什麼是菱形計算器?
菱形是四邊長度皆相等(皆為 \(a\))的四邊形。它的對角相等(\(A = C\)、\(B = D\)),相鄰角互補(\(A + B = 180^\circ\)),而兩條對角線 \(p\) 與 \(q\) 會互相垂直平分。本計算器只要輸入任意兩個已知性質,就能推算出其餘所有數值:各頂點角度、兩條對角線、高、周長以及面積。
使用方式
先從「選擇計算方式」選單中,挑選與你已知的兩個數值相符的項目,例如「已知 \(a\)、\(h\)」或「已知 \(p\)、\(q\)」。接著輸入對應的數值,選擇顯示單位(僅作為標籤,不會改變數字大小)與有效位數,即可讀取完整的計算結果。角度的輸入與顯示皆以「度」為單位。
公式解析
整套運算建立在四個面積恆等式與對角線關係之上。面積可寫成 \(K = a^2 \sin A\)、\(K = \frac{p \cdot q}{2}\),或 \(K = a \cdot h\)。高滿足 \(h = a \cdot \sin A\)。對角線則來自 \(p = 2a\cos\tfrac{A}{2}\) 與 \(q = 2a\sin\tfrac{A}{2}\),兩者合併後即得平行四邊形定律 $$p^2 + q^2 = 4a^2$$ 因此邊長可反推為 \(a = \tfrac{1}{2}\sqrt{p^2 + q^2}\)。周長則很單純,就是 \(P = 4a\)。
實際範例
假設 \(a = 5\)、\(h = 4\),則 \(\sin A = \frac{h}{a} = 0.8\),因此 \(A = \arcsin(0.8) = 53.1301^\circ\),而 \(B = 180 - 53.1301 = 126.870^\circ\)。兩條對角線為 \(p = 2 \cdot 5 \cdot \cos(26.5651^\circ) = 8.94427\),\(q = 2 \cdot 5 \cdot \sin(26.5651^\circ) = 4.47214\)。周長 \(P = 4 \cdot 5 = 20\),面積 \(K = a \cdot h = 20\)(同時也等於 \(\frac{p \cdot q}{2} = 20\))。三種面積算法的結果完全一致。
常見問題
為什麼算出來的角度是銳角? 當只知道邊長搭配高或面積時,菱形的形狀在「銳角」與其「補角」之間是有歧義的。我們以銳角作為 \(A\) 的回報值,並以 \(B = 180^\circ - A\) 作為其補角,兩者完全一致。
單位選單會換算數值嗎? 不會。所有長度共用同一個單位,因此選單只是附加一個標籤;面積則以該單位的平方顯示。
如果菱形根本不存在怎麼辦? 若高大於邊長,或對角線達到 \(2a\),這個形狀就不可能存在或退化;此時計算器會將三角函數的引數加以限制,以確保結果仍有明確定義。