引入

已知两条边和它们的夹角,第三边怎么求?勾股定理只在直角时成立,钝角和锐角怎么办?

为什么余弦定理的公式里会出现 ,而不是 ?

余弦定理和勾股定理,是两条定理还是一条?

勾股定理是余弦定理在 时的特例。把”直角”放松为”任意角”,多出来的修正项就是 。

正文

定义

在 中,角 、、 的对边分别为 、、,则

推导

把 放在直角坐标系中,令 在原点, 在 轴正半轴上,坐标为 。由 单位圆定义的推广, 的坐标为 。

由两点间距离公式:

因为 ,得

与勾股定理的关系

当 时,,公式退化为 。

角 与 的关系三角形形状
锐角锐角三角形
直角直角三角形
钝角钝角三角形

所以余弦定理不只是”求边”的工具,也是判断三角形形状的工具:比较最大边的平方与另两边平方和即可。

适用的两类问题

已知条件求什么用余弦定理的理由
两边及夹角(SAS)第三边直接代入
三边(SSS)各角变形求

变形形式:

为什么余弦定理不会有两解

由 求 时,余弦函数在 上严格单调递减,一个余弦值只对应一个角。所以只要三边满足三角形不等式,解就是唯一的。

这与正弦定理的 SSA 情况形成对比:正弦在 上不单调(先增后减),才会出现两解。

与正弦定理的配合

步骤做法
判断用哪个有夹角或三边用余弦;有两角一边用正弦
混合使用先用余弦求第三边,再用正弦求小角
求角优先顺序优先求较小角,避免钝角歧义

求角时为什么不优先求大角? 因为正弦定理求钝角时, 只返回锐角,需要人为判断补角。而余弦定理对钝角返回负值,自动区分,没有歧义。所以用正弦求角时,先求小角更安全。

常见误区

错误说法问题
”余弦定理只能求边”变形后可求角、判断形状
” 前系数是 “是与该角相邻两边之积的两倍
”三边已知时用正弦定理更快”三边无对角配对,必须用余弦
”余弦定理与勾股定理是两条独立定理”前者包含后者
”用正弦求角不用考虑钝角” 只给锐角,需补角判断

引出

三边满足三角形不等式的条件下,为什么解一定唯一?

余弦定理能否推广到四面体中的二面角?

向量点积与余弦定理是什么关系?