矢量计算三角形面积

设有三角形ABC,三顶点坐标分别为:A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3)

设BC长为a,CA长为b,AB长为a。规定以C为起点、B为终点的矢量为a,规定以C为起点、A为终点的矢量为b

则根据矢量积定义,有|a×b|=ab*sinC,恰巧三角形面积S=ab*sinC/2,所以S=|a×b|/2

规定沿横轴方向的单位矢量为x,沿纵轴方向的单位矢量为y,沿竖轴方向的单位矢量为z

显然,矢量ab在横轴上投影分别为(x2-x3)、(x1-x3),在纵轴上投影分别为(y2-y3)、(y1-y3)

根据矢量的坐标分解法,有a=(x2-x3)x+(y2-y3)yb=(x1-x3)x+(y1-y3)y

根据矢量的矢量积的分配率、与数乘的结合率,以及x×y=zy×x=-zx×x=0y×y=0

a×b=[(x2-x3)x+(y2-y3)y]×[(x1-x3)x+(y1-y3)y]

=(x2-x3)x×(x1-x3)x+(x2-x3)x×(y1-y3)y+(y2-y3)y×(x1-x3)x+(y2-y3)y×(y1-y3)y

=(x2-x3)(x1-x3)(x×x)+(x2-x3)(y1-y3)(x×y)+(y2-y3)(x1-x3)(y×x)+(y2-y3)(y1-y3)(y×y)

=(x2-x3)(y1-y3)z-(y2-y3)(x1-x3)z=[(x2-x3)(y1-y3)-(y2-y3)(x1-x3)]z

则S=|a×b|/2=|(x2-x3)(y1-y3)-(y2-y3)(x1-x3)|/2=|x2y1-x2y3-x3y1+x3y3-y2x1+y2x3+y3x1-y3x3|/2,即

S=|x1y2+x2y3+x3y1-y1x2-y2x3-y3x1|/2

或许不易记忆,因此采用三阶行列式形式写出:

 x1 y1 1 

 x2 y2 1

 x3 y3 1

求出行列式值,取绝对值并除以2

通过向量可以方便地计算三角形面积。这里我们讨论如何利用二维平面上三个点构成的三角形及其对应的向量来解其面积。 假设有一个由三点 \( A(x_1, y_1) \), \( B(x_2, y_2) \) 和 \( C(x_3, y_3) \) 构成的三角形 ABC,在平面直角坐标系下表示这三个顶点的位置矢量分别为 \(\vec{a}\),\(\vec{b}\) 和 \(\vec{c}\). 我们可以通过两个边组成的向量之间的叉乘(也称为外积)来进行面积计算: \[ \text{Area} = \frac{|\vec{AB} × \vec{AC}|}{2} \] 其中, - 向量 \(\vec{AB}= (x_2 - x_1)\hat{i} + (y_2 - y_1)\hat{j}\) - 向量 \(\vec{AC}= (x_3 - x_1)\hat{i} + (y_3 - y_1)\hat{j}\) 在二维空间中,两个向量间的叉乘结果实际上代表了一个垂直于这两个向量所在平面的新向量,而这个新向量的方向遵守右手定则,并且其模长等于原两向量形成的平行四边形的面积。因此我们可以写出上述公式为: \[ |\vec{u} × \vec{v}| = | u_x v_y - u_y v_x| \] 对于我们的例子来说就是: \[ \text{Area}=\frac{|(x_2-x_1)(y_3-y_1)-(x_3-x_1)(y_2-y_1)|}{2} \] 这种基于坐标的表达式可以直接应用于编程语言如Python、C++等进行实际运算。 另外还有一种更简便的方式来记住并应用这一公式的变形形式,那就是行列式的绝对值的一半: \[ \text{Area} = \left|\frac{x_1(y_2 − y_3)+x_2(y_3−y_1)+x_3(y_1−y_2)}{2}\right| \] 这种方法不仅易于记忆,而且非常适合手算以及编写代码实现。 综上所述,通过向量法三角形面积的关键在于确定组成该三角形两边的向量,然后运用合适的数学工具对其进行处理即可得到最终的结果。
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