数学家秦九韶也独立推导出了类似公式——三斜求积术。秦九韶从三角形三边的长出发,运用勾股定理构造出了可以计算三角形面积的公式,与海伦公式本质相同。因此,海伦公式又被称为海伦—秦九韶公式。你能从上述描述中,运用勾股定理推导出海伦—秦九韶公式吗?
答案:解:
在△ABC中,设BC=a,AC=b,AB=c,过点A作AD⊥BC于点D,设BD=x,则DC=a-x,AD=h。
在Rt△ABD中,由勾股定理得:$h^2 = c^2 - x^2$
在Rt△ACD中,由勾股定理得:$h^2 = b^2 - (a-x)^2$
联立两式得:
$c^2 - x^2 = b^2 - (a-x)^2$
展开整理:
$c^2 - x^2 = b^2 - a^2 + 2ax - x^2$
消去$-x^2$,解得:
$x=\frac{a^2 + c^2 - b^2}{2a}$
将x代入$h^2 = c^2 - x^2$,由平方差公式因式分解:
$\begin{aligned}h^2&=c^2 - (\frac{a^2 + c^2 - b^2}{2a})^2\\&=(c - \frac{a^2 + c^2 - b^2}{2a})(c + \frac{a^2 + c^2 - b^2}{2a})\\&=\frac{2ac - a^2 - c^2 + b^2}{2a} · \frac{2ac + a^2 + c^2 - b^2}{2a}\\&=\frac{[b^2 - (a-c)^2][(a+c)^2 - b^2]}{4a^2}\\&=\frac{(b - a + c)(b + a - c)(a + c - b)(a + b + c)}{4a^2}\end{aligned}$
由半周长定义$p=\frac{a+b+c}{2}$,可得:
$a+b+c=2p$,$b+c-a=2(p-a)$,$a+b-c=2(p-c)$,$a+c-b=2(p-b)$
代入上式:
$\begin{aligned}h^2&=\frac{2(p-a) · 2(p-c) · 2(p-b) · 2p}{4a^2}\\&=\frac{16p(p-a)(p-b)(p-c)}{4a^2}\\&=\frac{4p(p-a)(p-b)(p-c)}{a^2}\end{aligned}$
因此$h=\frac{2\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}}{a}$
三角形面积$S=\frac{1}{2} · a · h$,代入h得:
$\begin{aligned}S&=\frac{1}{2} · a · \frac{2\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}}{a}\\&=\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}\end{aligned}$
海伦—秦九韶公式推导完成。
在△ABC中,设BC=a,AC=b,AB=c,过点A作AD⊥BC于点D,设BD=x,则DC=a-x,AD=h。
在Rt△ABD中,由勾股定理得:$h^2 = c^2 - x^2$
在Rt△ACD中,由勾股定理得:$h^2 = b^2 - (a-x)^2$
联立两式得:
$c^2 - x^2 = b^2 - (a-x)^2$
展开整理:
$c^2 - x^2 = b^2 - a^2 + 2ax - x^2$
消去$-x^2$,解得:
$x=\frac{a^2 + c^2 - b^2}{2a}$
将x代入$h^2 = c^2 - x^2$,由平方差公式因式分解:
$\begin{aligned}h^2&=c^2 - (\frac{a^2 + c^2 - b^2}{2a})^2\\&=(c - \frac{a^2 + c^2 - b^2}{2a})(c + \frac{a^2 + c^2 - b^2}{2a})\\&=\frac{2ac - a^2 - c^2 + b^2}{2a} · \frac{2ac + a^2 + c^2 - b^2}{2a}\\&=\frac{[b^2 - (a-c)^2][(a+c)^2 - b^2]}{4a^2}\\&=\frac{(b - a + c)(b + a - c)(a + c - b)(a + b + c)}{4a^2}\end{aligned}$
由半周长定义$p=\frac{a+b+c}{2}$,可得:
$a+b+c=2p$,$b+c-a=2(p-a)$,$a+b-c=2(p-c)$,$a+c-b=2(p-b)$
代入上式:
$\begin{aligned}h^2&=\frac{2(p-a) · 2(p-c) · 2(p-b) · 2p}{4a^2}\\&=\frac{16p(p-a)(p-b)(p-c)}{4a^2}\\&=\frac{4p(p-a)(p-b)(p-c)}{a^2}\end{aligned}$
因此$h=\frac{2\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}}{a}$
三角形面积$S=\frac{1}{2} · a · h$,代入h得:
$\begin{aligned}S&=\frac{1}{2} · a · \frac{2\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}}{a}\\&=\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}\end{aligned}$
海伦—秦九韶公式推导完成。
1. 我国南宋数学家秦九韶的著作《数书九章》中有一道问题:“问沙田一段,有三斜,其小斜一十三里,中斜一十四里,大斜一十五里. 里法三百步,欲知为田几何?”问题大意:如图,在$△ ABC$中,$AB=13$里,$BC=14$里,$AC=15$里,则$△ ABC$的面积是().

A.80平方里
B.82平方里
C.84平方里
D.86平方里
A.80平方里
B.82平方里
C.84平方里
D.86平方里
答案:C
解析:
过点A作AD⊥BC于点D,设BD=x里,则CD=(14-x)里。
在Rt△ABD中,由勾股定理得:$AD^2=AB^2-BD^2=13^2-x^2$
在Rt△ACD中,由勾股定理得:$AD^2=AC^2-CD^2=15^2-(14-x)^2$
联立两式得:$13^2-x^2=15^2-(14-x)^2$
展开计算:$169-x^2=225-196+28x-x^2$,消去$x^2$后解得$x=5$。
代入得$AD^2=13^2-5^2=144$,即$AD=12$里。
因此$S_{△ ABC}=\frac{1}{2}× BC× AD=\frac{1}{2}×14×12=84$平方里。
在Rt△ABD中,由勾股定理得:$AD^2=AB^2-BD^2=13^2-x^2$
在Rt△ACD中,由勾股定理得:$AD^2=AC^2-CD^2=15^2-(14-x)^2$
联立两式得:$13^2-x^2=15^2-(14-x)^2$
展开计算:$169-x^2=225-196+28x-x^2$,消去$x^2$后解得$x=5$。
代入得$AD^2=13^2-5^2=144$,即$AD=12$里。
因此$S_{△ ABC}=\frac{1}{2}× BC× AD=\frac{1}{2}×14×12=84$平方里。