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三角形の座標を求めてみた

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中学生の数学です。三角形は以下の3つの条件で一意に決まります。

1. 三辺の長さ
2. 二辺の長さとその間の角度
3. 一辺の長さとその両端の角度

それぞれの場合の三角形の座標出してプログラムで描画します。ついでに面積を出してみます。但し、余弦定理は使わないことにします。(何となく頭の体操です。)

三辺の長さが同じ

三角形、ABC において、以図のようにそれぞれの辺の長さをa, b, c と定義します。点Aを原点(0,0) に置きます。点Bの座標は (c,0)です。

三角形.jpg

点Cの座標を(x,y) とすると、a, b の長さがわかっていますので、点Cは点Aから距離bの円の上に、点Cは点Cから距離aの円の上にあります。よって、以下の式が成り立ちます。

$$x^2 + y^2 = b^2 \tag{1}$$$$(x-c)^2 + y^2 = a^2 \tag{2}$$

(1)から

$$y^2 = b^2 - x^2\tag{3}$$

(2)式に代入して、

$$(x-c)^2 + b^2 - x^2 = a^2$$

よって、

$$x = \frac{c^2+b^2-a^2}{2c}\tag{4}$$

(3)式に代入して

$$y^2 = b^2-(\frac{c^2+b^2-a^2}{2c})^2$$$$
y^2 = [b-(\frac{c^2+b^2-a^2}{2c})] \;\; [b+(\frac{c^2+b^2-a^2}{2c})]$$$$
y^2 = - \frac{((b-c)^2-a^2)\;((b+c)^2-a^2)}{4c^2}$$

$$\therefore
y = \pm \frac{\sqrt{-((b-c)^2-a^2)\;((b+c)^2-a^2)}}{2c}\tag{5}$$

面積Sは、(5)式のうち正の値に底辺の長さ c を乗じて 1/2 にすればよいので

$$ S=\frac{\sqrt{-((b-c)^2-a^2)\;((b+c)^2-a^2)}}{4} \tag{6}$$

となります。(もっときれいになるのかなー)

二辺の長さとその間の角度

三角形、ABC において、以図のようにそれぞれの辺の長さをb, c、その間の角度をθと定義します。点Aを原点(0,0) に置きます。点Bの座標は (c,0)です。

三角形2.jpg

点Cの座標を(x,y) とすると、点Cの座標(x, y)は

$$ (x, y) = (b\;cos(\theta), b\;sin(\theta)) \tag{7}$$

面積 S は

$$ S = \frac{c\;b\;sin(\theta)}{2} \tag{8}$$

一辺の長さとその両端の角度

三角形、ABC において、以図のように底辺の長さをc、その間の両端の角度をθ、φと定義します。点Aを原点(0,0) に置きます。点Bの座標は (c,0)です。

三角形3.jpg

点Cの座標を(x,y) とすると、点Cの座標(x, y)は以下の2式の交点となります。

$$ y = tan(\theta)\;x \tag{8}$$$$
y = - tan(\phi)\;(x-c) \tag{9}$$

(8)式、(9)式より

$$
tan(\theta)\;x = - tan(\phi)\;(x-c)
$$$$\therefore
x= \frac{c\;tan(\phi)}{tan(\theta)+tan(\phi)} \tag{10}
$$

(10)式を(8)式に代入
$$y = \frac{c\;tan(\theta)tan(\phi)}{tan(\theta)+tan(\phi)} \tag{11} $$

面積 Sは

$$ S = \frac{c^2\;tan(\theta)tan(\phi)}{2(tan(\theta)+tan(\phi))} \tag{12}$$

となります。

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