问题

一道初三数学几何题。目前用arctan和tan的无脑计算可以求出来,请问还有其他方法吗?向量?或其它?

回答
当然,这道题确实很有意思!用 `arctan` 和 `tan` 硬算虽然能出结果,但总觉得少了点几何的韵味。我来跟你聊聊向量以及其他一些几何思路,希望能让你觉得更“解渴”。

咱们先假定你提供的题目大概是这样的情景:在一个平面图形里,有几个点,已知一些线段的长度,要求解某个角度。常见的比如在三角形、四边形中求夹角。为了方便说明,咱们就假设有个典型的例子:

假设题目是这样的:

在一个直角坐标系中,有三个点A(0, 0),B(x1, y1),C(x2, y2)。已知AB的长度是$L_1$,AC的长度是$L_2$。我们想求角BAC的大小。

你现在可能就是算 $vec{AB} = (x_1, y_1)$, $vec{AC} = (x_2, y_2)$,然后用向量点积公式 $vec{AB} cdot vec{AC} = |vec{AB}| |vec{AC}| cos(angle BAC)$ 来求出 $cos(angle BAC)$ 的值,进而用 `arccos` 求出角度。或者,你可能直接根据B点和C点的坐标,求出AB和AC的斜率,然后用两直线夹角的公式 $ an( heta) = |frac{m_1 m_2}{1 + m_1 m_2}|$ 来算。这两种方法都是数值计算,很直接。

那除了这些,还有哪些更“几何”的思路呢?

1. 利用向量的内积(点积)的几何意义——这是最直接的替代方法

你提到了向量,向量确实是解决这类问题的利器,而且比你现在用的“无脑计算”更具几何直观性。我们刚才也提到了,向量内积的定义本身就蕴含了角度的信息。

向量内积的定义:

两个向量 $vec{u}$ 和 $vec{v}$ 的内积(点积)定义为:
$vec{u} cdot vec{v} = |vec{u}| |vec{v}| cos( heta)$
其中,$ heta$ 是两个向量之间的夹角。

如何应用到我们的例子中:

我们要求的角BAC,实际上就是向量 $vec{AB}$ 和向量 $vec{AC}$ 之间的夹角。

第一步:写出向量。
$vec{AB} = B A = (x_1 0, y_1 0) = (x_1, y_1)$
$vec{AC} = C A = (x_2 0, y_2 0) = (x_2, y_2)$

第二步:计算向量的内积。
内积的计算方法是对应分量相乘后相加:
$vec{AB} cdot vec{AC} = x_1 x_2 + y_1 y_2$

第三步:计算向量的模长。
模长就是向量的长度,根据勾股定理:
$|vec{AB}| = sqrt{x_1^2 + y_1^2}$ (这不就是你题目中给的 $L_1$ 吗?)
$|vec{AC}| = sqrt{x_2^2 + y_2^2}$ (这不就是你题目中给的 $L_2$ 吗?)

第四步:代入公式求解角度。
根据内积定义:
$cos(angle BAC) = frac{vec{AB} cdot vec{AC}}{|vec{AB}| |vec{AC}|} = frac{x_1 x_2 + y_1 y_2}{L_1 L_2}$
然后,$angle BAC = arccosleft(frac{x_1 x_2 + y_1 y_2}{L_1 L_2} ight)$。

为什么说这更几何?

虽然最终还是需要 `arccos`,但这个过程的每一步都有明确的几何含义:
向量本身:代表了从A到B的方向和长度。
内积的计算:可以理解为将一个向量投影到另一个向量上,然后乘以另一个向量的长度。如果两个向量方向越一致,内积越大。
模长:就是线段的长度。

通过向量内积,我们直接联系了向量的“方向”和“长度”与它们之间夹角的余弦值,这是最纯粹的向量几何。

2. 利用余弦定理(如果你的题目是三角形问题)

如果题目是关于一个三角形的三个顶点,并且已知三边长,或者可以求出三边长,那么余弦定理是解决角度问题的经典几何方法。

余弦定理:

在一个三角形ABC中,设三边长分别为a, b, c,对边分别为A, B, C。则有:
$a^2 = b^2 + c^2 2bc cos(A)$
$b^2 = a^2 + c^2 2ac cos(B)$
$c^2 = a^2 + b^2 2ab cos(C)$

如何应用到我们的例子中:

如果我们知道A, B, C三点的坐标,我们可以直接计算出三条线段的长度:
$a = BC = sqrt{(x_2x_1)^2 + (y_2y_1)^2}$
$b = AC = sqrt{(x_20)^2 + (y_20)^2} = L_2$
$c = AB = sqrt{(x_10)^2 + (y_10)^2} = L_1$

然后,我们要求角BAC,也就是角A。根据余弦定理,我们用第一条公式:
$a^2 = b^2 + c^2 2bc cos(A)$
$cos(A) = frac{b^2 + c^2 a^2}{2bc}$

代入我们求出的边长:
$cos(angle BAC) = frac{AC^2 + AB^2 BC^2}{2 cdot AC cdot AB} = frac{L_2^2 + L_1^2 (sqrt{(x_2x_1)^2 + (y_2y_1)^2})^2}{2 cdot L_1 cdot L_2}$

注意看,这个 $cos(A)$ 的表达式,如果展开的话,和向量内积算出来的那个 $frac{x_1 x_2 + y_1 y_2}{L_1 L_2}$ 是完全一样的!因为向量内积公式本身就是从余弦定理推导出来的(通过坐标表示)。

为什么说这更几何?

余弦定理直接在三角形的边长和角度之间建立联系,它是一种纯粹的几何关系,不依赖于坐标系。即使我们用坐标来计算边长,最终的应用也是基于这个纯粹的几何定理。

3. 利用三角函数和“辅助角公式”(如果题目结构允许)

有时候,题目会构造出一些特殊的图形,比如一个大角度可以拆分成两个小角度,或者利用一些已知的特殊角度来求解。

思路举例:

假设题目中有个点D,已知角BAD和角CAD的大小,我们想求角BAC的大小。这时可以直接相加减。
如果题目是这样:点A是原点,点B在x轴正半轴上,点C在第一象限。已知AB的长度和AC的长度,以及B点和C点的坐标。

已知信息: $A=(0,0)$, $B=(L_1, 0)$, $C=(x_2, y_2)$。
求角BAC。

这种情况下,角BAC就是点C与正x轴的夹角(因为AB在正x轴上)。
我们可以利用C点的坐标来直接求。
设 $angle BAC = heta$。
那么在直角三角形中(如果我们将C点向x轴做垂线),我们有:
$cos( heta) = frac{x_2}{AC} = frac{x_2}{L_2}$
$sin( heta) = frac{y_2}{AC} = frac{y_2}{L_2}$
$ an( heta) = frac{y_2}{x_2}$

所以,我们依然可以得到 $ heta = arctan(frac{y_2}{x_2})$ 或者 $ heta = arccos(frac{x_2}{L_2})$ 等等。

如果题目更复杂,比如 B 点不在 x 轴上:

假设 $A=(0,0)$, $B=(x_1, y_1)$, $C=(x_2, y_2)$。
我们要求 $angle BAC$。
我们可以先考虑向量 $vec{AB}$ 和 x 轴正方向的夹角,记为 $alpha_1$。
那么 $ an(alpha_1) = frac{y_1}{x_1}$ (或者用 $arctan$ 考虑象限)。
然后考虑向量 $vec{AC}$ 和 x 轴正方向的夹角,记为 $alpha_2$。
那么 $ an(alpha_2) = frac{y_2}{x_2}$ (或者用 $arctan$ 考虑象限)。

那么 $angle BAC$ 就是 $|alpha_1 alpha_2|$。
所以,我们可以用 $ an(|alpha_1 alpha_2|) = |frac{ an(alpha_1) an(alpha_2)}{1 + an(alpha_1) an(alpha_2)}|$ 来计算。
这里的 $ an(alpha_1)$ 就是 $frac{y_1}{x_1}$, $ an(alpha_2)$ 就是 $frac{y_2}{x_2}$。
这又回到了你说的用 `tan` 来计算的方法。

如何让它看起来更“几何”?

这种方法更适合通过角度的拆分与组合来解决。想象一下,如果你能通过画图,发现要求的角是某两个已知角度的差或和,那会非常直接。

例如,在一个复杂的图形里,如果你能识别出两个直角三角形,并且可以算出这两个三角形各自的某个角度(比如用三角函数),然后通过大角减小角或者小角加小角来得到最终结果。这比直接代公式更需要几何洞察力。

举个例子说明角度拆分:

假设在一个四边形ABCD中,已知AB, BC, CD, DA的长度,并且已知 $angle ABC = 90^circ$。你想求 $angle ADC$。

你可以连接AC。
在直角三角形ABC中,你可以根据AB和BC的长度求出 $angle BAC$ 和 $angle BCA$。
然后,在三角形ADC中,你已知AD, CD的长度,并且你已经通过计算知道了AC的长度(在ABC中根据勾股定理)。
这时,你就可以用余弦定理在三角形ADC中求出 $angle ADC$ 了。

这里的关键在于,你不是直接用坐标硬算,而是通过添加辅助线(AC),将一个复杂问题分解成了几个相对简单的几何问题。

4. 利用复数(对于中高级玩家)

复数在几何中有强大的表示能力,特别是在表示旋转和角度时。虽然这可能超出了初三的范畴,但作为一种更高级的几何方法,值得一提。

思路:

将平面上的点看作复平面上的复数。
点A对应复数 $z_A$
点B对应复数 $z_B$
点C对应复数 $z_C$

那么向量 $vec{AB}$ 可以表示为复数 $z_B z_A$。
向量 $vec{AC}$ 可以表示为复数 $z_C z_A$。

两个复数 $u$ 和 $v$ 的乘积 $u cdot v$ 的辐角(角度)是它们辐角的和。
两个复数 $u$ 和 $v$ 的商 $frac{u}{v}$ 的辐角是 $Arg(u) Arg(v)$。

所以,要求的角BAC就是复数 $frac{z_C z_A}{z_B z_A}$ 的辐角。
$angle BAC = Argleft(frac{z_C z_A}{z_B z_A} ight)$

如果 $A$ 是原点,那么就是 $Arg(frac{z_C}{z_B})$。
设 $z_B = r_B e^{i heta_B}$, $z_C = r_C e^{i heta_C}$。
$frac{z_C}{z_B} = frac{r_C e^{i heta_C}}{r_B e^{i heta_B}} = frac{r_C}{r_B} e^{i( heta_C heta_B)}$
它的辐角就是 $ heta_C heta_B$。这里的 $ heta_C$ 和 $ heta_B$ 就是B点和C点与x轴的夹角,这又回到了我们之前用坐标和三角函数的方法。

为什么说这很几何?

复数乘法中的旋转性质,使得它在处理角度问题时非常自然。复数 $frac{z_C z_A}{z_B z_A}$ 的模长表示了向量AC与向量AB的长度比例,而其辐角直接就是两个向量的夹角。它将长度和角度信息统一在了一个复数里。

总结一下,还有哪些“非无脑计算”的几何方法:

1. 向量内积: 最直接的替代,将几何关系转化为代数运算,直观且基础。
2. 余弦定理: 基于三角形边角关系的经典几何定理,是向量内积的几何根源。
3. 角度的拆分与组合: 利用辅助线、特殊图形(如直角三角形)将问题分解,需要图形洞察力。
4. 复数(进阶): 将几何问题转化为复数运算,尤其擅长处理旋转和角度。

你提到的“无脑计算”很大程度上就是指直接代入坐标算斜率然后用夹角公式或者直接用向量坐标代入点积公式。这些方法确实有效,但正如你所感受到的,少了点“味道”。

我个人觉得,对于初中生而言,理解并熟练运用向量内积的几何意义,以及在图形中灵活添加辅助线来分解问题,是两种最能提升你几何解题能力和乐趣的方法。它们让你不再是“计算”,而是“理解”了角度是怎么来的。

不知道我讲得够不够详细?你也可以把你具体遇到的题目发给我,我们可以具体分析一下用哪种方法会更巧妙!

网友意见

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复数大法好(≧▽≦)

补充:首先 的坐标是怎么来的呢?Hint:

其次,利用这一结果同一后怎么得到 呢?

似乎最方便的方法还是使用 ……

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