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6.1 The Cosine Rule

余弦定理 - 三角形中边长与角度关系的计算方法详解

本节核心公式

余弦定理有两种核心形式,用于解决三角形中未知边未知角的问题:

1. 求未知边(已知两边及夹角)

若已知三角形的两边 \( b \)、\( c \),以及它们的夹角 \( A \),则对边 \( a \) 的长度满足:

\[ a^2 = b^2 + c^2 - 2bc \cos A \]

(其中 \( a \) 是角 \( A \) 所对的边,字母可根据"边与对角同名"的规则替换。)

2. 求未知角(已知三边)

若已知三角形的三边 \( a \)、\( b \)、\( c \),则角 \( A \)(对边为 \( a \))的余弦值满足:

\[ \cos A = \frac{b^2 + c^2 - a^2}{2bc} \]

(同样,字母可根据"边与对角同名"的规则替换,用于求任意角。)

题目中的运用方法

1. 求边的步骤

  1. 第一步:确定已知的两边和它们的夹角,并给三角形的边、角标上对应字母(保证"边与对角同名",如角 \( C \) 对边 \( c \))。
  2. 第二步:代入"求边公式" \( a^2 = b^2 + c^2 - 2bc \cos A \),计算出未知边的平方。
  3. 第三步:对结果开平方,得到未知边的长度(注意结果保留合适的有效数字)。

2. 求角的步骤

  1. 第一步:确定已知的三边,并给三角形的边、角标上对应字母(保证"边与对角同名")。
  2. 第二步:代入"求角公式" \( \cos A = \frac{b^2 + c^2 - a^2}{2bc} \),计算出角的余弦值。
  3. 第三步:用反余弦函数(\( \arccos \))求出角的大小(注意角度的取值范围是 \( 0^\circ \sim 180^\circ \))。

可能出现的题型

1. 直接求边长(已知两边及夹角)

如"Example 1":已知三角形的两边长度和它们的夹角,求第三边的长度。

(典型场景:三角形中,\( AC = 6.5\ \text{cm} \),\( BC = 8.7\ \text{cm} \),\( \angle ACB = 100^\circ \),求 \( AB \) 的长。)

2. 直接求角度(已知三边)

如"Example 2":已知三角形的三边长度,求某个角的大小(常考"最小角",因为最小角对最小边,计算时余弦值为正,更易分析)。

(典型场景:三角形三边为 \( 3\ \text{cm} \)、\( 5\ \text{cm} \)、\( 6\ \text{cm} \),求最小角的大小。)

3. 实际应用问题(结合方位、距离等实际场景)

如"Example 3":结合方位角(bearings)或其他实际背景,构造三角形,再用余弦定理求实际距离。

(典型场景:海岸警卫站 \( A \)、\( B \) 的位置关系已知,船 \( C \) 与 \( A \) 的距离和方位已知,求 \( C \) 与 \( B \) 的距离。)

4. 方程类问题(边长含未知数,列方程求解)

如"Example 4":三角形的边长含未知数(如 \( x \)),结合余弦定理列出方程(常为二次方程),求解未知数。

(典型场景:\( AB = x\ \text{cm} \),\( BC = (x + 2)\ \text{cm} \),\( AC = 5\ \text{cm} \),\( \angle ABC = 60^\circ \),求 \( x \) 的值。)

注意事项

  • 使用余弦定理时,必须确保正确识别"边与对角同名"的关系
  • 求边时,记得开平方;求角时,使用反余弦函数
  • 角度的取值范围是 \( 0^\circ \sim 180^\circ \),注意三角形的几何性质
  • 计算时注意有效数字的保留和单位的一致性
  • 当角度为90°时,余弦定理退化为勾股定理