数学Ⅰ : 図形と計量 三角形の面積から逆算

例題

三角形の面積から逆算 解説図

各辺の長さが$\mathrm{AB}=7$,$\mathrm{BC}=8$,$\mathrm{CA}=9$の三角形$\mathrm{ABC}$がある。この三角形の
(1)面積を求めなさい。 (2)頂点$\mathrm{B}$から辺$\mathrm{AC}$に下ろした垂線の足を$\mathrm{H}$とするとき、線分$\mathrm{BH}$の長さを求めなさい。 (3)$\sin\angle \mathrm{ABC}$の値を求めなさい。 (4)内接円の半径を求めなさい。 (5)外接円の半径を求めなさい。

アドバイス

センター試験では、三角形の面積から逆算して、辺や角などさまざまな値を求めることがある。ここでは、そのタイプの問題を集めてみた。
というわけで、解説に入る前に三角形の面積の公式を復習しておこう。

復習

三角形の面積から逆算 復習図

図のような三角形$\mathrm{ABC}$の面積を$S$,内接円の半径を$r$,外接円の半径を$R$とするとき、
$S=\displaystyle \frac{1}{2}\mathrm{a}h$ $S=\displaystyle \frac{1}{2}ac\sin\angle \mathrm{B}$ $S=\displaystyle \frac{1}{2}r(a+b+c)$ $S=\displaystyle \frac{abc}{4R}$ $S=\sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}$
ただし、$s=\displaystyle \frac{a+b+c}{2}$
(ヘロンの公式)
である。

(1)

三角形の三辺の長さが分かっていて、和が偶数なので、面積を求めるのはヘロンの公式が楽。

$s=\displaystyle \frac{7+8+9}{2}=12$ とすると、ヘロンの公式より、三角形$\mathrm{ABC}$の面積$S$は
$S=\sqrt{12(12-7)(12-8)(12-9)}$
$S$$=\sqrt{12\cdot 5\cdot 4\cdot 3}$
$S$$=12\sqrt{5}$
である。

解答$12\sqrt{5}$

別解

ヘロンの公式を使わない場合は、 1.余弦定理でひとつの角の$\cos$を得る 2.$\sin^{2}\theta+\cos^{2}\theta=1$を用いて、その角の$\sin$を得る 3.復習の2番目の公式を使って面積を求める という手順になる。

余弦定理より、
$\mathrm{BC}^{2}=\mathrm{AB}^{2}+\mathrm{AC}^{2}-2\cdot \mathrm{AB}\cdot \mathrm{AC}\cos\angle \mathrm{BAC}$
$\displaystyle \cos\angle \mathrm{BAC}=\frac{\mathrm{A}\mathrm{B}^{2}+\mathrm{A}\mathrm{C}^{2}-\mathrm{B}\mathrm{C}^{2}}{2\cdot \mathrm{A}\mathrm{B}\cdot \mathrm{A}\mathrm{C}}$
$\displaystyle \cos\angle \mathrm{BAC}$$\displaystyle =\frac{7^{2}+9^{2}-8^{2}}{2\cdot 7\cdot 9}$
$\displaystyle \cos\angle \mathrm{BAC}$$\displaystyle =\frac{49+(9-8)(9+8)}{2\cdot 7\cdot 9}$
$\displaystyle \cos\angle \mathrm{BAC}$$\displaystyle =\frac{49+17}{2\cdot 7\cdot 9}$
$\displaystyle \cos\angle \mathrm{BAC}$$\displaystyle =\frac{66}{2\cdot 7\cdot 9}$
$\displaystyle \cos\angle \mathrm{BAC}$$\displaystyle =\frac{11}{21}$

$\sin^{2}\angle \mathrm{BAC}+\cos^{2}\angle \mathrm{BAC}=1$より、
$\sin^{2}\angle \mathrm{BAC}+\left(\frac{11}{21}\right)^{2}=1$
$\sin^{2}\angle \mathrm{BAC}=1-\left(\frac{11}{21}\right)^{2}$
$\displaystyle \sin^{2}\angle \mathrm{BAC}$$\displaystyle =\frac{21^{2}-11^{2}}{21^{2}}$
$\displaystyle \sin^{2}\angle \mathrm{BAC}$$\displaystyle =\frac{(21-11)(21+11)}{21^{2}}$
$\displaystyle \sin^{2}\angle \mathrm{BAC}$$\displaystyle =\frac{10\cdot 32}{21^{2}}$
$\displaystyle \sin^{2}\angle \mathrm{BAC}$$\displaystyle =\frac{5\cdot 64}{21^{2}}$
$0 \lt \sin\angle \mathrm{BAC}$なので、
$\displaystyle \sin\angle \mathrm{BAC}=\frac{8}{21}\sqrt{5}$

三角形$\mathrm{ABC}$の面積を$S$とすると、
$S=\displaystyle \frac{1}{2}\mathrm{AB}\cdot \mathrm{AC}\sin\angle \mathrm{BAC}$
$S\displaystyle $$\displaystyle =\frac{1}{2}\cdot 7\cdot 9\cdot\frac{8}{21}\sqrt{5}$
$S$$=12\sqrt{5}$
となる。

解答$12\sqrt{5}$

(2)

復習の1番目の公式と、(1)で求めた面積を使って逆算する。

三角形$\mathrm{ABC}$の底辺を$\mathrm{AC}$,高さを$\mathrm{BH}$とすると、
$S=\displaystyle \frac{1}{2}\cdot \mathrm{AC}\cdot \mathrm{BH}$

(1)より、$S=12\sqrt{5}$なので、
$\displaystyle \frac{1}{2}\cdot \mathrm{AC}\cdot \mathrm{BH}=12\sqrt{5}$
$\displaystyle \frac{1}{2}\cdot 9\cdot \mathrm{BH}=12\sqrt{5}$
$\displaystyle \mathrm{BH}=\frac{2\cdot 12\sqrt{5}}{9}$
$\displaystyle \mathrm{BH}$$\displaystyle =\frac{8\sqrt{5}}{3}$
である。

解答$\displaystyle \frac{8\sqrt{5}}{3}$

別解

(1)の面積を求めるのに別解の方法を使っていて、$\sin\angle \mathrm{BAC}$か$\sin\angle \mathrm{BCA}$が分かっていれば、次のような方法もある。

△$\mathrm{ABH}$は$\angle \mathrm{BHA}=90^{\circ}$の直角三角形。
よって、
$\displaystyle \sin\angle \mathrm{BAH}=\frac{\mathrm{B}\mathrm{H}}{\mathrm{A}\mathrm{B}}$

(1)の別解より、$\displaystyle \sin\angle \mathrm{BAH}=\sin\angle \mathrm{BAC}=\frac{8}{21}\sqrt{5}$なので、
$\displaystyle \frac{\mathrm{B}\mathrm{H}}{\mathrm{A}\mathrm{B}}=\frac{8}{21}\sqrt{5}$
$\displaystyle \frac{\mathrm{B}\mathrm{H}}{7}=\frac{8}{21}\sqrt{5}$
$\displaystyle \mathrm{BH}=\frac{8}{3}\sqrt{5}$
となる。

解答$\displaystyle \frac{8\sqrt{5}}{3}$

(3)

復習の2番目の公式と、(1)で求めた面積を使って逆算する。

三角形$\mathrm{ABC}$の面積を$S$とすると、
$S=\displaystyle \frac{1}{2}\mathrm{AB}\cdot \mathrm{BC}\sin\angle \mathrm{ABC}$

(1)より$S=12\sqrt{5}$なので、
$\displaystyle \frac{1}{2}\mathrm{AB}\cdot \mathrm{BC}\sin\angle \mathrm{ABC}=12\sqrt{5}$
$\displaystyle \frac{1}{2}\cdot 7\cdot 8\sin\angle \mathrm{ABC}=12\sqrt{5}$
$\displaystyle \sin\angle \mathrm{ABC}=\frac{12\sqrt{5}}{7\cdot 4}$
$\displaystyle \sin\angle \mathrm{ABC}=\frac{3\sqrt{5}}{7}$
である。

解答$\displaystyle \frac{3\sqrt{5}}{7}$

別解1

(1)の面積を求めるのに別解の方法を使っていて、$\angle \mathrm{BAC}$か$\angle \mathrm{BCA}$の$\sin$が分かっていれば、正弦定理でも求められる。

正弦定理より、
$\displaystyle \frac{\mathrm{A}\mathrm{C}}{\sin\angle \mathrm{A}\mathrm{B}\mathrm{C}}=\frac{\mathrm{B}\mathrm{C}}{\sin\angle \mathrm{B}\mathrm{A}\mathrm{C}}$

(1)の別解より、$\displaystyle \sin\angle \mathrm{BAC}=\frac{8}{21}\sqrt{5}$なので、
$\displaystyle \frac{\mathrm{A}\mathrm{C}}{\sin\angle \mathrm{A}\mathrm{B}\mathrm{C}}=\frac{\mathrm{B}\mathrm{C}}{\frac{8\sqrt{5}}{21}}$
$\displaystyle \frac{9}{\sin\angle \mathrm{A}\mathrm{B}\mathrm{C}}=\frac{8}{\frac{8\sqrt{5}}{21}}$
$8\displaystyle \sin\angle \mathrm{ABC}=\frac{9\cdot 8\sqrt{5}}{21}$
$\displaystyle \sin\angle \mathrm{ABC}=\frac{3\sqrt{5}}{7}$
となる。

解答$\displaystyle \frac{3\sqrt{5}}{7}$

別解2

(1)の別解のように、正弦定理から$\cos\angle \mathrm{ABC}$を求め、$\sin\angle \mathrm{ABC}$に変換する方法もあるが、ここでは省略する。

(4)

復習の3番目の公式と、(1)で求めた面積を使って逆算する。

三角形$\mathrm{ABC}$の面積を$S$,内接円の半径を$r$とすると、
$S=\displaystyle \frac{1}{2}r(\mathrm{AB}+\mathrm{BC}+\mathrm{CA})$

(1)より$S=12\sqrt{5}$なので、
$\displaystyle \frac{1}{2}r(\mathrm{AB}+\mathrm{BC}+\mathrm{CA})=12\sqrt{5}$
$\displaystyle \frac{1}{2}r(7+8+9)=12\sqrt{5}$
$12r=12\sqrt{5}$
$r=\sqrt{5}$
である。

解答$\sqrt{5}$

(5)

復習の4番目の公式と、(1)で求めた面積を使って逆算する。

三角形$\mathrm{ABC}$の面積を$S$,外接円の半径を$R$とすると、
$S=\displaystyle \frac{\mathrm{A}\mathrm{B}\cdot \mathrm{B}\mathrm{C}\cdot \mathrm{C}\mathrm{A}}{4R}$

(1)より$S=12\sqrt{5}$なので、
$\displaystyle \frac{\mathrm{A}\mathrm{B}\cdot \mathrm{B}\mathrm{C}\cdot \mathrm{C}\mathrm{A}}{4R}=12\sqrt{5}$
$\displaystyle \frac{7\cdot 8\cdot 9}{4R}=12\sqrt{5}$
$R=\displaystyle \frac{7\cdot 8\cdot 9}{4\cdot 12\sqrt{5}}$
$R\displaystyle $$\displaystyle =\frac{7\cdot 3}{2\sqrt{5}}$
分母を有理化して、
$R=\displaystyle \frac{21\sqrt{5}}{10}$
となる。

解答$\displaystyle \frac{21\sqrt{5}}{10}$

別解

目的が「面積から逆算する」のため、その方法を先に解説した。
しかし、(3)で$\sin\angle \mathrm{ABC}$が分かっているので、この別解のように、一般的には正弦定理を用いて解く。

三角形$\mathrm{ABC}$の外接円の半径を$R$とすると、正弦定理より、
$\displaystyle \frac{\mathrm{A}\mathrm{C}}{\sin\angle \mathrm{A}\mathrm{B}\mathrm{C}}=2R$

(3)より$\displaystyle \sin\angle \mathrm{ABC}=\frac{3\sqrt{5}}{7}$なので、
$2R=\displaystyle \frac{\mathrm{A}\mathrm{C}}{\frac{3\sqrt{5}}{7}}$
$2R\displaystyle $$\displaystyle =\frac{9}{\frac{3\sqrt{5}}{7}}$
$R=\displaystyle \frac{9}{\frac{2\cdot 3\sqrt{5}}{7}}$
$R\displaystyle $$\displaystyle =\frac{3\cdot 7}{2\sqrt{5}}$
分母を有理化して、
$R=\displaystyle \frac{21\sqrt{5}}{10}$
である。

解答$\displaystyle \frac{21\sqrt{5}}{10}$

アドバイス

以上、面積から逆算する方法を中心に説明した。三角形の面積の公式を上手に使えば、簡単な計算で問題が解ける場合があることが分かってもらえたと思う。
特に(4)で解いた内接円の半径は、他に求める方法はない。(内接円の半径が相似な三角形の一辺になっているなど、他の条件があれば別である。しかし、その場合でも求めているのは三角形の一辺であって、それがたまたま内接円の半径と等しいにすぎない。)
なので、復習でまとめた5つの公式はぜひ憶えておいてほしい。