三角不等式:两边之和为什么必须大于第三边

直线是两点之间最短的路。绕经第三个点只会更长,所以三条线段能围成三角形是有条件的,而且三个条件都要验。

7 分钟思维方法: 估算与放缩

不求精确值,先卡出它落在哪两个数之间

这一片为什么存在

三根木棍:2 厘米、3 厘米、9 厘米。把 9 厘米那根平放在桌上,另外两根从两端往中间够,中间还空着 4 厘米,怎么转都合不拢。旁边有人验了一下 3+9>2,说条件明明满足。问题正出在这里——能不能拼成三角形,动手之前就该算得出来,而要验的从来不是一条式子。

内容

从家到学校,中间路过一趟便利店。绕这一下,路程只会比直接去更长——最多在便利店正好落在那条直线上时打平。这句话没人会反对,而三角不等式就是这句话,一字不差。

翻译成三角形:三个顶点 A、B、C,从 A 到 C 有两条路,一条是直接沿边 AC 走,一条是先拐到 B 再到 C。后者不可能更短,所以 AB + BC ≥ AC。

现在把它反过来用。手里三根棍子,想拼三角形,等于在问:能不能摆出「绕路更长」的样子。把最长的一根 c 平放,另外两根 a、b 各钉在 c 的一端,像圆规一样转。a 和 b 的自由端能够到的最远处,加起来是 a+b。要让两个自由端碰上,a+b 至少得够到 c。

三种情况在这里分开。a+b < c 时,两根合起来都不够长,中间永远空一截,怎么转都合不拢。a+b = c 时,唯一碰得到的姿势是两根一起平躺压在 c 上,三个点挤在同一条直线上,围出的面积是 0——那是一条线段,不是三角形。a+b > c 时,两个自由端在 c 的上方相遇,而且能在对称的两个位置相遇,三角形出现了。

所以等号是分界线,不是及格线。

至于为什么要验三条:「绕路更长」对每一对顶点都得成立,三条边要轮流当那条「直接走的路」。省事的办法确实有——只要最长边小于另外两条之和,剩下两条自动成立。但用它的前提是,你已经认出哪条最长。

设三条线段长为 a、b、c,三个都是正数。它们能围成一个真正的三角形(有面积、三顶点不共线),当且仅当 a+b>c、b+c>a、c+a>b 三条同时成立,而且都是严格不等号。

符号交代:a、b、c 只是三段长度,谁大谁小事先没有预设;> 是严格大于,把等号挡在外面,因为等号对应的是三点共线的退化情形。

三角形已经画出来时,这组式子是定理:任意两边之和大于第三边。用它去判断三段长度能不能成边,走的是逆命题,而逆命题同样成立。

还有一个省力的等价版本:把三段按 a ≤ b ≤ c 排好,只需检验 a+b>c 一条。因为 c ≥ b 且 a > 0,所以 a+c>b;因为 c ≥ a 且 b > 0,所以 b+c>a。这两条不用验。

跟着做一遍

拿纸笔,四组长度,逐一判断能不能拼成三角形。A:2、3、9。B:3、4、7。C:5、5、9。D:6、8、10。先自己判完再往下看步骤,特别留意 A 和 B——它们是两种不同的失败。

  1. 每组按从小到大排好:A(2,3,9)、B(3,4,7)、C(5,5,9)、D(6,8,10)。排完之后,最右边那个就是要被比较的最长边。
  2. 只验一条:前两个数之和,是不是严格大于第三个数。
  3. A:2+3=5,最长边是 9,5 < 9,还差 4,拼不成。注意 3+9>2 和 2+9>3 其实都成立——成立两条毫无用处,三条必须全中。
  4. B:3+4=7,最长边正好是 7。等号,拼不成。把 3 和 4 从 7 的两端放倒,它们首尾恰好相接,三个点连成一条直线,面积是 0。
  5. C:5+5=10 > 9,成立。两根 5 从 9 的两端立起来,在上方相遇,得到一个又扁又宽的等腰三角形。
  6. D:6+8=14 > 10,成立。顺带一提,6²+8²=10²,它还是个直角三角形。
  7. 回头把 C 的另外两条也验一遍,看省力版本有没有骗人:5+9=14>5,成立;另一条同理。三条全中。
  8. 最后换个问法:已经有 5 和 9 两根,第三根允许多长?上界是 5+9=14,下界是 9−5=4,第三根必须严格落在 4 和 14 之间。C 组的第三根是 5,正好在区间里。

结果

能拼成的只有 C 和 D。A 和 B 输的方式不一样:A 是最长边太长,另外两条加起来还差 4;B 是恰好相等,而等号不是勉强及格,是已经塌成一条线段。整个判断压缩成一句话——挑出最长的那条,看另外两条之和有没有严格超过它。第 8 步给的东西还更多一点:两边一旦定下,第三边并非随便取,它被卡在两边之差和两边之和这两个数中间。不量角,不算面积,一次加法一次减法,全部可能就被框死了。

它在树上的位置

概念不是一篇一篇平铺的。下面两组是这一片真实的上下游:它靠着什么,又撑起了什么。

它靠着

它撑起

  • 极端原理:先去看最大的那一个还没写

标着「还没写」的那些没有链接,因为没有页面可去。它们不是被锁住的,也不是花钱能打开的:是还没有人把它们写出来——这是我们这边的事,不是你的。

读完之后

这一页是产品里的一天。产品是那棵树:你学到哪、哪块在衰减、明天该学什么。一篇读物回答不了这三个问题,树才回答。

看看那是什么意思