一个被忽视的强大解题策略
问题呈现:在直角三角形中,其中一个锐角为β,其面积为12,(1)求该三角形外接圆的面积;
(2)当β取何值时,外接圆的面积达到最小值?
要解决这一问题,我们需要运用三角函数的相关公式。正弦和角公式的证明方法多种多样,在深入探讨解题步骤前,我们先介绍一种简洁明了的证明方法。这一证明方法源自张景中先生的数学科普著作。
将任意形状的三角形沿底边上的高进行分割,即可得到两个直角三角形。通过阅读张景中先生的作品,我们了解到,从三角形面积等于两个直角三角形面积之和这一基本事实出发,可以推导出重要的正弦和角公式:sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ
如图所示,在三角形ABC中,角A可能是锐角、直角或钝角,而角α和角β均为锐角。BC为底边,D为垂足。AB=c,AC=b,AD=h。
利用三角形正弦面积公式,我们可以建立面积方程:
通过去分母,并将方程两边乘以2,得到
bcsin(α+β)=chsinα+bhsinβ
接着,用bc除以方程两边,得到
根据正弦函数的定义,我们可以得出
由于sin B=sin(90°-α)=h:c,且sin C=sin(90°-β)=h:b,因此有
sin(α+β)=sinα·sin(90°-β)+sin(90°-α)·sinβ
又因为sin(90°-α)=cosα,sin(90°-β)=cosβ,所以
sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ
课本中关于正弦两角和与差公式的表述:
sin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ
记忆技巧:
异名积,符号同
口诀:sccs(函数名)
这种简洁的证明方法充分展示了面积法的威力,令人印象深刻。
基于正弦和角公式,我们可以轻松推导出二倍角公式:
sin 2α
=sin(α+α)
=sin α∙cos α+cos α∙sin α
=2sin α∙cosα
准备工作已经完成,现在我们可以进入解题环节。
请大家思考如何解答以下问题:
直角三角形中的一个锐角为β,面积是12,(1)求此三角形的外接圆的面积;
(2)当β取何值时,外接圆的面积为最小?
接下来的几张图片中将揭晓答案。
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废话少说,现在开始解题:
如图所示,设直角三角形的斜边为2r,则AC=2rsinβ,BC=2rcosβ,因此
½(2r· cos β·2rsinβ)=12
∴r²sin2β=12
即
若⊙O为其外接圆,则其半径为r。
(1)外接圆面积
(2)当sin2β取最大值1,即2β=½π,β=¼π时,外接圆面积最小。
完成题目后,我们再次回顾,有了新的领悟。本题的第二问问的是当β取何值时,外接圆的面积为最小?由于斜边是直角三角形外接圆的直径,所以这相当于在询问一个直角三角形的面积为常数时,锐角β取何值能使斜边最短?
请参考下图:
比较两个直角三角形(直径所对的圆周角均为直角),它们的斜边相等,但高不相等,因此面积也不相等。若要使直角三角形ABC的两个锐角角度保持不变,同时增加面积至与直角三角形ABD相等,就必须延长斜边。因此,我们可以直观地得出一个结论:在面积一定的直角三角形中,斜边最短的是等腰直角三角形。同理可证,在斜边一定的直角三角形中,等腰直角三角形的面积最大。
继续深入思考,当三角形的面积一定时,什么形状的三角形外接圆面积最小?
通过以上推理可知,当三角形面积为定值时,要让外接圆半径R取最小值,那么abc就必须取最大值。因此,等边三角形的外接圆半径最小。
换句话说,当三角形的周长一定时,等边三角形的面积最大。熟悉等周问题的读者都知道这一结论。