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如何用海伦公式快速判断点在直线的哪一侧

news 来源：原创 2025/5/29 22:31:07

一、海伦公式的定义与推导

1. 海伦公式的定义

海伦公式（Heron’s Formula）是用于计算三角形面积的一种方法，适用于已知三角形三边长度的情况。公式如下：

$\sqrt{s(s - a)(s - b)(s - c)}$

其中：

$ a $、$ b $、$ c $是三角形的三边长度。
$ s $ 是三角形的半周长，计算公式为：
$\frac{a + b + c}{2}$

2. 海伦公式的推导

海伦公式的推导可以通过三角形的面积公式和余弦定理来完成。以下是简要的推导过程：

三角形面积公式：
$\frac{1}{2}ab \sin C$
其中 $ C$ 是边 $ a $ 和边 $ b $ 之间的夹角。
余弦定理：
$c^2 = a^2 + b^2 - 2ab \cos C$
结合上述公式：
通过代数运算和三角恒等式，可以将面积公式转换为仅用三边 $ a $、$ b $、$ c $ 表示的形式，最终得到海伦公式。

二、用海伦公式快速判断点在直线的哪一侧的原理

1. 行列式公式

行列式公式可以快速判断点$ p $ 是否在由两点 $ a $ 和 $ b $构成的直线的某一侧。行列式公式如下：

$D = (x_b - x_a)(y_p - y_a) - (y_b - y_a)(x_p - x_a)$

如果 $ D > 0 $，点 $p $ 在直线 $ ab $ 的左侧。
如果 $ D < 0 $，点$ p $ 在直线$ ab $ 的右侧。
如果 $ D \approx 0 $，点$ p $ 在直线 $ ab $ 上。

2. 海伦公式的应用

如果行列式公式的结果接近零（即点 $ p $ 可能在直线上），可以用海伦公式进一步验证。通过计算三角形 ( abp ) 的面积：

如果面积为零，则点 $p $ 在直线$ ab $ 上。
如果面积不为零，则点 $ p $ 不在直线上。

三、代码实现

以下是用 C++ 实现的代码，结合行列式公式和海伦公式来判断点在直线的哪一侧：

#include <iostream>
#include <cmath>
#include <vector>

using namespace std;

struct Point {
    double x, y;
    Point(double x = 0, double y = 0) : x(x), y(y) {}
};

// 行列式公式判断点 p 在直线 ab 的哪一侧
int determinantSign(const Point& a, const Point& b, const Point& p) {
    double d = (b.x - a.x) * (p.y - a.y) - (b.y - a.y) * (p.x - a.x);
    if (d > 1e-9) return 1;  // 左侧
    if (d < -1e-9) return -1; // 右侧
    return 0;                 // 在直线上
}

// 海伦公式计算三角形面积
double heronArea(const Point& a, const Point& b, const Point& p) {
    double ab = sqrt(pow(b.x - a.x, 2) + pow(b.y - a.y, 2));
    double ap = sqrt(pow(p.x - a.x, 2) + pow(p.y - a.y, 2));
    double bp = sqrt(pow(p.x - b.x, 2) + pow(p.y - b.y, 2));
    double s = (ab + ap + bp) / 2.0;
    return sqrt(s * (s - ab) * (s - ap) * (s - bp));
}

int main() {
    Point a(0, 0), b(4, 0);
    vector<Point> points = {
        {2, 3},  // 在左侧
        {2, -3}, // 在右侧
        {2, 0},  // 在直线上
        {0, 0},  // 在直线上
        {4, 0}   // 在直线上
    };

    for (const auto& p : points) {
        int side = determinantSign(a, b, p);
        if (side == 0) {
            // 如果行列式结果接近零，进一步用海伦公式验证
            double area = heronArea(a, b, p);
            if (area < 1e-9) {
                cout << "Point (" << p.x << ", " << p.y << ") is on the line AB." << endl;
            }
        } else if (side == 1) {
            cout << "Point (" << p.x << ", " << p.y << ") is on the left side of line AB." << endl;
        } else {
            cout << "Point (" << p.x << ", " << p.y << ") is on the right side of line AB." << endl;
        }
    }

    return 0;
}

代码说明

行列式公式：
- 通过行列式公式快速判断点 ( p ) 的位置关系。
- 如果行列式结果大于 ( 1e-9 )，点在左侧；小于 ( -1e-9 )，点在右侧；否则认为点在直线上。
海伦公式：
- 如果行列式结果接近零（即点可能在直线上），进一步用海伦公式计算三角形面积。
- 如果面积小于 ( 1e-9 )，则确认点在直线上。
输出结果：
- 根据行列式公式和海伦公式的结合结果，输出点的位置关系。