三角形的分类和刻画
前言
构成前提
我们知道,要构成三角形,需要满足三角形的任意两边之和大于第三边[Ⅰ],任意两边的差小于第三边[Ⅱ],在使用的时候需要注意,使用了[Ⅰ]来限制,就不需要同时使用[Ⅱ]来限制,这是因为两个条件组不是相互独立的,意思是两个条件组是等价的,也就是可以相互推导的。
用数学语言表述如下:给定\(\triangle ABC\),三边分别为\(a\),\(b\),\(c\);
则要构成三角形,必须满足条件组[Ⅰ]\(\left\{\begin{array}{l}{a+b>c}\\{a+c>b}\\{b+c>a}\end{array}\right.\),
它们可以等价变形为条件组[Ⅱ]\(\left\{\begin{array}{l}{a>c-b}\\{c>b-a}\\{b>a-c}\end{array}\right.\),
故其不是相互独立的,在限制三角形的构成时,只需要且只能使用其中的一组即可,常用条件组[Ⅰ]来限制;
引例,比如已知某三角形的三边分别为\(6\),\(x\),\(2x\),
则我们由\(\left\{\begin{array}{l}{x+2x>6}\\{x+6>2x}\\{6+2x>x}\end{array}\right.\),解得:\(2<x<6\)
即只有\(x\in (2,6)\)时,这三条边才能构成一个三角形,否则不能。
引申:若已知某锐角三角形的三边分别为\(6\),\(x\),\(2x\),那么还用上述的限制显然是不够的,上述的条件仅仅只能限制得到一个三角形,而不能保证得到的一定是锐角三角形,这时还需要添加其他的条件限制。若有兴趣,请继续向下阅读:
(1).求\(c\)的取值范围求三角形的边的取值范围,无非就是找些条件加以限制,此时能用到的有三角形的构成条件,即两边之和大于第三边,两边之和小于第三边;\(\quad\);
分析:由已知条件可得,\(a+b=3c-2>c\)①,\(a-b=2c-6<c\)②.
联立①②解得,\(1<c<6\);
(2).若\(\triangle ABC\)的周长为\(18\),求\(c\)的值由于给定条件涉及到三个元,故需要考虑变量集中,将\(a\),\(b\)都用变量\(c\)来表达刻画,这样周长中就只有一个未知数\(c\),故可解;\(\quad\);
分析:由\(\left\{\begin{array}{l}{a+b=3c-2①}\\{a-b=2c-6②}\end{array}\right.\)
由①+②变形得到,\(a=\cfrac{5c-8}{2}\),实现了用\(c\)表达\(a\);
由①-②变形得到,\(b=\cfrac{c+4}{2}\),实现了用\(c\)表达\(b\);
又由于\(a+b+c=18\),即\(\cfrac{5c-8}{2}+\cfrac{c+4}{2}+c=18\),
解得\(c=5\)。
三角形分类
按边分类:不等边三角形[三边都不相等],等腰三角形[有两边相等],等边三角形[三边都相等];
按角分类:锐角三角形,直角三角形,钝角三角形;其中锐角三角形和钝角三角形统称斜三角形;
刻画依据
为便于使用向量,约定如下:在\(\triangle ABC\)中,\(\overrightarrow{AB}=\vec{c}\),\(\overrightarrow{BC}=\vec{a}\),\(\overrightarrow{CA}=\vec{b}\),
对直角三角形而言,只需要也只能具备一个形式:
内角形式:\(A=\cfrac{\pi}{2}\)或\(B=\cfrac{\pi}{2}\)或\(C=\cfrac{\pi}{2}\);仅仅只需要一个;
三角函数值的形式:\(\cos A=0\)或\(\cos B=0\)或\(\cos C=0\);仅仅只需要一个;
边的形式:\(b^2+c^2=a^2\)或\(a^2+c^2=b^2\)或\(a^2+b^2=c^2\);仅仅只需要一个;
向量形式:\(\vec{a}\cdot\vec{b}=0\)或\(\vec{b}\cdot\vec{c}=0\)或\(\vec{c}\cdot\vec{a}=0\);
对钝角三角形而言,只需要也只能具备一个形式:
内角形式:\(A>\cfrac{\pi}{2}\)或\(B>\cfrac{\pi}{2}\)或\(C>\cfrac{\pi}{2}\);仅仅只需要一个;
三角函数值的形式:\(\cos A<0\)或\(\cos B<0\)或\(\cos C<0\);仅仅只需要一个;
边的形式:\(b^2+c^2<a^2\)或\(a^2+c^2<b^2\)或\(a^2+b^2<c^2\);仅仅只需要一个;
向量形式:\(\vec{a}\cdot\vec{b}>0\)或\(\vec{b}\cdot\vec{c}>0\)或\(\vec{c}\cdot\vec{a}>0\);
对锐角三角形而言,必须三个形式同时具备:
内角形式:\(0<A<\cfrac{\pi}{2}\)且\(0<B<\cfrac{\pi}{2}\)且\(0<C<\cfrac{\pi}{2}\);必须三个形式同时具备;
三角函数值的形式:\(\cos A>0\)且\(\cos B>0\)且\(\cos C>0\);必须三个形式同时具备;
边的形式:\(b^2+c^2>a^2\)且\(a^2+c^2>b^2\)且\(a^2+b^2>c^2\);必须三个形式同时具备;
向量形式:\(\vec{a}\cdot\vec{b}<0\)且\(\vec{b}\cdot\vec{c}<0\)且\(\vec{c}\cdot\vec{a}<0\);
典例剖析
(1)求角\(B\).
分析:由于\(a\cdot\sin\cfrac{A+C}{2}=b\cdot\sin A\),即为\(a\cdot\sin\cfrac{\pi-B}{2}=a\cdot\cos\cfrac{B}{2}=b\cdot\sin A\)
可得 \(\sin A\cdot\cos\cfrac{B}{2}=\sin B\cdot\sin A=2\sin\cfrac{B}{2}\cdot\cos\cfrac{B}{2}\cdot\sin A\),
\(\because \sin A>0\),\(\therefore \cos\cfrac{B}{2}=2\sin\cfrac{B}{2}\cdot\cos\cfrac{B}{2}\),
即\(\cos\cfrac{B}{2}\cdot (2\sin\cfrac{A}{2}-1)=0\),
若\(\cos\cfrac{B}{2}=0\),可得\(B=\pi\),不符题意,舍去;
\(\therefore\sin\cfrac{B}{2}=\cfrac{1}{2}\),由\(0<B<\pi\), 可得\(B=\cfrac{\pi}{3}\).
(2)若\(\triangle ABC\)为锐角三角形,且\(c=1\),求\(\triangle ABC\)面积的取值范围.
[法1]:结合已知条件,从边的角度思考和刻画,转化为关于边的函数求解;
若\(\triangle ABC\)为锐角三角形,且\(c=1\),
由余弦定理\(b^2=a^2+c^2-2a\cdot c\cdot\cos B\)可得,
\(b=\sqrt{a^{2}+1^2-2 a\cdot1\cdot\cos\cfrac{\pi}{3}}=\sqrt{a^{2}-a+1}\)
由三角形\(ABC\)为锐角三角形,则必须满足条件\(\left\{\begin{array}{l}{b^2+c^2>a^2}\\{a^2+c^2>b^2}\\{a^2+b^2>c^2}\end{array}\right.\)
可得到\(\left\{\begin{array}{l}{a^{2}+a^{2}-a+1>1}\\{1+a^{2}-a+1>a^{2}}\\{1+a^{2}>a^{2}-a+1}\end{array}\right.\),解得\(\cfrac{1}{2}<a<2\),
可得\(\triangle ABC\)面积
\(S=\cfrac{1}{2}a\cdot\sin\cfrac{\pi}{3}=\cfrac{\sqrt{3}}{4} a \in\left(\cfrac{\sqrt{3}}{8}, \cfrac{\sqrt{3}}{2}\right)\)
[法2]:结合已知条件,从角的角度思考和刻画,转化为关于角的三角函数求解;
由于\(B=\cfrac{\pi}{3}\),故\(A+C=\cfrac{2\pi}{3}\),则有\(A=\cfrac{2\pi}{3}-C\);
又由于锐角三角形的限制,则\(\left\{\begin{array}{l}{0<C<\cfrac{\pi}{2}}\\{0<\cfrac{2\pi}{3}-C<\cfrac{\pi}{2}}\end{array}\right.\),解得\(\cfrac{\pi}{6}<C<\cfrac{\pi}{2}\)
又应用正弦定理\(\cfrac{a}{\sin A}=\cfrac{c}{\sin C}\),得到\(\cfrac{a}{c}=\cfrac{\sin A}{\sin C}\),又已知\(c=1\)
则由三角形面积公式得到,
\(S_{\triangle ABC}=\cfrac{1}{2}a\cdot c\sin B=\cfrac{1}{2}\cdot \cfrac{a}{c}\cdot c^2\cdot\sin B\)
\(=\cfrac{1}{2}\times 1^2\times \cfrac{\sin A}{\sin C}\times \sin B\)\(=\cfrac{\sqrt{3}}{4}\times \cfrac{\sin A}{\sin C}\)
\(=\cfrac{\sqrt{3}}{4}\times\cfrac{\sin(\cfrac{2\pi}{3}-C)}{\sin C}=\cfrac{\sqrt{3}}{4}\times\cfrac{\cfrac{\sqrt{3}}{2}\cos C+\cfrac{1}{2}\sin C}{\sin C}\)
\(=\cfrac{3}{8}\cdot \cfrac{1}{\tan C}+\cfrac{\sqrt{3}}{8}\)
由于\(\cfrac{\pi}{6}<C<\cfrac{\pi}{2}\),\(y=\tan C\)单调递增,故\(\cfrac{\sqrt{3}}{3}<\tan C<+\infty\),
则有\(0<\cfrac{1}{\tan C}<\sqrt{3}\),则\(0<\cfrac{3}{8}\cdot \cfrac{1}{\tan C}<\cfrac{3\sqrt{3}}{8}\),
则有\(0+\cfrac{\sqrt{3}}{8}<\cfrac{3}{8}\cdot\cfrac{1}{\tan C}+\cfrac{\sqrt{3}}{8}<\cfrac{3\sqrt{3}}{8}+\cfrac{\sqrt{3}}{8}\),
即\(\cfrac{\sqrt{3}}{8}<\cfrac{3}{8}\cdot \cfrac{1}{\tan C}+\cfrac{\sqrt{3}}{8}<\cfrac{\sqrt{3}}{2}\),
故\(\cfrac{\sqrt{3}}{8}<S_{\triangle ABC}<\cfrac{\sqrt{3}}{2}\),即所求三角形面积的取值范围为\(\left(\cfrac{\sqrt{3}}{8}, \cfrac{\sqrt{3}}{2}\right)\)
(1).求角\(A\).
分析:由已知\(\vec{m}//\vec{n}\),可得到\(a\cos C+\sqrt{3}a\sin C-b-c=0\),
由正弦定理边化角可得,\(\sin A\cos C+\sqrt{3}\sin A\sin C-\sin B-\sin C=0\),
由于\(B=\pi-A-C\),则有\(\sin A\cos C+\sqrt{3}\sin A\sin C-\sin(A+C)-\sin C=0\),
整理得到,\(\sqrt{3}\sin A\sin C-\cos A\sin C-\sin C=0\),
由于\(\sin C\neq 0\),则得到\(\sqrt{3}\sin A-\cos A-1=0\),
由辅助角公式可得,\(2\sin(A-\cfrac{\pi}{6})=1\),
即\(\sin(A-\cfrac{\pi}{6})=\cfrac{1}{2}\),
由\(0<A<\cfrac{\pi}{2}\),则\(-\cfrac{\pi}{6}<A-\cfrac{\pi}{6}<\cfrac{\pi}{3}\),
则\(A-\cfrac{\pi}{6}=\cfrac{\pi}{6}\),故\(A=\cfrac{\pi}{3}\).
(2).若\(a=3\),求\(\triangle ABC\)面积的取值范围。
分析: 由\(\cfrac{b}{\sin B}=\cfrac{c}{\sin C}=\cfrac{a}{\sin A}=\cfrac{3}{\frac{\sqrt{3}}{2}}=2\sqrt{3}\),
则得\(b=2\sqrt{3}\sin B\), \(c=2\sqrt{3}\sin C\),\(C=\cfrac{2\pi}{3}-B\),
所以\(bc=12\sin B\sin C=12\sin B\sin(\cfrac{2\pi}{3}-B)=12\sin B\sin(\cfrac{\pi}{3}+B)\)
\(=12\sin B(\cfrac{\sqrt{3}}{2}\cdot \cos B+\cfrac{1}{2}\cdot\sin B)=6\sqrt{3}\sin B\cos B+6\sin^2B\)
\(=3\sqrt{3}\sin2B+3(1-\cos2B)=3\sqrt{3}\sin2B-3\cos2B+3\)
\(=6(\cfrac{\sqrt{3}}{2}\sin2B-\cfrac{1}{2}\cos2B)+3=6\sin(2B-\cfrac{\pi}{6})+3\)
由于\(\triangle ABC\)为锐角三角形,所以\(\left\{\begin{array}{l}0<B<\cfrac{\pi}{2}\\ 0<\cfrac{2 \pi}{3}-B<\cfrac{\pi}{2}\end{array}\right.\), 解得\(\cfrac{\pi}{6}<B<\cfrac{\pi}{2}\)
所以\(\cfrac{\pi}{6}<2B-\cfrac{\pi}{6}<\cfrac{5\pi}{6}\),\(\cfrac{1}{2}<\sin(2B-\cfrac{\pi}{6})\leqslant 1\),
故\(6<6\sin(2B-\cfrac{\pi}{6})+3\leqslant 9\),即\(6<bc\leqslant9\)
又由于\(S_{\triangle_{ABC}}=\cfrac{1}{2}bc\sin A=\cfrac{\sqrt{3}}{4}bc\)
故\(\cfrac{3\sqrt{3}}{2}<\cfrac{\sqrt{3}}{4}bc\leqslant \cfrac{9\sqrt{3}}{4}\)
所以, \(\triangle ABC\)面积的取值范围为\((\cfrac{3\sqrt{3}}{2}, \cfrac{9\sqrt{3}}{4}]\).
分析:本题先将\(\cfrac{c}{b}=\cfrac{sinC}{sinB}=2cosB\),
接下来的难点是求\(B\)的范围,注意列不等式的角度,锐角三角形的三个角都是锐角,要同时限制
由\(\begin{cases} &0<A<\cfrac{\pi}{2} \\ &0<B<\cfrac{\pi}{2} \\ &0<C<\cfrac{\pi}{2}\end{cases}\)得到,\(\begin{cases} &0<\pi-3B<\cfrac{\pi}{2} \\ &0<B<\cfrac{\pi}{2} \\ &0<2B<\cfrac{\pi}{2}\end{cases}\)
解得\(B\in (\cfrac{\pi}{6},\cfrac{\pi}{4})\),
故\(\cfrac{c}{b}=2cosB \in (\sqrt{2},\sqrt{3})\)。
解: \(\because a=6\),设 \(b=x\),则\(c=2x\),
可得\(: p=\cfrac{1}{2}(a+b+c)=3+\cfrac{3 x}{2}\)
\(\therefore S=\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}=\sqrt{(3+\cfrac{3}{2}x)(\cfrac{3}{2}x-3)(3+\cfrac{1}{2}x)(3-\cfrac{1}{2}x)}\)
\(=\sqrt{[(\cfrac{3}{2}x)^2-3^2][3^2-(\cfrac{1}{2}x)^2]}=\sqrt{(\cfrac{9x^2}{4}-9)(9-\cfrac{x^2}{4})}\)
\(=\sqrt{\cfrac{81x^2}{4}-\cfrac{9x^4}{16}-81+\cfrac{9x^2}{4}}=\sqrt{-\cfrac{9}{16}x^4+\cfrac{90}{4}x^2-81}\)
\(=\sqrt{-\cfrac{9}{16}(x^4-40x^2)-81}=\sqrt{-\cfrac{9}{16}(x^4-40x^2+20^2)-81+\cfrac{9}{16}\times 20^2}\)
\(=\sqrt{225-81-\cfrac{9}{16}(x^4-40x^2+20^2)}\)\(=\sqrt{144-\cfrac{9}{16}(x^{2}-20)^{2}}\)
由三角形的三边关系可知:\(\left\{\begin{array}{l}{x+2x>6}\\{x+6>2x}\\{6+2x>x}\end{array}\right.\),解得:\(2<x<6\)
故当\(x^2=20\),即当\(x=2\sqrt{5}\in (2,6)\)时, \(S_{\triangle ABC}\)取得最大值\(12\) [1]
此时由\(\cfrac{1}{2}\times 2\sqrt{5}\times4\sqrt{5}\sin A=12\),解得:\(\sin A=\cfrac{3}{5}\)
解后反思:①明确海伦公式的作用,已知三边可以求解三角形的面积,或表示了三边,可以表达三角形的面积函数,从而可以求面积的最值;
②注意此题目的运算,有相当的难度,求最值时还涉及到复合函数;
③注意利用三角形的三边关系,求自变量的取值范围的技巧;
①若\(\vec{a}\cdot\vec{b}>0\),则\(\triangle ABC\)为钝角三角形;②若\(\vec{a}\cdot\vec{b}=0\),则\(\triangle ABC\)为直角三角形;
③若\(\vec{a}\cdot\vec{b}=\vec{b}\cdot\vec{c}\),则\(\triangle ABC\)为等腰三角形;④若\(\vec{c}\cdot(\vec{a}+\vec{b}+\vec{c})=0\),则\(\triangle ABC\)为正三角形;
其中真命题的个数为【】
分析:对于①,\(<\vec{a},\vec{b}>=\pi-C\),故由\(\vec{a}\cdot\vec{b}=|\vec{a}||\vec{a}|\cos(\pi-C)>0\),可知\(\cos C<0\),则\(C>\cfrac{\pi}{2}\),故则\(\triangle ABC\)为钝角三角形;故①为真命题;
对于②,若\(\vec{a}\cdot\vec{b}=0\),即\(BC\perp CA\),故\(\triangle ABC\)为直角三角形;故②为真命题;
对于③,若由\(\vec{a}\cdot\vec{b}=\vec{b}\cdot\vec{c}\),约分得到\(\vec{a}=\vec{c}\),从而判断三角形为等腰三角形,这是错误的,错误在判断原因,但判断结果是正确的,属于歪打正着;应该这样求解:先变形为\(\vec{b}(\vec{a}-\vec{c})=0\),则\(\vec{b}\perp (\vec{a}-\vec{c})\),由向量三角形可知,\(\vec{a}-\vec{c}\)所在直线为底边\(AC\)的中垂线,故可知\(AB=CB\),即则\(\triangle ABC\)为等腰三角形;故③为真命题;
对于④,首先的知道\(\vec{a}+\vec{b}+\vec{c}=\vec{0}\),这样\(\vec{c}\cdot \vec{0}=0\),并不能判断\(\triangle ABC\)为正三角形;故④是假命题;
综上所述,选\(C\).
解析 : 由题意知角 \(C\) 最大, \(a^{n}+b^{n}=c^{n}\) \((n \in N^*, n\geqslant3)\),
即 \((\cfrac{a}{c})^{n}+(\cfrac{b}{c})^{n}=1\) \((n \in N^*, n\geqslant3)\),
又 \(c>a\), \(c>b\),故 \(0<\cfrac{a}{c}<1\), \(0<\cfrac{b}{c}<1\),
则有 \((\cfrac{a}{c})^2>(\cfrac{a}{c})^3>(\cfrac{a}{c})^4>(\cfrac{a}{c})^5>\cdots\), \((\cfrac{b}{c})^2>(\cfrac{b}{c})^3>(\cfrac{b}{c})^4>(\cfrac{b}{c})^5>\cdots\),
所以 \((\cfrac{a}{c})^{2}+(\cfrac{b}{c})^{2}>(\cfrac{a}{c})^{n}+(\cfrac{b}{c})^{n}=1\),
即 \(a^{2}+b^{2}>c^{2}\), 所以 \(\cos C=\cfrac{a^{2}+b^{2}-c^{2}}{2ab}\)\(>0\),
所以 \(0<C<\cfrac{\pi}{2}\), 故 \(\triangle ABC\) 为锐角三角形.
(1).求\(A\);
解:由己知\(\sin^{2}A+\cos A=\cfrac{5}{4}\),即\(\cos^{2}A-\cos A+\cfrac{1}{4}=0\)
所以\((\cos B-\cfrac{1}{2})^2=0\),即\(\cos A=\cfrac{1}{2}\),
又由于\(0<A<\pi\),故\(A=\cfrac{\pi}{3}\);
(2).若\(b-c=\cfrac{\sqrt{3}}{3}a\),证明:\(\triangle ABC\)是直角三角形此处既可以考虑用角来证明,由题意\(b\)\(-\)\(c\)\(=\)\(\cfrac{\sqrt{3}}{3}a\)\(>0\)可知,最大角必然是\(B\),即\(B=90^{\circ}\);也可以考虑用边的关系来证明,即证明\(b^2=a^2+c^2\)。\(\;\;\)。
法1: 从角的角度入手分析,比如证明\(B=90^{\circ}\)或\(B=30^{\circ}+60^{\circ}\)等;
由(1)知,\(B+C=\cfrac{2\pi}{3}\),则\(C=\cfrac{2\pi}{3}-B\),
将\(b-c=\cfrac{\sqrt{3}}{3}a\),边化角相比较而言,转化为角的关系,简单清晰,难度是三角变换和解三角形方程。 ,
得到\(\sin B-\sin C=\cfrac{\sqrt{3}}{3}\sin A\),
\(\sin B-\sin(\cfrac{2\pi}{3}-B)=\cfrac{\sqrt{3}}{3}\sin \cfrac{\pi}{3}\),
即\(\sin B-(\sin\cfrac{2\pi}{3}\cdot \cos B-\cos\cfrac{2\pi}{3}\cdot \sin B)=\cfrac{1}{2}\),提醒此处的三角变换极容易出错,切记,切记,平时多练习。
即\(\sin B-\cfrac{\sqrt{3}}{2}\cos B-\cfrac{1}{2}\sin B=\cfrac{1}{2}\)
即\(\cfrac{1}{2}\sin B-\cfrac{\sqrt{3}}{2}\cos B=\cfrac{1}{2}\),
即\(\sin(B-\cfrac{\pi}{3})=\cfrac{1}{2}\),又由于\(-\cfrac{\pi}{3}<B-\cfrac{\pi}{3}<\cfrac{2\pi}{3}\),
故\(B-\cfrac{\pi}{3}=\cfrac{\pi}{6}\),即\(B=\cfrac{\pi}{2}\),
故\(\triangle ABC\)是直角三角形.
法2:从边的角度入手分析,比如证明\(b^2=a^2+c^2\);
由于\(A=\cfrac{\pi}{3}\),\(b-c=\cfrac{\sqrt{3}}{3}a>0\),故\(B\)为最大角,即\(b>c\);
故以下的证明朝\(b^2=a^2+c^2\)方向努力,
由余弦定理得到,\(a^2=b^2+c^2-2bc\cos A=b^2+c^2-bc\)①;
由\(b-c=\cfrac{\sqrt{3}}{3}a\)得到,\(b^2+c^2-2bc=\cfrac{a^2}{3}\)②;
即\(3b^2+3c^2-6bc=a^2\)③;联立①③得到,
\(2b^2+2c^2-5bc=0\),即\(2b^2-5bc+2c^2=0\),即\((b-2c)(2b-c)=0\),
解得\(b=2c\)或\(2b=c\)(舍去),将\(b=2c\)代入\(b-c=\cfrac{\sqrt{3}}{3}a\),
得到\(c=\cfrac{\sqrt{3}}{3}a\),即\(a=\sqrt{3}c\),
故\(c^2+a^2=c^2+3c^2=4c^2=(2c)^2=b^2\),故\(\triangle ABC\)是直角三角形.
相关链接
解三角形章节中的相关内容:判断三角形形状;
对下述题目还可以,整理到圆锥曲线的最值、范围、证明专题中;
设\(x^2=t\),则\(g(t)=144-\cfrac{9}{16}(t-20)^{2}\),是二次函数,图像开口向下,\(g(t)_{max}=g(20)=144\),
而函数\(m=\sqrt{n}\)是单调递增的,故\(\left[\sqrt{144-\cfrac{9}{16}(x^{2}-20)^{2}}\right]_{max}=\sqrt{144}=12\). ↩︎