ヘロンの公式

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ヘロンの公式は、三角形の3辺の長さから面積を求める公式である。

公式[編集]

3辺の長さを a,b,c 、また s=a+b+c2 としたとき、三角形の面積を S とすると

S=s(s−a)(s−b)(s−c)

s を使わないで表現することもできる。

S=14(a+b+c)(−a+b+c)(a−b+c)(a+b−c)
S=142(a2b2+b2c2+c2a2)−(a4+b4+c4)
S=14(a2+b2+c2)2−2(a4+b4+c4)

例題[編集]

練習問題 : ヘロンの公式の利用1
3辺の長さが 6, 13, 17 の三角形の面積を求めよ。
解答例は右をクリックして表示!

ヘロンの公式より、面積Sは

s=6+13+172=18S=s(s−a)(s−b)(s−c)=18(18−6)(18−13)(18−17)=630(=32.86⋯)
練習問題 : ヘロンの公式の利用2
3辺の長さが 3,5,7 の三角形の面積を求めよ。
解答例は右をクリックして表示!

ヘロンの公式より、面積Sは

S=14(a2+b2+c2)2−2(a4+b4+c4)=14(32+52+72)2−2(34+54+74)=14(3+5+7)2−2(32+52+72)=14152−2(9+25+49)=14225−166=594(=1.92⋯)

証明[編集]

ここではピタゴラスの定理を用いて導出する。三角関数を用いてより簡潔に導出することもできる(後述)。

△ABCの各辺の長さを a=BC,b=CA,c=AB とおく。

頂点Aから辺BCに下ろした垂線の足をHとし、 h=AH とおく。


△ABHにピタゴラスの定理を適用し、 BH2=c2−h2

△ACHにピタゴラスの定理を適用し、 CH2=b2−h2

辺BCの長さをBHとCHを用いて表すと、点Hが辺BC上にある場合とない場合で場合分けされ a=±BH±CH(複号任意) となる。よって、

±c2−h2±b2−h2=a±c2−h2=a±b2−h2c2−h2=a2+b2−h2±2ab2−h2±2ab2−h2=a2+b2−c24a2(b2−h2)=(a2+b2−c2)2b2−h2=(a2+b2−c2)24a2h2=b2−(a2+b2−c2)24a2=4a2b2−(a2+b2−c2)24a2h=4a2b2−(a2+b2−c2)22a

こうして求められたhから△ABCの面積Sを求めると、

S=12ah=144a2b2−(a2+b2−c2)2⋯(*)

しかし、 a, b, c は本来対等なはずなのに式の形が対称になっていない。そこで、因数分解または展開することにより、対称式の形に整えていく。

因数分解する[編集]

S=144a2b2−(a2+b2−c2)2=14(2ab+a2+b2−c2)(2ab−a2−b2+c2)=14((a+b)2−c2)(c2−(a−b)2)=14(a+b+c)(a+b−c)(c+a−b)(c−a+b)=14(a+b+c)(−a+b+c)(a−b+c)(a+b−c)⋯(1)

さらに s=a+b+c2 とおくと、

S=14(a+b+c)(−a+b+c)(a−b+c)(a+b−c)=142s(2s−2a)(2s−2b)(2s−2c)=1416s(s−a)(s−b)(s−c)=s(s−a)(s−b)(s−c)⋯(2)

よく見るヘロンの公式の形に変形できた。

展開する[編集]

S=144a2b2−(a2+b2−c2)2=144a2b2−(a4+b4+c4+2a2b2−2b2c2−2c2a2)=142(a2b2+b2c2+c2a2)−(a4+b4+c4)⋯(3)=14(a4+b4+c4+2a2b2+2b2c2+2c2a2)−2(a4+b4+c4)=14(a2+b2+c2)2−2(a4+b4+c4)⋯(4)

最後まで展開した形は(3)だが、(4)の形も参考までに示す。

余弦定理を用いた導出法[編集]

(*)の導出まで示す。対称式の形に変形する過程は上記と同様。

△ABCにおいて a=BC,b=CA,c=AB,C=∠ACB とおく。

第2余弦定理より、 cos⁡C=a2+b2−c22ab

また、sinを用いた三角形の面積公式より、

S=12absin⁡C=12ab1−cos2C=12ab1−(a2+b2−c22ab)2=12ab1−(a2+b2−c2)24a2b2=144a2b2−(a2+b2−c2)2⋯(*)