师:同学们好,本节课我们学习初中数学人教版八年级下册第16章的阅读与思考。同学们,你们会求三角形的面积吗?提到求三角形的面积,你们会想到什么呢?
生:三角形的面积公式。
师:没错,如果我们知道一个三角形的一边以及这条边上对应的高,利用三角形面积公式(S = \frac{1}{2}ah),就能求出这个三角形的面积。其实,早在我国古代数学专著《九章算术》中就提到过这个面积公式。但是在实际生活测量中,要测量出三角形的边长,尤其是这条边所对的高,并非易事。所以人们就思考,能不能有其他方法求三角形的面积呢?
我们知道,对于一个三角形,知道它的三条边,这个三角形就确定了。那能不能通过知道三角形的三条边,利用这三条边长来求出三角形的面积呢?中外数学家们都做了一些探索。
这位是古希腊的几何学家海伦,他在数学史上以解决几何测量闻名于世。他在《度量》这本书中,对一个公式予以了证明。他指出,只要知道三角形的三条边,就能求出三角形的面积。这个公式是这样的:如果一个三角形的三边用(a)、(b)、(c)表示,三角形周长的一半用字母(p)表示,那么这个三角形的面积(S = \sqrt{p(p - a)(p - b)(p - c)})。只要知道三角形三边,代入这个公式就能求出面积,我们称这个公式为海伦公式。不过同学们要知道,这个公式虽然是海伦证明的,但其实是由阿基米德提出来的,只是我们习惯上依然把它称为海伦公式。
西方数学家对三角形面积提出了想法,那中国的数学家能不能解决这个问题呢?这位是我国南宋时期的数学家秦九韶,他在1247年所著的《数书九章》中,提出了“三斜求积术”,指出可以用三角形的三条边求出三角形的面积。
什么是“三斜求积术”呢?“三斜”指三角形的三条边,秦九韶把它们分别称为小斜、中斜和大斜,“术”指方法,所以“三斜求积术”就是利用三角形三条边求面积的方法。书中是这样描述的:“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。一为从隅,开平方得积。”这是古文,它是什么含义呢?
我们依次来看,“以小斜幂”,小斜用字母(a)表示,幂是乘方形式,所以“以小斜幂”指(a2);“并大斜幂”,大斜用字母(b)表示,即加上(b2);“减中斜幂”,中斜用字母(c)表示,就是减(c2);“余半之”,指这个结果求一半;“自乘于上”,指这个结果求平方。
接下来,“以小斜幂乘大斜幂”,即(a2)乘以(b2);“减上”,就是用(a2b2)减去刚才括号里的整体;“余四约之”,指得到的结果乘以(\frac{1}{4});“为实,一为从隅,开平方得积”,所以面积就是这个整体开平方。这就是秦九韶给出的“三斜求积术”公式。
同学们,无论是西方的海伦,还是我国南宋的秦九韶,都用三角形三边长求出了三角形面积。这两个公式有联系吗?我们一起来探索。这是秦九韶给出的公式,观察会发现这个公式好像可以化简。这里的被开方数(\frac{1}{4}),可不可以移到中括号里面去呢?利用乘法分配律,可以把(\frac{1}{4})分别与中括号两项相乘。(\frac{1}{4})与(a2b2)相乘,可以写成((\frac{1}{2}ab)2);(\frac{1}{4})移到后面小括号里,小括号外面是平方,所以(\frac{1}{4})移到小括号内要变成(\frac{1}{2}),分母(2)与原来小括号里的分母(2)相乘,就得到(\frac{(a2 + b2 - c2)2}{4})。
到这一步,同学们观察被开方数,有什么想法?这里可不可以看作一个整体的平方减另一个整体的平方?会想到什么公式?
生:平方差公式。
师:对,前一个整体相当于平方差公式中的(a),后一个整体相当于平方差公式中的(b),利用平方差公式展开,就得到这样一个式子。
接下来怎么做呢?每个括号里是不是可以通分合并?这里最简公分母是(4),第一项(\frac{1}{2}ab)可以改写成(\frac{2ab}{4}),合并后得到这样一个式子。后面式子同理。同学们看这个公式,前面这个因式分子上有(2ab + a2 + b2 - c2),前三项有什么感受?
生:是完全平方公式。
师:对,它可以改写成((a + b)2)。后面这个因式类比前面,也可以把三项括起来。但同学们,这个括号内是完全平方公式吗?
生:不是,完全平方公式(a2)、(b2)项前面应该是正号,这里是负号。
师:怎么办呢?我们可以将括号里提负号出去,改写成这样的形式。接下来到这步,同学们打算怎么做?
生:第一个因数分子可看成括号整体的平方减(c2),这又是平方差公式,用平方差公式展开。
师:对,同样道理,后一个因式分子是(c2)减整体的平方,也利用平方差公式展开,得到这样的结果。到这里,同学们有什么感受?(\frac{a + b + c}{2})是什么?
生:是海伦公式里的(p)。
师:对,那我们想,这个公式好像与海伦公式越来越接近了,后面这个能不能用(p)的式子表示呢?(\frac{a + b - c}{2}),可不可以看作(\frac{a + b + c}{2} - c),前者用(p)代替,所以它可以看作(p - c)。同样道理,第三个因式(\frac{c + a - b}{2}),可以看作(p - b),最后一个可以看作(p - a)。
所以我们发现,把秦九韶公式化简后,最终可以转化成海伦公式。这两个公式实质上是同一个公式。正因为如此,人们也习惯于将海伦公式称作海伦 - 秦九韶公式。
今天通过学习,我们认识了海伦和秦九韶,知道他们给出的公式都能利用三角形三边求面积。接下来我们用这两个公式解决一些实际问题。
在三角形(ABC)中,(BC = 5),(AC = 6),(AB = 7),求三角形(ABC)的面积。很简单,代入公式求解。先用海伦公式,海伦公式中(p)是周长的一半,我们先求(p),再把公式写出来,然后把(a)、(b)、(c)以及(p)的值代入公式,通过计算就能求出答案。这是用海伦公式求三角形(ABC)的面积。接下来用秦九韶公式做。
