Fórmula d'Heró

Un triangle amb costats a, b, i c.

En geometria, La fórmula d'Heró diu que si les longituds dels costats d'un triangle són a, b, i c llavors l'àrea del triangle és

$A = \sqrt{s\left(s-a\right)\left(s-b\right)\left(s-c\right)}$

on s és el semiperimetre del triangle:

$s=\frac{a+b+c}{2}.$

La fórmula d'Heró també es pot escriure com:

$A={\ \sqrt{(a+b+c)(a+b-c)(b+c-a)(c+a-b)\,}\ \over 4}$

$A={\ \sqrt{2(a^2 b^2+a^2c^2+b^2c^2)-(a^4+b^4+c^4)\,}\ \over 4}$

$A={\ \sqrt{(a^2 + b^2 + c^2)^2 - 2(a^4 + b^4 + c^4)\,}\ \over 4}.$

Història

La fórmula s'atribueix a Heró d'Alexandria, i se'n pot trobar una demostració al seu llibre, Mètrica, escrit el A.D. 60. S'ha suggerit que Arquimedes coneixia la fórmula, i com que Mètrica és una col·lecció del coneixement matemàtic disponible al món antic, és possible que la fórmula fos prèvia a la referència donada en el llibre.

Una fórmula equivalent a la d'Heró:

$A=\frac1{2}\sqrt{a^2 c^2 - \left( \frac{a^2+c^2-b^2}{2} \right)^2}$

va ser descoberta pels xinesos independentment dels grecs. Va ser publicada a Shushu Jiuzhang ("Tractat de Matemàtiques en Nou Seccions"), escrit per Qin Jiushao i publicat el A.D. 1247.

Demostració

Tot seguit es presenta una demostració moderna, que fa servir àlgebra i trigonometria i és força diferent de la que va donar Heró. Siguen a, b i c els costats del triangle i A, B i C els angles oposats a aquests costats. Es té

$\cos(C) = \frac{a^2+b^2-c^2}{2ab}$

pel teorema del cosinus. A partir d'això aplicant la identitat trigonomètrica pitagòrica es té:

$\sin(C) = \sqrt{1-\cos^2(C)} = \frac{\sqrt{4a^2 b^2 -(a^2 +b^2 -c^2)^2 }}{2ab}$.

L'altura del triangle respecte de la base a té longitud bsin(C), i d'aquí resulta

$A\,$	$= \frac{1}{2} (\mbox{base}) (\mbox{alçària})$
	$= \frac{1}{2} ab\sin(C)$
	$= \frac{1}{4}\sqrt{4a^2 b^2 -(a^2 +b^2 -c^2)^2}$
	$= \frac{1}{4}\sqrt{(2a b -(a^2 +b^2 -c^2))(2a b +(a^2 +b^2 -c^2))}$
	$= \frac{1}{4}\sqrt{(c^2 -(a -b)^2)((a +b)^2 -c^2)}$
	$= \frac{1}{4}\sqrt{(c -(a -b))((c +(a -b))((a +b) -c))((a +b) +c)}$
	$= \sqrt{s\left(s-a\right)\left(s-b\right)\left(s-c\right)}.$

En dos passos diferents s'ha fet servir la identitat notable de la diferència de quadrats.

Demostració fent servir el teorema de Pitàgores

Triangle amb altura h que talla la base c en d+(c−d).

La demostració original d'Heró fa servir quadrilàters cíclics, mentre que altres enfocaments usen la trigonometria com el que s'ha fet servir abans, o al incentre i un cercle tangent a un costat i la prolongació dels altres dos[1]. L'argumentació que segueix redueix la fórmula d'Heró directament al teorema de Pitàgores fent servir només mitjans elementals.

Expressant l'equació de la forma $4A^2= 4s \left( s-a \right) (s-b)(s-c)$ (s'han multiplicat per dos i elevat al quadrat els dos cantons), La part esquerra de la fórmula d'Heró és

$\left( ch \right)^2$ (donat que la base per l'altura és el doble de l'àrea), o

substituint $h^2=b^2-d^2$ pel teorema de Pitàgores,

$\left( cb \right)^2-(cd)^2$

I al cantó de la dreta, tenint en compte que $\left( p+q \right)^2-(p-q)^2=4pq$ queda

$(s(s-a)+ \left( s-b \right) (s-c))^2$   −   $((s\left(s-a \right)-(s-b)(s-c))^2$

A partir d'aquí es pot demostrar que

$cb=s \left( s-a \right)+(s-b)(s-c)$, i

$cd = s \left(s-a \right)-(s-b)(s-c)$.

La primera s'obté immediatament a base de substituir $\left( a+b+c \right)/2$ per $s$ i simplificant. Fent el mateix a la segona es transforma en $\left( b^2+c^2-a^2 \right)/2$. A partir d'aquí, substituint $b^2$ per $d^2+h^2$ i $a^2$ per $(c-d)^2+h^2$, tots dos per Pitàgores, simplificant s'obté $cd$ tal com calia.

Estabilitat numèrica

La fórmula d'Heró tal com s'ha donat a dalt és numèricament inestable per triangles amb un angle molt petit. Una alternativa estable implica reordenar les longituds dels costats de forma que: a ≥ b ≥ c I calcular

$A = \frac{1}{4}\sqrt{(a+(b+c)) (c-(a-b)) (c+(a-b)) (a+(b-c))}.$

El parèntesis de la fórmula sónn necessaris per tal de prevenir inestabilitat numèrica en l'avaluació.

Generalitzacions

La fórmula d'Heró és un cas particular de la fórmula de Brahmagupta fer al càlcul de l'àrea d'un quadrilàter cíclic; totes dues són casos particulars de la fórmula de Bretschneider per a l'àrea d'un quadrilàter. En tots dos cassos la fórmula d'Heró s'obté en cas particular en què la longitud d'un dels costats del quadrilàter és igual a zero.

La fórmula d'Heró també és un cas particular de la fórmula de l'àrea d'un trapezoide basada només en la longitud dels seus costats. La fórmula d'Heró s'obté en el cas particular en què el costat paral·lel més petit té longitud zero.

En trigonometria esfèrica, existeix una fórmula anàloga a la fórmula d'Heró que permet deduir l'àrea d'un triangle esfèric a partir dels seus costats: ve donada pel teorema de l'Hulier. La fórmula d'Heró és un cas particular del teorema de l'Hulier quan el radi de l'esfera tendeix a infinit (la corbatura és zero).

Si s'expressa la fórmula d'Heró com un determinant en termes dels quadrats de les distàncies entre els tres vèrtex donats,

$A = \frac{1}{4} \sqrt{ \begin{vmatrix} 0 & a^2 & b^2 & 1 \\ a^2 & 0 & c^2 & 1 \\ b^2 & c^2 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & 1 & 0 \end{vmatrix} }$

s'il·lustra la seva similitud a la fórmula de Tartaglia per al càlcul del volum d'un tetraedre irregular.

Vegeu també

• Determinants de Cayley-Menger

Referències

• Heath, Thomas L.. A History of Greek Mathematics (Vol II). Oxford University Press, 1921, p. 321-323. 

Enllaços externs

• Fórmula d'Heró a MathWorld (anglès)
• Una demostració del teorema de Pitàgores a partir de la fórmula d'Heró (anglès)
• Càlcul interactiu de l'àrea fent servir la fómula d'Heró (anglès)
• Implementacions de la fórmula d'Heró en diversos llenguatges de programació (anglès)
• J.H. Discussió d'en Conway sobre la fórmula d'Heró (anglès)
• Generalització de la fórmula d'Heró (anglès)