正弦定理的直观理解

正弦定理是我曾经在课堂上记住的东西,但并没有内化:

\displaystyle{\frac{\sin(A)}{a} = \frac{\sin(B)}{b} = \frac{\sin(C)}{c} }

好的,这是一个巧妙的联系,也许我们可以 证明它 通过画一些直角三角形(当然)并重新排列项来证明。

但这是什么意思?

与其说是正弦定理,不如把它看作是等视角定律:

law of sines common circle

每个角和边都可以独立地找到包围整个三角形的圆。 这种联系让我们从一个角出发,推导出其他角的事实。

类比:孩子们描述怪物

我偶尔会解开前院变异大猩猩的锁链,吓唬邻居家的孩子们。

孩子们尖叫着跑开,讲述着他们看到的不同故事:

“爱丽丝声称怪物有20英尺高,但我们都知道她喜欢夸大事实,会说两倍高。比利有点爱哭,他说有30英尺高。查理相当务实,说那只野兽正好有10英尺高。”

如果我们知道一个孩子的‘夸张因子’和他们声称的尺寸,就可以推断出怪物的真实大小。(你知道的,愤怒的乔治是有名字的。)

更好的是,我们可以预测 其他 其他孩子可能会说什么:如果爱丽丝声称有40英尺,查理会怎么说?

三角形与怪物圆

孩子们从怪物身边跑开和三角形有什么关系呢?嗯,每个三角形都被困在它自己的怪物圆里:

law of sines single circle

无论我们画什么三角形,都会有一个 一些 圆试图把它吞下去(技术上称为“外接圆”)。试试 本页 自己探索一个例子。

现在神奇之处在于:只要知道一个角及其对边,我们就能找出大圆(Monster Circle)。

方法如下。假设我们有一个这样的三角形:

我们什么都不知道,只知道角 $A$(设为30度)和边 $a$ 的长度(设为1英寸)。

首先:这是该三角形的正确画法吗?很可能不是!我们不知道其他边,所以下面这个也是可能的:

它仍然有相同的角($A$ = 30度),底边的长度也没有变(仍然是1英寸)。

如果我们开始画出更多可能性呢?

law of sines a's perspective

哇。从 $A$ 的角度看, 所有 满足“$A$=30度,$a$=1英寸”的可能三角形都在这个圆上。无论 B 和 C 最终如何,它们都需要从这个圆中选择一个点。

类似地,我们可以从其他角度论证这一点:

  • 我们可以锁定角 $B$ 和边 $b$,并描绘出一个可能的圆。
  • 我们可以锁定角 $C$ 和边 $c$,并描绘出一个可能的圆。

law of sines unified perspective

这就是正弦定理(Law of Sines)的含义:每个角都不经意间生成了与其他角相同的圆。

(我们如何 证明,而不仅仅是看到可能性位于一个圆上?那是 圆周角定理的内容,改天再谈。)

计算实际大小

我们已经发现存在 一个大圆(Monster Circle),现在来看看它有多大。嗯……怎么求?

记住,我们可以在圆上滑动,同时保持 $A$(30度)和 $a$(1英寸)不变。那么滑动直到构成一个直角三角形:

right triangle law of sines

啊!现在我们可以用正弦了。记住正弦是 相对于最大可能的高度百分比. 最大可能高度是怪物圆(Monster Circle)的整个直径($d$)。

(为什么一个90度角正对直径? 画一个正方形 在圆内,接触各边。它必须是对称的,对角线沿直径穿过中心,并且正对一个90度角。)

稍作整理,我们得到:

\displaystyle{ \frac{a}{\sin(A)} = d }

对另一边使用相同逻辑,我们得到:

\displaystyle{ \frac{a}{\sin(A)} = \frac{b}{\sin(B)} = \frac{c}{\sin(C)} = d }

从某种意义上说,$\sin(A)$ 是“夸张因子”,它将测量的角度尺寸($a$)转换为整个直径($d$)。每个角度都是一个不同的孩子,有些真的根据他们所见错误判断了整个圆的大小。(90度正好命中目标。)

练习题

在我们上面的例子中,$A$ 是30度,$a$ 是1英寸。

我们可以很快算出直径。首先,我们得到正弦值:

\displaystyle{\sin(30) = 0.5}

这意味着我们的长度 $a$ 是最大高度的50%,所以整个直径必须是2英寸。

仅凭这一点还不足以确定三角形。假设角 $B$ 出现并说它是45度。那么 $b$ 有多长?

那么,

\displaystyle{\sin(45) = .707}

这意味着 $b$ 是最大直径的0.707。因此,

\displaystyle{ b = .707 \cdot \text{2 inches} =  \text{1.414 inches}}

以前,我会将数字代入正弦定理(Law of Sines)公式并代数求解。现在我可以从怪物圆的角度思考:“好的,我有最大直径。我取正弦,得到该边相对于最大直径的比例。”

大多数书将公式写为 sin(A) 在分子中。读作“A分之正弦A”可能更好,但它扭曲了结论:$\frac{a}{\sin(A)}$ 是圆的大小。

用自己的话理解概念。“正弦定理”是公式内容的通用描述,而“相等视角定理”(Law of Equal Perspectives)则解释了其含义:

  • 三角形的所有部分都对整体有全局视角。
  • 正弦是“放大因子”,它将单个边长放大到整个直径。(正弦是相对于最大可能值的百分比,我们用它来除。)

数学愉快。

附录:钝角

严格来说,由于 $B$ 大于90度,我们无法旋转它使 $A$ 或 $C$ 成为直角(如果可以,三角形内角和将超过180度)。

law of sines obtuse angle

怎么办?认识到 $B$ 的180度补角(称为 $B\star$)在另一边充当替代:

law of sines obtuse angle

$B \star$ 与 $B$ 具有相同的正弦值,这应该可以理解:它们都沿着同一轨迹向上。为了让我们晚上睡得更好,我们从直角设置中的 $B \star$ 开始:

\displaystyle{\sin(B \star) = \sin(B) = \frac{b}{d} }

并得到与之前相同的结论。呼。

然而,$B$ 和 $B\star$ 可以互换这一事实可能导致问题。

如果我知道一个三角形的 $A$ (30度) 和 $a$ (1英寸),然后说 $b$ 是1.5英寸,你能推断出什么?

最大直径仍然是2英寸,所以

\displaystyle{\sin(B) = \frac{1.5}{2} = .75}

不幸的是,有两个角的正弦值相同:计算器显示 $\sin^{-1}(.75) = 48$ 度,但 $180 – 48 = 132$ 度也行(更多细节).

而且,在假设的场景下三角形可能不成立。如果我说 $b$ 是3英寸,你知道有些不对劲。最大直径先前已算出是2。即使是最理想的90度角,也最多只能有2英寸的边长。

ADEPT总结

ADEPT主题 正弦定理
类比(Analogy) 想象一下,孩子们用不同程度的夸张来描述同一个怪物。
图示(Diagram) Intuition For The Law Of Sines
示例(Example) 假设 $A$=30°,$a$=1 英寸。由于 $\sin(A)=0.5$,怪物圆的宽度为 1/0.5 = 2 英寸。给定另一个角,我可以算出其对边的长度。如果 $B$=45°,那么边 $b$ 占直径的 $\sin(45)=0.707$,长度为 1.414 英寸。
通俗描述(Plain-English) 任意一个角加一条边都可以推导出外接圆的大小。
技术描述(Technical) \displaystyle{\frac{a}{\sin(A)} = \frac{b}{\sin(B)} = \frac{c}{\sin(C)} = \text{diameter of circle} }

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