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正弦定理的多种证明思路

前言

正弦定理是解三角形时必须要用到的定理之一。其证明方法灵活多样,现提供给各位学子,以飨读者。

正弦定理

文字语言:在一个三角形中,各边和它所对角的正弦的比相等;

符号语言:\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\);

\(\Big[\)拓展:\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}=2R\quad\)(\(R\) 为三角形的外接圆的半径 )\(\Big]\)

定理证明思路

思路➊:向量法证明正弦定理,新版人教版A版教材采用的证明思路;

证明:(1).如图所示,设\(\triangle ABC\)为锐角三角形,过点\(A\)做与\(\overrightarrow{AC}\)垂直的单位向量\(\vec{j}\),

则由图可知,\(<\vec{j},\overrightarrow{AC}>=90^{\circ}\),\(<\vec{j},\overrightarrow{AB}>=90^{\circ}-A\),

\(<\vec{j},\overrightarrow{CB}>=90^{\circ}-C\),延长两个向量可以看出来;且有\(\overrightarrow{AC}+\overrightarrow{CB}=\overrightarrow{AB}\),

给上述的向量式同时取与向量\(\vec{j}\)的数量积,得到\(\vec{j}\cdot (\overrightarrow{AC}+\overrightarrow{CB})=\vec{j}\cdot\overrightarrow{AB}\),

整理得到,\(\vec{j}\cdot \overrightarrow{AC}+\vec{j}\cdot\overrightarrow{CB}=\vec{j}\cdot\overrightarrow{AB}\),

则\(|\vec{j}||\overrightarrow{AC}|cos90^{\circ}+|\vec{j}||\overrightarrow{CB}|cos(90^{\circ}-C)=|\vec{j}||\overrightarrow{AB}|cos(90^{\circ}-A)\)

即\(a\cdot sinC=c\cdot sinA\);即\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{c}{sinC}\);

过点\(C\)做与\(\overrightarrow{CB}\)垂直的单位向量\(\vec{i}\),则由图可知,\(<\vec{i},\overrightarrow{AC}>=90^{\circ}-C\),\(<\vec{i},\overrightarrow{CB}>=90^{\circ}\),

\(<\vec{i},\overrightarrow{AB}>=90^{\circ}-B\),延长两个向量可以看出来;且有\(\overrightarrow{AC}+\overrightarrow{CB}=\overrightarrow{AB}\),

给上述的向量式同时取与向量\(\vec{i}\)的数量积,得到\(\vec{i}\cdot (\overrightarrow{AC}+\overrightarrow{CB})=\vec{i}\cdot\overrightarrow{AB}\),

整理得到,\(\vec{i}\cdot \overrightarrow{AC}+\vec{i}\cdot\overrightarrow{CB}=\vec{i}\cdot\overrightarrow{AB}\),

则\(|\vec{i}||\overrightarrow{AC}|cos(90^{\circ}-C)+|\vec{i}||\overrightarrow{CB}|cos90^{\circ}=|\vec{i}||\overrightarrow{AB}|cos(90^{\circ}-B)\)

即\(b\cdot sinC=c\cdot sinB\);即\(\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\);

即\(\triangle ABC\)为锐角三角形时,\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\);

(2).当\(\triangle ABC\)为直角或者钝角三角形时,不妨令\(B\geqslant 90^{\circ}\),仿照上图放置角\(B\),

则同理可以证明\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\);

综上所述得到,\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\);证毕。

思路➋:构造向量的射影法[原北师大教材上采用的证明思路]

如图所示,设\(\triangle ABC\)为钝角三角形,以点\(A\)为原点,以射线\(AB\)的方向为\(x\)轴正方向建立直角坐标系,\(C\)点在\(y\)轴上的射影为\(C'\),

由于向量\(\overrightarrow{AC}\)与\(\overrightarrow{BC}\)在\(y\)轴上的射影均为\(|\overrightarrow{OC'}|\),即

\(|\overrightarrow{OC'}|=|\overrightarrow{AC}|cos(A-90^{\circ})=bsinA\),

又\(|\overrightarrow{OC'}|=|\overrightarrow{BC}|sinB=asinB\),

所以\(asinB=bsinA\),即\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}\),

同理,\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{c}{sinC}\),

所以,\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\);

若\(A\)为锐角或者直角,同理可得,\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\);证毕。

思路➌ :利用三角形的高证明正弦定理[易想易证];

证明:(1).设\(\triangle ABC\)为锐角三角形时,设边\(AB\)上的高为\(CD\),根据锐角三角函数定义可知,

有\(CD=a\cdot sinB\);\(CD=b\cdot sinA\);由此得到,\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}\);

同理得到,\(\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\),故\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\)在锐角三角形中成立;

(2).设\(\triangle ABC\)为钝角三角形时,过点\(C\)做边\(AB\)上的高,交\(AB\)的延长线于点\(D\),根据锐角三角函数定义可知,

有\(CD=a\cdot sin\angle CBD=a\cdot sin\angle ABC\);\(CD=b\cdot sinA\);由此得到,\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}\);

同理得到,\(\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\),故\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\)在钝角三角形中成立;

(3).当\(\triangle ABC\)为直角三角形时,比如\(C=\cfrac{\pi}{2}\),容易验证\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\)成立;

综上所述,在\(\triangle ABC\)中,一定有\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\);

思路➍ :利用三角形的面积证明正弦定理[易想易证];

证明:如图在\(\triangle ABC\)中,边\(AB\)上的高为\(CD\),则\(CD=a\cdot sinB\),

则\(S_{\triangle ABC}=\cfrac{1}{2}\times AB\times CD=\cfrac{1}{2}acsinB\);

同理可得到\(S_{\triangle ABC}=\cfrac{1}{2}absinC=\cfrac{1}{2}bcsinA\);

则有\(acsinB=absinC=bcsinA\),同除以\(abc\),得到

\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\);

思路➎ :三角形的外接圆 + 三角函数定义证明 [初中常采用的证明思路]

证明:(1).如图所示,设\(\triangle ABC\)为锐角三角形,做出其外接圆\(\odot O\),连结\(BO\)并延长交\(\odot O\)于点\(A'\),

则由同弧所对的圆周角相等,得到\(\angle A=\angle A'\),

在\(Rt\triangle A'BC\)中,\(sinA'=\cfrac{a}{2R}=sinA\);

连结\(AO\)并延长交\(\odot O\)于点\(B'\),则由同弧所对的圆周角相等,得到\(\angle B=\angle B'\),

在\(Rt\triangle AB'C\)中,\(sinB'=\cfrac{b}{2R}=sinB\);

同理得到,\(\cfrac{c}{2R}=sinC\);故\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}=2R\);

(2).如图所示,若\(\triangle ABC\)为直角三角形,做出其外接圆\(\odot O\),连结\(BO\)并延长交\(\odot O\)于点\(A'\),

容易证明\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}=2R\);

(3).如图所示,若\(\triangle ABC\)为钝角三角形,做出其外接圆\(\odot O\),连结\(BO\)并延长交\(\odot O\)于点\(A'\),

则由同弧所对的圆周角相等,得到\(\angle A=\angle A'\),在\(Rt\triangle A'BC\)中,\(sinA'=\cfrac{a}{2R}=sinA\);

连结\(AO\)并延长交\(\odot O\)于点\(B'\),则由同弧所对的圆周角相等,得到\(\angle B=\angle B'\),

在\(Rt\triangle AB'C\)中,\(sinB'=\cfrac{b}{2R}=sinB\);

同理得到,\(\cfrac{c}{2R}=sinC\);故\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}=2R\);

综上所述得到,\(\cfrac{a}{sinA}=\cfrac{b}{sinB}=\cfrac{c}{sinC}\);

思路➏ :用余弦定理证明正弦定理

余弦定理的边的形式:在\(\triangle ABC\) 中:\(\begin{cases}a^2 = b^2 + c^2 - 2bc\cos A \\b^2 = a^2 + c^2 - 2ac\cos B \\c^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos C \end{cases}\)

由于 \(\cos A = \cfrac{b^2 + c^2 - a^2}{2bc}\),结合 三角恒等式:\(\sin^2 A = 1 - \cos^2 A\)

\(\sin^2 A = 1 - \left(\cfrac{b^2 + c^2 - a^2}{2bc}\right)^2= \cfrac{4b^2c^2 - (b^2 + c^2 - a^2)^2}{4b^2c^2}\)

针对分子进行因式分解如下,

\(4b^2c^2 - (b^2 + c^2 - a^2)^2= \big[2bc - (b^2 + c^2 - a^2)\big]\big[2bc + (b^2 + c^2 - a^2)\big]\)

\(= \big[a^2 - (b-c)^2\big]\big[(b+c)^2 - a^2\big]= (a-b+c)(a+b-c)(a+b+c)(-a+b+c)\)

设半周长 \(p = \cfrac{a+b+c}{2}\),则:\(a+b-c=2p-2c\),\(b+c-a=2p-2a\),\(a+c-b=2p-2b\),

则有 \(\sin^2 A = \cfrac{4p(p-a)(p-b)(p-c)}{b^2c^2}\),即 \(\sin A = \cfrac{2\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}}{bc}\)

则有 \(\cfrac{a}{\sin A} = \cfrac{a \cdot bc}{2\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}}= \cfrac{abc}{2\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}}\)

同理可得:\(\cfrac{b}{\sin B} = \cfrac{abc}{2\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}},\quad\cfrac{c}{\sin C} = \cfrac{abc}{2\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}}\)

因此有,\(\cfrac{a}{\sin A}\)\(=\)\(\cfrac{b}{\sin B}\) \(=\) \(\cfrac{c}{\sin C}\) ,得证。

思路➐ :解析法(坐标法)证明正弦定理

建立坐标系,把点 \(A\) 放在原点,边 \(AB\) 放在 \(x\) 轴上: \(A(0,0)\), \(B(c,0)\), \(C(x,y)\)

由三角函数定义:\(x = b\cos A,\quad y = b\sin A\)

即:\(C(b\cos A,\;b\sin A)\)

用两点距离表示边长

\(BC = a\),由两点间距离公式:

\(a^2 = (b\cos A - c)^2 + (b\sin A)^2\)

展开并利用 \(\cos^2A+\sin^2A=1\):

\(a^2 = b^2 + c^2 - 2bc\cos A\)

这是余弦定理,下面用它推出正弦定理。

用同角关系得到正弦

由 \(\sin^2A=1-\cos^2A\):

\(\sin A = \sqrt{1-\cos^2A}\)

代入 \(\cos A = \dfrac{b^2+c^2-a^2}{2bc}\):

\(\sin A = \cfrac{\sqrt{2a^2b^2+2b^2c^2+2c^2a^2-a^4-b^4-c^4}}{2bc}\)

记三角形面积为 \(S\),则:

\(S = \cfrac12 bc\sin A\)

于是:\(\sin A = \cfrac{2S}{bc}\)

得出正弦定理

\(\cfrac{a}{\sin A} = \cfrac{a}{\cfrac{2S}{bc}} = \cfrac{abc}{2S}\)

同理:\(\cfrac{b}{\sin B} = \cfrac{abc}{2S},\quad \cfrac{c}{\sin C} = \cfrac{abc}{2S}\)

因此:\(\cfrac{a}{\sin A}=\cfrac{b}{\sin B}=\cfrac{c}{\sin C}\)

posted @ 2019-12-19 08:26  静雅斋数学  阅读(2556)  评论(0)    收藏  举报

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