В геометрии треугольник Герона является треугольником с длинами сторон и областью, которые все являются целыми числами. Геронские треугольники названы в честь героя Александрии. Этот термин иногда применяется более широко к треугольникам, все стороны и площадь которых являются рациональными числами, поскольку можно изменить масштаб сторон на общее кратное, чтобы получить треугольник, который является треугольником Герона в указанном выше смысле.
Любой прямоугольный треугольник, стороны которого равны тройке Пифагора, является треугольником Герона, как и длины сторон таких треугольник - это целые числа, и его площадь также является целым числом, равным половине произведения двух более коротких сторон треугольника, по крайней мере одна из которых должна быть четной.
Треугольник со сторонами c, e и b + d и высотой a.Примером непрямоугольного треугольника Герона является равнобедренный треугольник со сторонами 5, 5, и 6, площадь которого равна 12. Этот треугольник получается путем соединения двух копий прямоугольного треугольника со сторонами 3, 4 и 5 по сторонам длины 4. Этот подход в целом работает, как показано на рисунке рядом. Один берет тройку Пифагора (a, b, c), где c является наибольшим, затем другой (a, d, e), где e является наибольшим, строит треугольники с этими длинами сторон и соединяет их вместе по сторонам длины. a, чтобы получить треугольник с целыми длинами сторон c, e и b + d и площадью
Если a четно, то площадь A является целым числом. Менее очевидно то, что если a нечетное, то A по-прежнему является целым числом, так как b и d оба должны быть четными, что делает b + d четным.
Некоторые треугольники Герона не могут быть получены путем соединения вместе двух прямоугольных треугольников с целыми сторонами, как описано выше. Например, треугольник Герона 5, 29, 30 с площадью 72 не может быть построен из двух целочисленных треугольников Пифагора, поскольку ни одна из его высот не является целым числом. Также никакой примитивный треугольник Пифагора не может быть построен из двух меньших целочисленных треугольников Пифагора. Такие треугольники Герона известны как неразложимые . Однако, если разрешить пифагоровы тройки с рациональными значениями, не обязательно целыми числами, тогда всегда существует разложение на прямоугольные треугольники с рациональными сторонами, потому что каждая высота треугольника Герона рациональна (поскольку она равна удвоенной площади целого числа, деленной на основание целого числа). Таким образом, треугольник Герона со сторонами 5, 29, 30 может быть построен из рациональных треугольников Пифагора со сторонами 7/5, 24/5, 5 и 143/5, 24/5, 29. Обратите внимание, что тройка Пифагора с рациональными значениями просто масштабированная версия тройки с целыми значениями.
Другие свойства треугольников Герона следующие:
Индийский математик Брахмагупта ( 598–668 нашей эры) получил параметрическое решение, такое что каждый треугольник Герона имеет стороны, пропорциональные:
для целых чисел m, n и k, где:
Коэффициент пропорциональности обычно является рациональным ⁄ q, где q = gcd (a, b, c) уменьшает сгенерированный треугольник Герона до его примитива, а p увеличивает этот примитив до необходимого размера. Например, если взять m = 36, n = 4 и k = 3, получится треугольник с a = 5220, b = 900 и c = 5400, который похож на треугольник Герона 5, 29, 30, а используемый коэффициент пропорциональности имеет p = 1 и q = 180.
Препятствием для вычислительного использования параметрического решения Брахмагупты является знаменатель q коэффициента пропорциональности. q можно определить только путем вычисления наибольшего общего делителя трех сторон (gcd (a, b, c)) и вносит элемент непредсказуемости в процесс генерации. Самый простой способ создания списков треугольников Герона - это создать все целочисленные треугольники с максимальной длиной стороны и проверить целую площадь.
Более быстрые алгоритмы были получены Курцем (2008).
Существует бесконечно много примитивных и неразложимых непифагорейских треугольников Герона с целыми значениями для радиуса и всех трех exradii, включая те, которые генерируются
Существует бесконечно много треугольников Герона, которые можно разместить на решетке, например что не только вершины находятся в узлах решетки, как это имеет место для всех треугольников Герона, но, кроме того, центры вписанной и вневписанной окружностей находятся в точках решетки.
См. также формулы для треугольников Герона с одним углом, равным к удвоению еще одного, треугольников Герона со сторонами в арифметической прогрессии и равнобедренных треугольников Герона.
Касательная к половине любого внутреннего угла треугольника Герона обязательно рациональна; см. свойства выше. Эти половинные углы положительны, и их сумма составляет 90 ° (π / 2 радиан), потому что внутренние углы (A, B, C) в сумме равны 180 ° (π радиан). Начнем с выбора r = tan (A / 2) и s = tan (B / 2) в качестве любых положительных рациональных чисел, удовлетворяющих rs < 1. The limit of 1 ensures that angle A/2 + B/2 is less than 90° and thus the angle C/2 will be positive. The value t = tan(C/2) will also be a positive rational number because
Мы можем вычислить синус любого угла по формуле . Мы используем Закон синусов, чтобы заключить, что длины сторон пропорциональны синусам внутренних углов:
Значения a, b и c рациональны, потому что значения r, s и t рациональны. Целочисленные значения для длин сторон могут быть получены путем умножения длин сторон на целое число, которое очищает знаменатели.
Когда также бывает, что r, s или t равны 1, тогда соответствующий внутренний угол будет прямым углом, и три стороны также будут определять тройку Пифагора..
Список примитивных целочисленных треугольников Герона, отсортированных по площади и, если это то же самое, по периметру , начинается, как в следующей таблице. «Примитив» означает, что наибольший общий делитель трех длин сторон равен 1.
Площадь | Периметр | длина стороны b + d | длина стороны e | длина стороны c |
---|---|---|---|---|
6 | 12 | 5 | 4 | 3 |
12 | 16 | 6 | 5 | 5 |
12 | 18 | 8 | 5 | 5 |
24 | 32 | 15 | 13 | 4 |
30 | 30 | 13 | 12 | 5 |
36 | 36 | 17 | 10 | 9 |
36 | 54 | 26 | 25 | 3 |
42 | 42 | 20 | 15 | 7 |
60 | 36 | 13 | 13 | 10 |
60 | 40 | 17 | 15 | 8 |
60 | 50 | 24 | 13 | 13 |
60 | 60 | 29 | 25 | 6 |
66 | 44 | 20 | 13 | 11 |
72 | 64 | 30 | 29 | 5 |
84 | 42 | 15 | 14 | 13 |
84 | 48 | 21 | 17 | 10 |
84 | 56 | 25 | 24 | 7 |
84 | 72 | 35 | 29 | 8 |
90 | 54 | 25 | 17 | 12 |
90 | 108 | 53 | 51 | 4 |
114 | 76 | 37 | 20 | 19 |
120 | 50 | 17 | 17 | 16 |
120 | 64 | 30 | 17 | 17 |
120 | 80 | 39 | 25 | 16 |
126 | 54 | 21 | 20 | 13 |
126 | 84 | 41 | 28 | 15 |
126 | 108 | 52 | 51 | 5 |
132 | 66 | 30 | 25 | 11 |
156 | 78 | 37 | 26 | 15 |
156 | 104 | 51 | 40 | 13 |
168 | 64 | 25 | 25 | 14 |
168 | 84 | 39 | 35 | 10 |
168 | 98 | 48 | 25 | 25 |
180 | 80 | 37 | 30 | 13 |
180 | 90 | 41 | 40 | 9 |
198 | 132 | 65 | 55 | 12 |
204 | 68 | 26 | 25 | 17 |
210 | 70 | 29 | 21 | 20 |
210 | 70 | 28 | 25 | 17 |
210 | 84 | 39 | 28 | 17 |
210 | 84 | 37 | 35 | 12 |
210 | 140 | 68 | 65 | 7 |
210 | 300 | 149 | 148 | 3 |
216 | 162 | 80 | 73 | 9 |
234 | 108 | 52 | 41 | 15 |
240 | 90 | 40 | 37 | 13 |
252 | 84 | 35 | 34 | 15 |
252 | 98 | 45 | 40 | 13 |
252 | 144 | 70 | 65 | 9 |
264 | 96 | 44 | 37 | 15 |
264 | 132 | 65 | 34 | 33 |
270 | 108 | 52 | 29 | 27 |
288 | 162 | 80 | 65 | 17 |
300 | 150 | 74 | 51 | 25 |
300 | 250 | 123 | 122 | 5 |
306 | 108 | 51 | 37 | 20 |
330 | 100 | 44 | 39 | 17 |
330 | 110 | 52 | 33 | 25 |
330 | 132 | 61 | 60 | 11 |
330 | 220 | 109 | 100 | 11 |
336 | 98 | 41 | 40 | 17 |
336 | 112 | 53 | 35 | 24 |
336 | 128 | 61 | 52 | 15 |
336 | 392 | 195 | 193 | 4 |
360 | 90 | 36 | 29 | 25 |
360 | 100 | 41 | 41 | 18 |
360 | 162 | 80 | 41 | 41 |
390 | 156 | 75 | 68 | 13 |
396 | 176 | 87 | 55 | 34 |
396 | 198 | 97 | 90 | 11 |
396 | 242 | 120 | 109 | 13 |
Списки примитивных треугольников Герона, стороны которых не превышают 6 000 000 банок. можно найти в «Списки примитивных треугольников Герона». Саша Курц, Байройтский университет, Германия. Проверено 29 марта 2016 г.
Фигура называется equable, если ее площадь равна периметру. Ровных треугольников Герона ровно пять: с длинами сторон (5,12,13), (6,8,10), (6,25,29), (7,15,20) и (9,10, 17).
Поскольку площадь равностороннего треугольника с рациональными сторонами является иррациональным числом, равносторонних треугольник геронский. Однако существует уникальная последовательность треугольников Герона, которые являются «почти равносторонними», поскольку три стороны имеют форму n - 1, n, n + 1. Метод генерации всех решений этой задачи на основе цепных дробей был описан в 1864 году Эдвардом Санг, а в 1880 году Рейнхольд Хоппе дал выражение в закрытой форме для растворов. Первые несколько примеров этих почти равносторонних треугольников перечислены в следующей таблице (последовательность A003500 в OEIS ):
Длина стороны | Площадь | Inradius | ||
---|---|---|---|---|
n - 1 | n | n + 1 | ||
3 | 4 | 5 | 6 | 1 |
13 | 14 | 15 | 84 | 4 |
51 | 52 | 53 | 1170 | 15 |
193 | 194 | 195 | 16296 | 56 |
723 | 724 | 725 | 226974 | 209 |
2701 | 2702 | 2703 | 3161340 | 780 |
10083 | 10084 | 10085 | 44031786 | 2911 |
37633 | 37634 | 37635 | 613283664 | 10864 |
Последующие значения n можно найти, умножив предыдущее значение на 4, затем вычитая предыдущее значение (52 = 4 × 14 - 4, 194 = 4 × 52 - 14 и т. д.), таким образом:
где t обозначает любую строку в таблице. Это последовательность Лукаса. В качестве альтернативы формула генерирует все n. Аналогично, пусть A = площадь и y = радиус, тогда
где {n, y} - решения n - 12y = 4. Небольшое преобразование n = 2x дает обычное уравнение Пелла x - 3y = 1, решения которого затем могут быть получены из разложения регулярной цепной дроби для √3.
Переменная n имеет вид , где k равно 7, 97, 1351, 18817,…. Числа в этой последовательности обладают тем свойством, что k последовательных целых чисел имеют целое стандартное отклонение.