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Author |
hbghlyj
Posted 2022-12-15 04:02
Mollweide's formula in teaching trigonometry
Mollweide 公式如下:
\begin{eqnarray}
\frac{\sin \frac{1}{2}(\alpha - \beta)}{\cos \frac{1}{2}\gamma} &=& \frac{a - b}{c} \label{1}\\
\frac{\cos \frac{1}{2}(\alpha - \beta)}{\sin \frac{1}{2}\gamma} &=& \frac{a + b}{c}. \label{2}
\end{eqnarray}在整篇文章中,采用以下约定。在 $\triangle ABC$, $\alpha = \measuredangle BAC$, $\beta = \measuredangle ABC$ 和 $\gamma = \measuredangle ACB$,因此 $\alpha + \beta + \gamma = \pi$。此外,$a = BC$、$b = AC$ 和 $c = AB$。
式 \eqref{1} 的证明见 1#,下面推导式\eqref{2}。首先,考虑上图中的 $\triangle ABC$。 取角 $C$ 的平分线,将 $\gamma$ 切成两半。构造 $\triangle ABF$ 使得 $CD \perp AF$ 和 $BF \perp AF$。因此,$\triangle ACE$ 是一个等腰三角形,其中 $E$ 是边 $BC$ 和 $AF$ 的交点。因此,$2\measuredangle CAD + \gamma = \pi = \alpha + \beta + \gamma$ 因此 $\measuredangle CAD = (\alpha + \beta)/2 = \measuredangle CED$。此外,$\measuredangle BAD + \measuredangle CAD = \alpha$,所以 $\measuredangle BAD = (\alpha - \beta)/2$。考虑直角三角形 $BEF$。我们有 $\measuredangle BEF = \measuredangle CED$ 因为它们与顶点 $E$ 相对。所以,$\measuredangle EBF = \pi/2 - (\alpha + \beta)/2 = \gamma/2$。
考虑 $\triangle ABF$,我们知道
\begin{equation}
\cos \frac{1}{2}(\alpha - \beta) = \frac{AF}{AB} = \frac{AF}{c}. \label{3}
\end{equation}
此外,分别考虑 $\triangle ACD$、$\triangle DCE$ 和 $\triangle EBF$。我们现在有以下关系:
\begin{align*}
\sin \frac{1}{2} \gamma &= \frac{AD}{AC} = \frac{AD}{b} &\Longrightarrow& &AD& = b \sin \frac{1}{2} \gamma \\
&= \frac{DE}{CE} = \frac{DE}{b} &\Longrightarrow& &DE& = b \sin \frac{1}{2} \gamma \\
&= \frac{EF}{BE} = \frac{EF}{a - b} &\Longrightarrow& &EF& = (a - b) \sin \frac{1}{2} \gamma.
\end{align*}
此外,$AF = AD + DE + EF = (a + b) \sin \frac{1}{2} \gamma$。将其代入 \eqref{3},得到式 \eqref{2}。
根据对称性,我们将 Mollweide 公式 \eqref{1} 和 \eqref{2} 表示如下:
\begin{eqnarray}
\frac{\sin \frac{1}{2}(\alpha - \beta)}{\cos \frac{1}{2}\gamma} = \frac{a - b}{c} &\qquad&
\frac{\sin \frac{1}{2}(\beta - \gamma)}{\cos \frac{1}{2}\alpha} = \frac{b - c}{a} \qquad \quad
\frac{\sin \frac{1}{2}(\gamma - \alpha)}{\cos \frac{1}{2}\beta} = \frac{c - a}{b} \\
\frac{\cos \frac{1}{2}(\alpha - \beta)}{\sin \frac{1}{2}\gamma} = \frac{a + b}{c} &\qquad&
\frac{\cos \frac{1}{2}(\beta - \gamma)}{\sin \frac{1}{2}\alpha} = \frac{b + c}{a} \qquad \quad
\frac{\cos \frac{1}{2}(\gamma - \alpha)}{\sin \frac{1}{2}\beta} = \frac{c + a}{b}.
\end{eqnarray} |
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