浙大版《C语言程序设计(第3版)》题目集 习题3-5 三角形判断 (15 分)

习题3-5 三角形判断 (15 分)

给定平面上任意三个点的坐标(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3),检验它们能否构成三角形。1​​,y1​​)、(x2​​,y2​​)、(x3​​,y3​​),检验它们能否构成三角形

输入格式:

输入在一行中顺序给出六个[100,100]范围内的数字,即三个点的坐标x1、y1、x2、y2、x3、y3。(。x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)1​​、y1​​、x2​​、y2​​、x3​​、y3​​。

输出格式:

若这3个点不能构成三角形,则在一行中输出“Impossible”;若可以,则在一行中输出该三角形的周长和面积,格式为“L = 周长, A = 面积”,输出到小数点后2位。

输入样例1:

4 5 6 9 7 8

输出样例1:

L = 10.13, A = 3.00

输入样例2:

4 6 8 12 12 18

输出样例2:

Impossible


思路:先用两点间距离公式求出三边边长。(d=√[(x₂ - x₁)²+(y₂ - y₁)²])
   再用海伦公式判断是否能组成三角形,并求出面积。
  
代码如下:
#include<stdio.h>
#include<math.h>
int main()
{
    double x1 ,x2, x3, y1, y2, y3, a, b, c, L, A, s, delta;
	
    scanf("%lf%lf%lf%lf%lf%lf",&x1,&y1,&x2,&y2,&x3,&y3);
    a=sqrt(pow(x1-x2,2)+pow(y1-y2,2));//两点间距离公式,下同。
    b=sqrt(pow(x2-x3,2)+pow(y2-y3,2));
    c=sqrt(pow(x1-x3,2)+pow(y1-y3,2));
    s=(a+b+c)/2;
    delta=(s-a)*(s-b)*(s-c);//用delta判别是否能成为三角形
    if(delta<=0) 
    printf("Impossible\n"); else {     L=2*s;     A=sqrt(s*delta);     printf("L = %.2lf, A = %.2lf\n",L,A); } return 0; }
 
  

 科普:海伦-秦九韶公式

    希羅公式Heron's formulaHero's formula),又译希罗公式希伦公式海龙公式,亦称“海伦-秦九韶公式”。此公式是亚历山大港的海伦发现的,并可在其于公元60年的《Metrica》中找到其证明,利用三角形的三条边长来求取三角形面积。亦有认为早于阿基米德已经懂得这条公式,而由于《Metrica》是一部古代数学知识的结集,该公式的发现时期很有可能先于海伦的著作。

    假设有一个三角形,边长分别为a,b,c,三角形的面积A可由以下公式求得:A={\sqrt  {s(s-a)(s-b)(s-c)}},其中s={\frac {a+b+c}{2}}。中国南宋末年数学家秦九韶发现或知道等价的公式,其著作《数书九章》卷五第二题即三斜求积。“问沙田一段,有三斜,其小斜一十三里,中斜一十四里,大斜一十五里,里法三百步,欲知为田几何?”答曰:“三百十五顷.”其术文是:“以小斜幂并大斜幂,减中斜幂,余半之,自乘于上;以小斜幂乘大斜幂,减上,余四约之为实,……开平方得积。”若以大斜记为a,中斜记为b,小斜记为c,秦九韶的方法相当于下面的一般公式:

                          A={\sqrt  {{\frac  1{4}}\left[a^{2}c^{2}-\left({\frac  {a^{2}+c^{2}-b^{2}}{2}}\right)^{2}\right]}},其中a\geq b\geq c

像其他中国古代的数学家一样,他的方法没有证明。根据现代数学家吴文俊的研究,秦九韶公式可由出入相补原理得出。一些中国学者将这个公式称为秦九韶公式

由于任何n边的多边形都可以分割成n-2个三角形,所以海伦公式可以用作求多边形面积的公式。比如说测量土地的面积的时候,不用测三角形的高,只需测两点间的距离,就可以方便地导出答案。

各种证明如下:

利用三角公式和代数式变形来证明

与海伦在他的著作《Metrica》中的原始证明不同,在此我们用三角公式和公式变形来证明。设三角形的三边a,b,c的对角分别为A,B,C,则余弦定理

                                  \cos C = \frac{a^2+b^2-c^2}{2ab}

利用和平方、差平方、平方差等公式,从而有

{\displaystyle {\begin{aligned}\sin C&={\sqrt {1-\cos ^{2}C}}\\&={\sqrt {(1+\cos C)(1-\cos C)}}\\&={\sqrt {\left(1+{\frac {a^{2}+b^{2}-c^{2}}{2ab}}\right)\left(1-{\frac {a^{2}+b^{2}-c^{2}}{2ab}}\right)}}\\&={\sqrt {\left[{\frac {(a+b)^{2}-c^{2}}{2ab}}\right]\left[{\frac {c^{2}-(a-b)^{2}}{2ab}}\right]}}\\&={\frac {\sqrt {(a+b+c)(a+b-c)(c+a-b)(c-a+b)}}{2ab}}\\&={\frac {\sqrt {(2s)(2s-2c)(2s-2b)(2s-2a)}}{2ab}}\\&={\frac {2}{ab}}{\sqrt {s(s-c)(s-b)(s-a)}}\end{aligned}}}

\begin{align}
A & = \frac{1}{2}ab \sin C \\
& = \frac{ab}{2} \cdot \frac{2}{ab} \sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)} \\
& = \sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}
\end{align}

利用勾股定理和代数式变形来证明

Triangle with notations 3.svg
b^2=h^2+d^2
a^2=h^2+(c-d)^2
a^2-b^2=c^2-2cd
d=\frac{-a^2+b^2+c^2}{2c}

\begin{align}
h^2 & = b^2-\left(\frac{-a^2+b^2+c^2}{2c}\right)^2\\
& = \frac{(2bc-a^2+b^2+c^2)(2bc+a^2-b^2-c^2)}{4c^2}\\
& = \frac{((b+c)^2-a^2)(a^2-(b-c)^2)}{4c^2}\\
& = \frac{(b+c-a)(b+c+a)(a+b-c)(a-b+c)}{4c^2}\\
& = \frac{2(s-a)\cdot 2s\cdot 2(s-c)\cdot 2(s-b)}{4c^2}\\
& = \frac{4s(s-a)(s-b)(s-c)}{c^2}
\end{align}

\begin{align}
A & = \frac{ch}{2}\\
& = \sqrt{\frac{c^2}{4}\cdot \frac{4s(s-a)(s-b)(s-c)}{c^2}}\\
& = \sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}
\end{align}
Heron formula.PNG

用旁心来证明

{\displaystyle \bigtriangleup ABC}中,{\displaystyle {\overline {AB}}=c,{\overline {BC}}=a,{\overline {CA}}=b}

I为内心,{\displaystyle I_{a},I_{b},I_{c}}为三旁切圆。

{\displaystyle \because \angle I_{a}BI=\angle I_{a}CI=90^{\mathsf {o}}}

{\displaystyle \therefore I_{a}CIB}四点共圆,并设此圆为圆O

  1. I做铅直线交{\displaystyle {\overline {BC}}}P,再延长{\displaystyle {\overleftrightarrow {IP}}},使之与圆O交于Q点。再过{\displaystyle I_{a}}做铅直线交\overline {BC}R点。
  2. 先证明{\displaystyle \Box I_{a}QPR}为矩形,{\displaystyle \because \angle QPR=90^{\mathsf {o}},\angle I_{a}RP=90^{\mathsf {o}}},又{\displaystyle \angle I_{a}QI=\angle I_{a}BI=90^{\mathsf {o}}}(圆周角相等)。{\displaystyle \therefore \Box I_{a}QPR}为矩形。因此,{\displaystyle {\overline {I_{a}R}}={\overline {QP}}}
  3. {\displaystyle {\overline {PI}}=}内切圆半径{\displaystyle ={\frac {\bigtriangleup }{\frac {a+b+c}{2}}}}{\displaystyle {\overline {I_{a}R}}=}旁切圆半径{\displaystyle ={\frac {\bigtriangleup }{\frac {b+c-a}{2}}}}。且易知{\displaystyle {\overline {BP}}={\frac {c+a-b}{2}},{\overline {PC}}={\frac {a+b-c}{2}}}。由圆幂性质得到:{\displaystyle {\overline {PC}}\times {\overline {PB}}={\overline {PQ}}\times {\overline {PI}}={\overline {I_{a}R}}\times {\overline {PI}}}。故{\displaystyle {\frac {a+b-c}{2}}\times {\frac {c+a-b}{2}}={\frac {\bigtriangleup }{\frac {a+b+c}{2}}}\times {\frac {\bigtriangleup }{\frac {b+c-a}{2}}}}{\displaystyle \Rightarrow \bigtriangleup ={\sqrt {{\frac {a+b+c}{2}}\times {\frac {b+c-a}{2}}\times {\frac {a+c-b}{2}}\times {\frac {a+b-c}{2}}}}}

来源:维基百科-海伦-秦九韶公式(https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B5%B7%E4%BC%A6%E5%85%AC%E5%BC%8F)

 

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