高中数学 · D 模块

正弦定理

理解三角形的边长与对角正弦之间的比例关系,并说明正弦定理的由来与适用条件。

建立坐标

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,三边长分别记为 $a,b,c$。取点 $C$ 在 $x$ 轴上方,写作 $C(u,h)$;其中 $h$ 是点 $C$ 到 $x$ 轴的高度。先看角 $A,B$ 都是锐角的情形。

锐角情形:坐标、高度与边角对应xyhABA(0,0)B(c,0)C(u,h)D(u,0)bac
绿色竖括号标出高度 $h$,$D$ 是垂足。

下面分别用角 $A$、$B$ 的正弦表示高度 $h$。

正弦与高度

两条边,对应同一个纵向高度

从 $A$ 沿边 $AC$ 看向 $C$,边长是 $b$,与 $x$ 轴正方向的夹角是 $A$。在直角三角形 $ACD$ 中,正弦是高度与斜边长的比。

$$\sin A=\frac{h}{b}$$

角 $A$ 的对边是高 $CD=h$,斜边是 $AC=b$。正弦值表示高度占这条斜边长的比例。

$$h=b\sin A$$

两边乘以 $b$。边长 $b$ 乘以这个比例,得到点 $C$ 的纵坐标 $h$。

再从 $B$ 沿边 $BC$ 看向同一个点 $C$。这时斜边长是 $a$,角 $B$ 是 $BC$ 与向左的 $BA$ 之间的内角;在直角三角形 $BCD$ 中,对边仍是 $CD$。

$$\sin B=\frac{h}{a}$$

角 $B$ 的对边仍是高 $h$,斜边换成 $BC=a$,所以相应的比例是 $h/a$。

$$h=a\sin B$$

两边乘以 $a$,得到同一个高度 $h$。点 $A,B$ 的纵坐标都是 $0$,到点 $C$ 的竖直高度相同。

$$b\sin A=a\sin B$$

两种计算都得到点 $C$ 的纵坐标,因此可以令它们相等。

$$\frac{a}{\sin A}=\frac{b}{\sin B}$$

三角形的内角在 $(0,\pi)$ 内,正弦值均为正。两边同除以 $\sin A\sin B$,再交换等号两边,得到边与对角正弦的比。

钝角情形:横坐标变了,高度关系仍成立

若角 $A$ 为钝角,点 $C$ 在 $y$ 轴左侧,垂足 $D$ 落在 $BA$ 的延长线上,如下图。

钝角情形:坐标、高度与边角对应xyhABπ−AA(0,0)B(c,0)C(u,h)D(u,0)bac
$u<0$,但 $h>0$。点 $C$ 在 $y$ 轴左侧,高 $CD$ 落在三角形外部。
$$h=b\sin(\pi-A)=b\sin A$$

直角三角形 $ACD$ 中的锐角是 $\pi-A$。先据此读出高,再用 $\sin(\pi-A)=\sin A$,高度关系仍成立。

此时 $B$ 仍为锐角,$h=a\sin B$ 不变。若 $B$ 为钝角,垂足落在 $B$ 的右侧,同样用 $\sin(\pi-B)=\sin B$。若 $A$ 或 $B$ 为直角,垂足与对应顶点重合,且 $\sin(\pi/2)=1$,高的等式仍成立。

轮换顶点,连接三个比值

从另一个顶点作高,用同样的方法连接另外两组边角。

$$\frac{b}{\sin B}=\frac{c}{\sin C}$$

轮换顶点后,同一条高的两种表示给出这两个比值相等。

$$\frac{a}{\sin A}=\frac{b}{\sin B}=\frac{c}{\sin C}$$

将两次得到的比例连接起来,就是正弦定理。在同一个三角形中,边长与对角正弦的比保持不变。

使用条件

先找一组已知的边与对角

有了比例式,已知的一组边角就能连接其他边角。

已知两角和一边

先用 $A+B+C=\pi$ 求出第三个角,再用已知边及其对角的比,求其余两边。

已知两边和其中一边的对角

例如已知 $a,b,A$,先从比例式中求出 $\sin B$。

$$\sin B=\frac{b\sin A}{a}$$

将 $a\sin B=b\sin A$ 两边除以边长 $a>0$,把 $\sin B$ 单独留下。

右边必须在 $(0,1]$ 内。即使满足这个条件,同一个正弦值也可能对应互为补角的两个角,还要检查内角和,不能直接认定三角形唯一。两边及一边对角(SSA)的解数,留到后续解三角形内容中判断。

外接圆拓展

拓展:公共比就是外接圆直径

通过三角形三个顶点的圆叫作外接圆。设圆心为 $O$、半径为 $R$,弦 $BC$ 对应的较小圆心角为 $\theta$,从 $O$ 向弦作垂线,垂足为 $M$。下图先取角 $A$ 为锐角。

外接圆:半径 OB、半弦 BM 与半圆心角 BOM 的对应Aθ/2a/2RcbaABCOM
对照半径 $OB$、半弦 $BM$ 和角 $BOM$,读取正弦关系。

在等腰三角形 $OBC$ 中,高 $OM$ 同时平分弦和顶角,所以 $BM=a/2$、$\angle BOM=\theta/2$。当弦不是直径时,在直角三角形 $OMB$ 中有:

$$\frac{a}{2}=R\sin\frac{\theta}{2}$$

角 $BOM$ 的对边是半弦 $BM$,斜边是半径 $OB$;由正弦定义,半弦长等于半径乘以 $\sin(\theta/2)$。

$$a=2R\sin\frac{\theta}{2}$$

两边乘以 $2$,由半弦长得到整条弦的长度。

圆周角 $A$ 所对的是不含点 $A$ 的弧 $BC$;这段弧对应的圆心角是 $2A$。注意它不一定是较小的圆心角。

$$\theta=2A\quad(A<\tfrac{\pi}{2})$$

$A$ 为锐角时,所对的圆心角小于 $\pi$,正是较小圆心角,因此 $\sin(\theta/2)=\sin A$。

$$\theta=2\pi-2A\quad(A>\tfrac{\pi}{2})$$

$A$ 为钝角时,所对的是大弧;较小圆心角对应另一段弧。因此 $\theta/2=\pi-A$,仍有 $\sin(\theta/2)=\sin A$。

$$a=2R\sin A$$

代入弦长公式,两种情形都得到这个关系。若 $A=\pi/2$,$BC$ 本身就是直径,$a=2R$,同样满足此式。

$$\frac{a}{\sin A}=\frac{b}{\sin B}=\frac{c}{\sin C}=2R$$

将 $a=2R\sin A$ 除以 $\sin A$,再对另外两条边轮换,就得到公共比等于外接圆直径。

$2R$ 是在正弦定理基础上的拓展性质:北师大版在同节例题中展开,人教 A 版在习题中展开。

用一组三角形数据核对

设 $A=30^\circ$、$B=60^\circ$、$a=3$,则 $C=90^\circ$。

$$\frac{a}{\sin A}=\frac{3}{1/2}=6$$

先用已知的边和对角,求出公共比。

$$b=6\sin60^\circ=3\sqrt3$$

公共比乘以 $B$ 的正弦,得到对边 $b$。

$$c=6\sin90^\circ=6$$

公共比乘以 $C$ 的正弦,得到斜边 $c$。

$$R=\frac{6}{2}=3$$

公共比为 $2R=6$,所以半径为 $3$,恰好是斜边的一半。

公式总结

公式与条件,一起记住

$$\frac{a}{\sin A}=\frac{b}{\sin B}=\frac{c}{\sin C}$$

适用于三角形:$a,b,c$ 分别是 $A,B,C$ 的对边,$0<A,B,C<\pi$,且 $A+B+C=\pi$。三个正弦均为正,分母都有意义。

$$\frac{a}{\sin A}=2R$$

拓展中,$R$ 是这个三角形的外接圆半径,所以三个比值也都等于 $2R$。

推导的关键是同一条高有两种表示。使用时先配对边与对角;求得角的正弦后,还要检查角和三角形是否成立。