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數學學習

立體三角學看不出用哪個三角形?三個步驟抽出平面三角形

小芽編輯部・・7 分鐘閱讀

立體三角學的難點通常不在公式,而在選圖:題目給的是立體圖,公式卻只適用於平面三角形。實用的做法是先認出圖中所有直角、找出已知長度或角度的邊,然後一次只抽出一個三角形,把它的三邊和夾角寫在紙上,確認已知量足夠才開始計算;一條題目往往要抽兩至三個三角形分開處理。溫習時可養成先畫側視圖、俯視圖的習慣,並在每一步寫明所用理由。

一名學生手持木製三角柱湊近鏡頭,另一隻手把三角尺貼在柱的平面上。

本文由系統根據一般學習經驗自動整理,只供參考;考試及學校安排請以有關機構最新公布為準。

重點
  • 立體三角學的公式只適用於平面三角形,難點在選圖而非計算。
  • 先標出直角與已知量,再決定使用哪幾個三角形。
  • 一次只抽一個三角形,把它單獨畫在圖旁。
  • 每步寫明理由,並把中間結果放回立體圖再抽下一個三角形。
  • 溫習時可只練第一步的抽圖與規劃次序。

難在哪裡:立體圖上沒有現成的公式

立體三角學的公式本身不多,來來去去就是正弦、餘弦和正切之比。真正的困難在於:公式只在平面三角形內成立,而題目給的是一個立體圖形,邊與邊之間的關係藏在不同的平面裡。學生盯着立體圖,往往連哪一條邊與哪一條邊真正相交都看不清楚,於是不知道應該代入哪一組數據。

另一個常見情況是:一條題目其實需要兩個三角形,第一個用來求一條中間的邊,第二個才用來求答案。若一開始就想在「最直接」的三角形裡算,便會發現已知量不足。這不是計算出錯,而是選錯了處理次序。因此,解立體三角學的第一步不是寫公式,而是規劃用哪幾個三角形。

第一步:在圖上標出所有直角與已知量

開始計算前,先在圖上做記號。尋找直角是關鍵,因為直角三角形可以把正弦、餘弦、正切直接連起兩條邊和一個角;沒有直角的三角形則需要餘弦公式或正弦公式。立體圖形中的直角通常來自「垂直」這個字眼、長方體的角,或題目明言某條線垂直於某個平面。

然後把題目給出的長度和角度寫在對應的邊旁邊,並用不同符號標示要求的是長度還是角度。這一步看似多餘,卻能避免中途混淆:很多錯誤並非不懂公式,而是把某一條邊的長度錯放到另一個三角形裡。標記完成後,圖上通常已經浮現兩至三個「有名字」的三角形。

第二步:一次只抽出一個平面三角形

抽出三角形的做法是:選定三條邊(或兩條邊加一個角),把它們單獨畫在圖旁,成為一個平面三角形。畫的時候只保留這三條邊和相關的角,其他線條一律不畫。這樣做的好處是,立體感帶來的干擾被移除,你面對的只是一條普通的平面三角題。

判斷某個三角形是否「可用」,可以問三個問題:三條邊之中有幾條已知?有沒有直角?要求的量是否在這個三角形內?如果已知量不足,就要換一個三角形,或先用另一個三角形求出缺少的那條邊。以下是一個簡單示例:長方體底面的長為 8、闊為 6,對角線就是斜邊,由畢氏定理得 8² + 6² = 100,即底面對角線長 10;若長方體的高為 5,則由底面對角線與高組成的另一個直角三角形,其斜邊為 10² + 5² = 125,即 5√5。這個過程正是先抽底面三角形、再抽另一個三角形,分兩步完成。

重點公式・一頁看
  • 度量、圖形與空間畢氏定理a2 + b2 = c2c 是直角三角形的斜邊
  • 度量、圖形與空間三角比sin θ = 對邊斜邊   cos θ = 鄰邊斜邊   tan θ = 對邊鄰邊只用於直角三角形
  • 度量、圖形與空間餘弦公式c2 = a2 + b2 − 2ab cos C知道兩邊及夾角,或三邊時用
  • 度量、圖形與空間正弦公式asin A = bsin B = csin C知道兩角一邊時用

第三步:寫明每一步所用的理由

抽好三角形、算出中間的邊之後,要把結果放回立體圖,再抽下一個三角形。書寫時建議在每一步旁邊寫一句理由,例如「在直角三角形中應用正切」「由畢氏定理求得」「在該三角形中應用餘弦公式」。這不只是為了得分,也是為了讓自己檢查:如果寫不出理由,通常表示這個三角形其實未經證明是直角三角形,或所用的邊並不屬於同一個平面。

考評局一類公開考試的評分重視過程,但本文不宜替任何考試的評分方式下定論;可以說的是,清楚寫出理由能讓閱卷者知道你用了哪個三角形,也方便自己覆核。若中途發現結果不合理,例如斜邊竟然比直角邊短,就應該回到抽圖那一步重新檢查,而不是繼續往下算。

溫習時的練習方法

日常練習可以集中訓練「抽圖」這一環,而不是重複做大量同類計算。做法是:只做題目的第一步,即在圖上標出直角和已知量,並列出打算使用的三角形次序,不必完成計算。每天做幾條這類練習,比一次做完整份練習更能建立選圖的判斷力。

另一種練習是先自行畫出側視圖和俯視圖。很多立體題目只要把某個平面「攤平」來看,三角形就會自然出現。畫圖時用簡單的線條即可,重點是邊長和角度的位置正確。做完後再對照題目原圖,檢查兩者是否一致,這個對照過程本身就是很好的自我檢查。小學階段尚未接觸立體三角學,但由小五、小六開始熟練平面圖形的性質與畢氏定理,對日後抽圖會有幫助。

選擇補習時可以問的問題

如果考慮補習,可以先分辨幾種常見形式:補習社一般以小組形式上課,進度較統一;私人補習和上門補習的好處是可以針對個人卡住的地方;網上補習則在時間和地點上較有彈性。三者價錢差異很大,一般按堂數或小時計算,粗略而言由每小時約百餘元至數百元不等,實際收費視形式、年級和地區而異,應向對方清楚查詢。

無論選擇哪一種形式,都可以先問一個具體問題:遇到立體三角學時,會不會要求學生先抽出平面三角形並寫明理由?如果對方只強調背公式或操練答案,未必能解決讀者的困難。消費者委員會一類機構一向提醒消費者留意合約和收費條款,家長在繳費前宜先了解退款和補堂安排。至於自學,也可以利用免費的網上短片課程按課題重溫,再配合上述抽圖練習。

立體三角學與升學:大學、申請與資助的基礎

立體三角學是高中數學的重要課題,也是不少大學課程的入門基礎。香港的大學學位課程種類繁多,部分與數學、工程、社會科學相關的課程,會要求申請人具備一定的數學能力。若學生計劃日後申請大學,現在打好立體三角學的基礎,有助於應付公開考試,也為將來的學習做好準備。

大學招生時,除了公開考試成績,也可能考慮其他因素。資助方面,香港有政府助學金及貸款等計劃,協助合資格學生支付學費和生活費。這些計劃的申請資格和程序,宜直接向相關部門或院校查詢,本文不擬逐一說明。

此外,一些非政府組織也會提供獎學金或學習支援,學生和家長可留意社區資源。至於全日制課程的選擇,應按個人興趣和能力考慮,不宜只着眼於個別科目的難易。

常見問題

立體三角學的題目一定要用畢氏定理嗎?

不一定。畢氏定理只適用於直角三角形,用來由兩條直角邊求斜邊,或反過來求一條邊。若三角形沒有直角,就要用餘弦公式;已知兩角一邊或兩邊一非夾角時,則可能用正弦公式。判斷的關鍵是先確認三角形內有沒有直角,再決定用哪一條公式。

為什麼我算了第一步之後就不知道怎樣繼續?

常見原因是未把第一步的結果放回立體圖。求出中間那條邊之後,應在圖上標明它的長度,然後重新尋找包含這條邊和要求量的三角形,再抽出來單獨計算。一條題目用上兩至三個三角形是正常的,不必要求一步完成。

抽圖時應該畫得多仔細?

只需畫出所選的三條邊和相關的角,其他線條可以省略。圖形不必按比例,但已知量和未知量的位置要標示清楚。若畫得過於複雜,反而會把立體圖的干擾帶進平面三角形裡。

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