坐标推导
把三角形放进坐标系
如图,把点 $A$ 放在原点,让 $AB$ 沿 $x$ 轴正方向,三条边的长度分别记为 $a,b,c$。由 $AC=b$ 及夹角 $A$,可得点 $C$ 的坐标为 $(b\cos A,b\sin A)$。下面利用点 $B,C$ 的坐标计算边长 $a$。
$b,c$ 夹着角 $A$,$a$ 是角 $A$ 的对边。竖括号的 $b\sin A$ 表示垂直高度;横括号的 $b\cos A$ 表示从 $A$ 到垂足的水平长度。
由坐标差计算边长
点 $B,C$ 的横坐标之差是 $b\cos A-c$,纵坐标之差是 $b\sin A$。水平距离与竖直距离分别是这两个差的绝对值;由勾股定理,平方后相加就得到 $BC$ 的平方。
将两个坐标差分别平方、相加。$BC=a$,所以左边写作 $a^2$。
展开第一个完全平方,交叉项是 $-2bc\cos A$;第二个平方为 $b^2\sin^2 A$。
把含 $b^2$ 的两项合在一起,提取公因式 $b^2$。
同角基本关系 $\cos^2 A+\sin^2 A=1$,使括号内化为 $1$,得到余弦定理。
$-2bc\cos A$ 来自横坐标差的平方展开,它把夹角对第三边的影响写进了公式。
锐角与钝角
坐标证明不要求夹角为锐角
推导图先画了锐角情形。如果角 $A$ 为钝角,点 $C$ 就移到 $y$ 轴左侧;坐标表达式和距离平方的算法仍然成立。
当 $A=90^\circ$ 时,$\cos A=0$,点 $C$ 落在 $y$ 轴上,修正项消失,得到 $a^2=b^2+c^2$。勾股定理正是余弦定理的特殊情形。
边角互求
先判断已知的是两边夹角,还是三边
两边及其夹角(SAS):求第三边
已知 $b,c>0$ 及其夹角 $A\in(0,\pi)$,先求 $a^2$,再取正平方根:
边长为正,所以只取正根。这里的 $A$ 必须是已知两边 $b,c$ 的夹角。
三边(SSS):求角
先确认三边为正,且任意两边之和大于第三边,能组成三角形。再把余弦定理改写为:
将余弦项移到左边,将 $a^2$ 移到右边。
两边除以正数 $2bc$,得到角 $A$ 的余弦值。
余弦函数在 $(0,\pi)$ 上严格递减,因此这个余弦值唯一确定内角 $A$。另外两个角也可以用轮换后的公式求出。
例子与总结
同一组数据,先求边再求角
设 $b=3$,$c=4$,两边夹角 $A=60^\circ$。先代入余弦定理:
把 $\cos60^\circ=\frac12$ 代入,得到 $a^2=13$,所以 $a=\sqrt{13}$。
再用三边反求角,得到 $\cos A=\frac12$,与 $A=60^\circ$ 一致。
完整公式与使用条件
分别以另外两个顶点为原点,作同样的坐标计算,轮换边角字母,得到三条公式:
每一行中,余弦对应的角都是右边两条边的夹角,也是左边那条边的对角。
适用范围:任意三角形,锐角、直角、钝角都适用。
两边夹角求边:用对应公式计算边长平方,再取正根。
三边求角:先检查三角形不等式,再求余弦值,并在 $(0,\pi)$ 内确定角。
直角情形:在已成立的三角形中,$A=90^\circ$ 与 $a^2=b^2+c^2$ 相互等价,因为二者都对应 $\cos A=0$。