Треугольник Герона

редактировать

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.

Содержание
  • 1 Свойства
  • 2 Точная формула для всех треугольников Герона
    • 2.1 Второй подход
  • 3 Примеры
  • 4 Равносторонние треугольники
  • 5 Почти равносторонние треугольники Герона
  • 6 См. также
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки
Свойства

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

A = 1 2 (b + d) a {\ displaystyle A = {\ frac {1} {2}} (b + d) a}A = {\ frac {1} {2}} (b + d) a (половина основания, умноженная на высоту).

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:

  • Периметр треугольника Герона всегда является четным числом. Таким образом, каждый треугольник Герона имеет нечетное число сторон четной длины, и каждый примитивный треугольник Герона имеет ровно одну четную сторону.
  • Полупериметр s треугольника Герона со сторонами a, b и c не может быть простым. Это видно из того факта, что s (s − a) (s − b) (s − c) должен быть полным квадратом, и если s - простое число, то один из других членов должен иметь множитель s, но это невозможно, поскольку все эти члены меньше s.
  • Площадь треугольника Герона всегда делится на 6.
  • Все высоты треугольника Герона рациональны. Это видно из того факта, что площадь треугольника составляет половину одной стороны, умноженной на высоту с этой стороны, а треугольник Герона имеет целые стороны и площадь. Некоторые треугольники Герона имеют три нецелочисленных высоты, например острый (15, 34, 35) с площадью 252 и тупой (5, 29, 30) с площадью 72. Любой треугольник Герона с одной или несколькими нецелыми высотами может можно увеличить на коэффициент, равный наименьшему общему кратному знаменателей высот, чтобы получить аналогичный треугольник Герона с тремя целыми высотами.
  • Треугольники Герона, не имеющие целой высоты (неразложимые и непифагоровы) имеют стороны, которые делятся на простые числа вида 4k + 1. Однако у разложимых треугольников Герона должны быть две стороны, которые являются гипотенузами треугольников Пифагора. Следовательно, все треугольники Герона, не являющиеся пифагоровыми, имеют по крайней мере две стороны, которые делятся на простые числа вида 4k + 1. Остались только треугольники Пифагора. Следовательно, у всех треугольников Герона есть хотя бы одна сторона, которая делится на простые числа вида 4k + 1. Наконец, если треугольник Герона имеет только одну сторону, делящуюся на простые числа вида 4k + 1, он должен быть пифагоровым со стороной в качестве гипотенузы, а гипотенуза должна быть делимой на 5.
  • Все внутренние перпендикуляры Биссектрисы треугольника Герона рациональны: для любого треугольника они задаются следующим образом: pa = 2 a A a 2 + b 2 - c 2, {\ displaystyle p_ {a} = {\ tfrac {2aA} { a ^ {2} + b ^ {2} -c ^ {2}}},}{\ displaystyle p_ {a} = {\ tfrac {2aA} {a ^ {2} + b ^ {2} -c ^ {2} }},} pb = 2 b A a 2 + b 2 - c 2, {\ displaystyle p_ {b} = {\ tfrac { 2bA} {a ^ {2} + b ^ {2} -c ^ {2}}},}{\ displaystyle p_ {b} = {\ tfrac {2bA} {a ^ {2} + b ^ {2} -c ^ {2}}},} и pc = 2 c A a 2 - b 2 + c 2, {\ displaystyle p_ {c} = {\ tfrac {2cA} {a ^ {2} -b ^ {2} + c ^ {2}}},}{\ displaystyle p_ {c} = {\ tfrac {2cA} {a ^ {2} -b ^ {2} + c ^ {2}}},} где стороны имеют вид a ≥ b ≥ c и площадь - А; в треугольнике Герона все a, b, c и A являются целыми числами.
  • Не бывает равносторонних треугольников Герона.
  • Нет треугольников Герона с длиной стороны 1 или 2.
  • Существует бесконечное количество примитивных треугольников Герона с длиной одной стороны, равной a, при условии, что a>2.
  • Не существует треугольников Герона, стороны которых образуют геометрическую прогрессию..
  • Если любые две стороны (но не три) треугольника Герона имеют общий множитель, этот множитель должен быть суммой двух квадратов.
  • Каждый угол треугольника Герона имеет рациональный синус. Это следует из формулы площади Area = (1/2) ab sin C, в которой площадь и стороны a и b являются целыми числами, и, что эквивалентно, для других углов.
  • Каждый угол треугольника Герона имеет рациональный косинус. Это следует из закона косинусов, c = a + b - 2ab cos C, в котором стороны a, b и c являются целыми числами, и, что эквивалентно, для других углов.
  • Поскольку все треугольники Герона имеют рациональные синусы и косинусы углов, это означает, что каждый наклонный угол треугольника Герона имеет рациональную касательную, котангенс, секанс и косеканс. Кроме того, половина каждого угла имеет рациональную касательную, потому что tan C / 2 = sin C / (1 + cos C), и, что эквивалентно, для других углов.
  • Не существует треугольников Герона, три внутренних угла которых образуют арифметическое прогрессия. Это связано с тем, что все плоские треугольники с углами в арифметической прогрессии должны иметь один угол 60 °, который не имеет рационального синуса.
  • Любой квадрат, вписанный в треугольник Герона, имеет рациональные стороны: для общего треугольника вписанный квадрат на стороне длины a имеет длину 2 A aa 2 + 2 A {\ displaystyle {\ tfrac {2Aa} {a ^ {2} + 2A}}}{\ displaystyle {\ tfrac {2Aa} {a ^ {2} + 2A}}} где A - площадь треугольника; в треугольнике Герона как A, так и a являются целыми числами.
  • Каждый треугольник Герона имеет рациональный inradius (радиус вписанной окружности): для общего треугольника inradius - это отношение площадь до половины периметра, и оба из них рациональны в треугольнике Герона.
  • Каждый треугольник Герона имеет рациональный описанный радиус (радиус его описанной окружности): для общего треугольника радиус описанной окружности равен одной четвертой произведению сторон, разделенных на площадь; в треугольнике Герона стороны и площадь являются целыми числами.
  • В треугольнике Герона расстояние от центроида до каждой стороны является рациональным, поскольку для всех треугольников это расстояние равно удвоенному отношению площадь в три раза больше длины стороны. Это можно обобщить, заявив, что все центры, связанные с треугольниками Герона, барицентрические координаты которых являются рациональными соотношениями, имеют рациональное расстояние до каждой стороны. Эти центры включают в себя центр окружности, ортоцентр, центр по девяти точкам, симедианную точку, точку Жергонна и Точка Нагеля.
  • Все треугольники Герона могут быть помещены в решетку с каждой вершиной в точке решетки.
Точная формула для всех треугольников Герона

Индийский математик Брахмагупта ( 598–668 нашей эры) получил параметрическое решение, такое что каждый треугольник Герона имеет стороны, пропорциональные:

a = n (m 2 + k 2) {\ displaystyle a = n (m ^ {2} + k ^ {2})}{\ displaystyle a = n (m ^ {2} + k ^ {2})}
b = m (n 2 + k 2) {\ displaystyle b = m (n ^ {2} + k ^ {2})}{\ displaystyle b = m (n ^ {2} + k ^ {2})}
c = (m + n) (mn - k 2) {\ displaystyle c = (m + n) (mn-k ^ {2})}{\ displaystyle c = (m + n) (mn-k ^ {2})}
Полупериметр = s = (a + b + c) / 2 = mn (m + n) {\ displaystyle {\ text {Полупериметр}} = s = (a + b + c) / 2 = mn (m + n)}{\ displaystyle {\ текст {Полупериметр}} = s = (a + b + c) / 2 = mn (m + n)}
Площадь = mnk (m + n) (mn - k 2) {\ displaystyle {\ text {Area} } = mnk (m + n) (mn-k ^ {2})}{\ displaystyle {\ text {Area}} = mnk (m + n) (mn-k ^ {2})}
Inradius = k (mn - k 2) {\ displaystyle {\ text {Inradius}} = k (mn-k ^ {2}))}{\ displaystyle {\ text {Inradius}} = k (mn-k ^ { 2})}
s - a = n (mn - k 2) {\ displaystyle sa = n (mn-k ^ {2})}{\ displaystyle sa = n (mn-k ^ {2})}
s - b знак равно m (mn - k 2) {\ displaystyle sb = m (mn-k ^ {2})}{\ displaystyle sb = m (mn-k ^ {2})}
s - c = (m + n) k 2 {\ displaystyle sc = ( m + n) k ^ {2}}{\ displaystyle sc = (m + n) k ^ {2}}

для целых чисел m, n и k, где:

gcd (m, n, k) = 1 {\ displaystyle \ gcd {(m, n, k)} = 1}{\ displaystyle \ gcd {(m, n, k)} = 1}
mn>k 2 ≥ 1 {\ displaystyle mn>k ^ {2} \ geq 1}{\displaystyle mn>k ^ {2} \ geq 1}
m ≥ n ≥ 1 {\ displaystyle m \ geq n \ geq 1}{\ displaystyle m \ geq n \ geq 1} .

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

a = 25 n 2 + 5 n - 5 = 5 (5 n 2 + n - 1), {\ displaystyle a = 25n ^ {2} + 5n-5 = 5 (5n ^ {2} + n-1),}{\ displaystyle a = 25n ^ {2} + 5n-5 = 5 (5n ^ {2} + n-1),}
b = 25 n 3–5 n 2–7 n + 3 = (5 n + 3) (5 n 2–4 n + 1), {\ displaystyle b = 25n ^ {3} -5n ^ {2} -7n + 3 = (5n + 3) (5n ^ {2} -4n + 1),}{\ displaystyle b = 25n ^ {3} -5n ^ {2} -7n + 3 = (5n + 3) ( 5n ^ {2} -4n + 1),}
c = 25 n 3 + 20 n 2 - 2 n - 4 = (5 n - 2) (5 n 2 + 6 n + 2), {\ displaystyle c = 25n ^ {3} + 20n ^ {2} -2n-4 = (5n -2) (5n ^ {2} + 6n + 2),}{\ displaystyle c = 25n ^ {3} + 20n ^ {2 } -2n-4 = (5n-2) (5n ^ {2} + 6n + 2),}
A = (5 n - 2) (5 n + 3) (5 n 2 + n - 1), {\ displaystyle A = (5n -2) (5n + 3) (5n ^ {2} + n-1),}{\ displaystyle A = (5n-2) (5n + 3) (5n ^ {2} + n-1),}
r = 5 n - 2, {\ displaystyle r = 5n-2,}{\ displaystyle r = 5n-2,}
ra = 5 n + 3, {\ displaystyle r_ {a} = 5n + 3,}{\ displaystyle r_ {a} = 5n + 3,}
rb = 5 n 2 + n - 1, {\ displaystyle r_ {b} = 5n ^ {2} + n-1,}{\ displaystyle r_ {b} = 5n ^ {2} + n-1,}
rc = A = (5 n - 2) (5 n + 3) (5 n 2 + n - 1). {\ displaystyle r_ {c} = A = (5n-2) (5n + 3) (5n ^ {2} + n-1).}{\ displaystyle r_ {c} = A = (5n-2) (5n + 3) (5n ^ {2} + n-1).}

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.

Второй подход

Треугольник с обозначенными длинами сторон и внутренними углами. Заглавные A, B и C - это углы, а строчные буквы a, b и c - противоположные им стороны.

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

t = tan ⁡ (C / 2) = cot ⁡ (90 ∘ - C / 2) = детская кроватка ⁡ (A / 2 + B / 2) = 1 - загар ⁡ (A / 2) загар ⁡ (B / 2) загар ⁡ (A / 2) + загар ⁡ (B / 2) = 1 - rsr + с. {\ displaystyle t = \ tan (C / 2) = \ cot (90 ^ {\ circ} -C / 2) = \ cot (A / 2 + B / 2) = {\ frac {1- \ tan (A / 2) \ tan (B / 2)} {\ tan (A / 2) + \ tan (B / 2)}} = {\ frac {1-rs} {r + s}} \,.}{\ displaystyle t = \ tan (C / 2) = \ cot (90 ^ {\ circ} -C / 2) = \ cot (A / 2 + B / 2) = {\ frac {1- \ tan (A / 2) \ tan (B / 2)} {\ tan (A / 2) + \ tan (B / 2)}} = {\ frac {1-rs} {r + s}} \,.}

Мы можем вычислить синус любого угла по формуле sin ⁡ θ = 2 tan ⁡ (θ / 2) 1 + tan 2 ⁡ (θ / 2) {\ displaystyle \ sin \ theta = {\ frac {2 \ tan (\ theta / 2)} {1+ \ tan ^ {2} (\ theta / 2)}}}{\ displaystyle \ sin \ theta = {\ frac {2 \ tan (\ theta / 2)} {1+ \ tan ^ {2} (\ theta / 2)}}} . Мы используем Закон синусов, чтобы заключить, что длины сторон пропорциональны синусам внутренних углов:

(a, b, c) ∝ (2 r 1 + r 2, 2 s 1 + s 2, 2 t 1 + t 2). {\ displaystyle (a, b, c) \ propto \ left ({\ frac {2r} {1 + r ^ {2}}}, {\ frac {2s} {1 + s ^ {2}}}, { \ frac {2t} {1 + t ^ {2}}} \ right).}{\ displaystyle (a, b, c) \ propto \ left ({\ frac {2r} {1 + r ^ {2}}}, {\ frac {2s} {1 + s ^ {2}}}, {\ frac {2t} {1 + t ^ { 2}}} \ right).}

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..

Примеры

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.

ПлощадьПериметрдлина стороны b + dдлина стороны eдлина стороны c
612543
1216655
1218855
243215134
303013125
363617109
365426253
424220157
6036131310
604017158
6050241313
606029256
6644201311
726430295
8442151413
8448211710
845625247
847235298
9054251712
9010853514
11476372019
12050171716
12064301717
12080392516
12654212013
12684412815
12610852515
13266302511
15678372615
156104514013
16864252514
16884393510
16898482525
18080373013
1809041409
198132655512
20468262517
21070292120
21070282517
21084392817
21084373512
21014068657
2103001491483
21616280739
234108524115
24090403713
25284353415
25298454013
25214470659
26496443715
264132653433
270108522927
288162806517
300150745125
3002501231225
306108513720
330100443917
330110523325
330132616011
33022010910011
33698414017
336112533524
336128615215
3363921951934
36090362925
360100414118
360162804141
390156756813
396176875534
396198979011
39624212010913

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.

Equable triangles

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).

Почти равносторонние треугольники Герона

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 стороныПлощадьInradius
n - 1nn + 1
34561
131415844
515253117015
1931941951629656
723724725226974209
2701270227033161340780
100831008410085440317862911
37633376343763561328366410864

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:

nt = 4 nt - 1 - nt - 2, {\ displaystyle n_ {t} = 4n_ {t-1} -n_ {t-2} \,,}n_ {t} = 4n _ {{t-1}} - n _ {{t-2}} \,,

где t обозначает любую строку в таблице. Это последовательность Лукаса. В качестве альтернативы формула (2 + 3) t + (2-3) t {\ displaystyle (2 + {\ sqrt {3}}) ^ {t} + (2 - {\ sqrt {3}}) ^ {t}}(2 + {\ sqrt {3}}) ^ {t} + (2 - {\ sqrt {3}}) ^ {t} генерирует все n. Аналогично, пусть A = площадь и y = радиус, тогда

((n - 1) 2 + n 2 + (n + 1) 2) 2-2 ((n - 1) 4 + n 4 + (n + 1) 4) = (6 ny) 2 = (4 A) 2 {\ displaystyle {\ big (} (n-1) ^ {2} + n ^ {2} + (n + 1) ^ {2} {\ big)} ^ {2} -2 {\ big (} (n-1) ^ {4} + n ^ {4} + (n + 1) ^ {4} {\ big)} = (6ny) ^ {2} = (4A) ^ {2}}{\ big (} (n-1) ^ {2} + n ^ {2} + (n + 1) ^ {2} {\ big)} ^ {2} -2 {\ big (} (n-1) ^ {4} + n ^ {4} + (n + 1) ^ {4 } {\ big)} = (6ny) ^ {2} = (4A) ^ {2}

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 n = 2 + 2 k {\ displaystyle n = {\ sqrt {2 + 2k}}}n = {\ sqrt {2 + 2k}} , где k равно 7, 97, 1351, 18817,…. Числа в этой последовательности обладают тем свойством, что k последовательных целых чисел имеют целое стандартное отклонение.

См. Также
Ссылки
Внешние ссылки
Последняя правка сделана 2021-05-23 10:25:43
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте