今天工作的时候碰到一个数学问题,我把它叫做四面体求角,估计这个问题有现成的解答,但是为了加深理解,我还是自己求解了一遍。话不多说,先放个图:四面体求角
  图中有α\alphaβ\betaθ\theta三个角,α(0,π)\alpha\in (0,\pi)是斜面角,β(0,π)\beta\in (0,\pi)是底面三角形的内角,θ(0,π2)\theta\in (0,\frac{\pi}{2})是竖直面直角三角形内角。知道其中两个,求另一个,这就是我所说的四面体求角的问题。不妨假设已知α\alpha角和β\beta角,求θ\theta角。
  假设顶部斜边的长度为ll并假设底部斜边的长度与顶部斜边的长度相等,即l2=ll_2=l,其他的四条边都用ll来表示,则有:

  1. h1=lsinθh_1=l\mathrm{sin}\theta
  2. h2=lcosθh_2=l\mathrm{cos}\theta
  3. h32=h22+l222h2l2cosβh32=(lcosθ)2+l22l2cosθcosβh_3^2=h_2^2+l_2^2-2h_2l_2\mathrm{cos}\beta\Rightarrow h_3^2=(l\mathrm{cos}\theta)^2+l^2-2l^2\mathrm{cos}\theta \mathrm{cos}\beta
  4. l32=h12+h32=(lsinθ)2+(lcosθ)2+l22l2cosθcosβ=2l2(1cosθcosβ)l_3^2=h_1^2+h_3^2=(l\mathrm{sin}\theta)^2+(l\mathrm{cos}\theta)^2+l^2-2l^2\mathrm{cos}\theta \mathrm{cos}\beta=2l^2(1-\mathrm{cos}\theta\mathrm{cos}\beta)
  5. l32=l2+l222ll2cosα=2l2(1cosα)l_3^2=l^2+l_2^2-2ll_2\mathrm{cos}\alpha=2l^2(1-\mathrm{cos}\alpha)

  从上面的最后两个表达式可以得到:
2l2(1cosθcosβ)=2l2(1cosα) 2l^2(1-\mathrm{cos}\theta\mathrm{cos}\beta)=2l^2(1-\mathrm{cos}\alpha)
  整理之后可以得到:
cosα=cosθcosβ \mathrm{cos}\alpha=\mathrm{cos}\theta\mathrm{cos}\beta
  至此,四面体求角的问题已经解决,只要把已知的两个角的值代入cosα=cosθcosβ\mathrm{cos}\alpha=\mathrm{cos}\theta\mathrm{cos}\beta中就可以求解另一个角的值。

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