Можно ли использовать теорему синусов в прямоугольном треугольнике
Содержание статьи
Теорема Косинусов и Синусов треугольника. Формулы и примеры
Формулировка и доказательство теоремы косинусов
Для начала вспомним теорему Пифагора: в прямоугольном треугольнике квадрат длины гипотенузы равен сумме квадратов длин катетов.
Формула Теоремы Пифагора:
a2> + b2> = c2>, где a, b — катеты, с — гипотенуза.
Из формулы следует: a2 = c2 — b2
К полученному выражению прибавим и отнимем квадрат второго катета:
Но так как b = c * cos α, то
Эту формулу мы получили для катетов в прямоугольном треугольнике, но аналогичная связь между стороной а и косинусом противолежащего угла справедлива и для произвольного треугольника.
Теорема косинусов звучит так: квадрат стороны треугольника равен сумме квадратов двух других его сторон минус удвоенное произведение этих сторон на косинус угла между ними.
Формула теоремы косинусов:
a2 = b2 + c2 — 2bc cos α
В доказательстве теоремы косинусов используем формулу длины отрезка в координатах. Рассмотрим данную формулу:
BC2 = (x2 — x1)2 + (y2 — y1)2
В доказательстве теоремы косинусов BC — это сторона треугольника АВС, которая обозначена буквой а. Введем удобную систему координат и найдем координаты нужных нам точек. У точки В координаты (с; 0).
Координаты точки С — (b cos α; b sin α) при α ∈ (0° ; 180°).
BC2 = a2 = (b cos α — c)2 + b2sin2α = b2cos2α + b2sin2α — 2bc cos α + c2 = b2(cos2α + sin2α) — 2bc cos α + c2
cos2α + sin2α = 1 — основное тригонометрическое тождество.
b2(cos2α + sin2α) — 2bc cos α + c2 = b2 + c2 — 2bc cos α
Что и требовалось доказать.
Следствие из теоремы косинусов: теорему косинусов также можно использовать для определения косинуса угла треугольника:
- Когда b2 + c2 — a2 > 0, угол α будет острым.
- Когда b2 + c2 — a2 = 0, угол α будет прямым.
- Когда b2 + c2 — a2 < 0, угол α будет тупым.
Запоминаем
Когда угол α прямой, то теорема косинусов превращаеся в теорему Пифагора.
Сформулируем еще одно доказательство теоремы косинусов.
Пусть нам дан треугольник ABC, в котором из вершины C на сторону AB опустили высоту CD. Это значит:
- AD = b * cos α,
- DB = c – b * cos α.
Запишем теорему Пифагора для двух прямоугольных треугольников ADC и BDC:
- h2 = b2 — (b * cos α)2
- h2 = a2 — (c – b * cos α)2
Приравниваем правые части уравнений:
- b2 — (b * cos α)2 = a2 — (c — b * cos α)2
либо
- a2 = b2 + c2 — 2bc * cos α
Если один из углов при основании тупой (высота упирается в продолжение основания), полностью аналогичен рассмотренному выше.
Определим стороны b и c:
- b2 = a2 + c2 — 2ac * cos β;
- c2 = a2 + b2 — 2ab * cos γ.
Формулировка теоремы для каждой из сторон треугольника
Теорема косинусов справедлива для всех сторон треугольника, то есть:
a2 = b2 + c2 — 2bc cos α
b2 = c2 + a2 — 2ca cos β
c2 = a2 + b2 — 2ab cos γ
Таким образом, теорема косинусов обобщает теорему Пифагора. Закон косинуса может быть использован для любого вида треугольника.
Описание формулы косинуса угла из теоремы косинусов
Теорема косинусов позволяет найти как косинус, так и угол треугольника. Найдём косинусы углов:
Аналогично:
Определение угла с помощью косинуса
А теперь обратим внимание на углы.
Как мы уже знаем, косинус угла из промежутка (0°; 180°) определяет угол (в отличие от его синуса).
Пусть нам дана единичная полуокружность. Если нам задан cos α, то нам задана точка на верхней полуокружности и задан угол α. Следовательно, cos α однозначно определяет точку М(cos α; sin α), и однозначно определяется угол ∠AOM.
Рассмотрение пределов изменения cos α и sin α
Рассмотрим пределы изменения синуса и косинуса α. Вспомним, что если α — угол треугольника, то он лежит в пределах от 0° до 180°.
Предел изменения косинуса: -1 < cos α < 1.
Предел изменения синуса: 0 < sin α ≤ 1.
- Если cos α > 0, то α ∈ (0°;90°)
- Если cos α < 0, то α ∈ (90°;180°)
- Если cos α = 0, то α = 90°
Примеры решения задач
При помощи теоремы косинусов можно решать задачки по геометрии. Рассмотрим интересные случаи.
Пример 1. Дан треугольник АВС. Найти длину СМ.
∠C = 90°, АВ = 9, ВС = 3, AM/MB = 1/2, где М — точка на гипотенузе АВ.
Как решаем:
- Так как АМ + МВ = 9, а AM/MB = 1/2, то АМ = 3, МВ = 6.
Из треугольника АВС найдем cos B: - Из треугольника СМВ по теореме косинусов найдём СМ:
Ответ: СМ = √33.
Пример 2. Дан треугольник АВС, в котором a2 + b2 < c2. Доказать, что ∠C — тупой угол.
Как доказываем:
- Для доказательства нужно вспомнить теорему косинусов для угла ∠C:
- Так как a2 + b2 < c2, то cos C < 0, следовательно, ∠C — тупой.
Что и требовалось доказать.
Эта задача нам показала, что с помощью теоремы косинусов можно определить тупой угол или острый.
- Если c2 = a2 + b2, то ∠C = 90°.
- Если c2 < a2 + b2, то ∠C — острый.
Чтобы ребенок еще лучше учился в школе, запишите его на уроки математики в онлайн-школу Skysmart. Наши преподаватели понятно объяснят что угодно — от дробей до синусов — и ответят на вопросы, которые бывает неловко задать перед всем классом. А еще помогут догнать сверстников и справиться со сложной контрольной.
Вместо скучных параграфов ребенка ждут интерактивные упражнения с мгновенной автоматической проверкой и онлайн-доска, где можно рисовать и чертить вместе с преподавателем. Приходите на бесплатный вводный урок математики вместе с ребенком и попробуйте сами!
Источник
Теорема синусов. Формулы и доказательства
Доказательство теоремы синусов
Теорема синусов звучит так: стороны треугольника пропорциональны синусам противолежащих углов.
Нарисуем стандартный треугольник и запишем теорему формулой:
Формула теоремы синусов:
Докажем теорему с помощью формулы площади треугольника через синус его угла.
Из этой формулы мы получаем два соотношения:
На b сокращаем, синусы переносим в знаменатели:
bc sinα = ca sinβ
Из этих двух соотношений получаем:
Теорема синусов для треугольника доказана.
Эта теорема пригодится, чтобы найти:
- Стороны треугольника, если даны два угла и одна сторона.
- Углы треугольника, если даны две стороны и один прилежащий угол.
Чтобы подружиться с синусом и применять теоремы в нужный момент, запишите ребенка на бесплатный вводный урок математики в онлайн-школу Skysmart.
Ученики решают задачки в интерактивном формате, отслеживают прогресс в личном кабинете и чувствуют себя увереннее на контрольных и экзаменах в школе.
Доказательство следствия из теоремы синусов
У теоремы синусов есть важное следствие. Нарисуем треугольник, опишем вокруг него окружность и рассмотрим следствие через радиус.
где R — радиус описанной около треугольника окружности.
Так образовались три формулы радиуса описанной окружности:
Основной смысл следствия из теоремы синусов заключен в этой формуле:
Радиус описанной окружности не зависит от углов α, β, γ. Удвоенный радиус описанной окружности равен отношению стороны треугольника к синусу противолежащего угла.
Для доказательства следствия теоремы синусов рассмотрим три случая.
1. Угол ∠А = α — острый в треугольнике АВС.
Проведем диаметр BA1. В этом случае точка А и точка А1 лежат в одной полуплоскости от прямой ВС.
Используем теорему о вписанном угле и видим, что ∠А = ∠А1 = α. Треугольник BA1C — прямоугольный, в нём ∠ BCA1 = 90°, так как он опирается на диаметр BA1.
Чтобы найти катет a в треугольнике BA1C, нужно умножить гипотенузу BA1 на синус противолежащего угла.
BA1 = 2R, где R — радиус окружности
α = 2R sinα
Следовательно: R = α/2 sinα
Для острого треугольника с описанной окружностью теорема доказана.
2. Угол ∠А = α — тупой в треугольнике АВС.
Проведем диаметр окружности BA1. Точки А и A1 по разные стороны от прямой ВС. Четырёхугольник ACA1B вписан в окружность, и его основное свойство в том, что сумма противолежащих углов равна 180°.
Следовательно, ∠А1 = 180° — α.
Вспомним свойство вписанного в окружность четырёхугольника:
Также известно, что sin(180° — α) = sinα.
В треугольнике BCA1 угол при вершине С равен 90°, потому что он опирается на диаметр. Следовательно, катет а мы находим таким образом:
α = 2R sin (180° — α) = 2R sinα
Следовательно: R = α/2 sinα
Для тупого треугольника с описанной окружностью теорема доказана.
Часто используемые тупые углы:
- sin120° = sin(180° — 60°) = sin60° = 3/√2;
- sin150° = sin(180° — 30°) = sin30° = 1/2;
- sin135° = sin(180° — 45°) = sin45° = 2/√2.
3. Угол ∠А = 90°.
В прямоугольнике АВС угол А прямой, а противоположная сторона BC = α = 2R, где R — это радиус описанной окружности.
Следовательно:
Для прямоугольного треугольника с описанной окружностью теорема доказана.
Теорема о вписанном в окружность угле
Из теоремы синусов и ее следствия можно сделать любопытный вывод: если известна одна сторона треугольника и синус противолежащего угла — можно найти и радиус описанной окружности. Но треугольник не задаётся только этими величинами. Это значит, что если треугольник еще не задан, найти радиус описанной окружности возможно.
Раскроем эту тему на примере теоремы о вписанном в окружность угле и следствиях из нее.
Теорема о вписанном угле: вписанный в окружность угол измеряется половиной дуги, на которую он опирается.
∠А = α опирается на дугу ВС. Дуга ВС содержит столько же градусов, сколько ее центральный угол ∠BOC.
Формула теоремы о вписанном угле:
Следствие 1 из теоремы о вписанном в окружность угле
Вписанные углы, опирающиеся на одну дугу, равны.
∠А = ∠BAC опирается на дугу ВС. Поэтому ∠A = 1/2(∠COB).
Если мы возьмём точки A1, А2,…,Аn и проведём от них лучи, которые опираются на одну и ту же дугу, то получим:
На рисунке изображено множество треугольников, у которых есть общая сторона СВ и одинаковый противолежащий угол. Треугольники являются подобными, и их объединяет одинаковый радиус описанной окружности.
Следствие 2 из теоремы о вписанном в окружность угле
Вписанные углы, которые опираются на диаметр, равны 90°, то есть прямые.
ВС — диаметр описанной окружности, следовательно ∠COB = 180°.
Следствие 3 из теоремы о вписанном в окружность угле
Сумма противоположных углов вписанного в окружность четырёхугольника равна 180°. Это значит, что:
∠A + ∠C = 180°
Угол ∠А = α опирается на дугу DCB. Поэтому DCB = 2α по теореме о вписанном угле.
Угол ∠С = γ опирается на дугу DAB. Поэтому DAB = 2γ.
Но так как 2α и 2γ — это вся окружность, то 2α + 2γ = 360°.
Следовательно: α + γ = 180°.
Поэтому: ∠A + ∠C = 180°.
Следствие 4 из теоремы о вписанном в окружность угле
Синусы противоположных углов вписанного четырехугольника равны. То есть:
sinγ = sin(180° — α)
Так как sin(180° — α) = sinα, то sinγ = sin(180° — α) = sinα
Примеры решения задач
Теорема синусов и следствия из неё активно используются при решении задач. Рассмотрим несколько примеров, чтобы закрепить материал.
Пример 1. В треугольнике ABC ∠A = 45°,∠C = 15°, BC = 4√6. Найти AC.
Как решаем:
- Согласно теореме о сумме углов треугольника:
∠A + ∠B + ∠C = 180°
∠B = 180° — 45° — 15° = 120°
- Сторону AC найдем по теореме синусов:
Ответ: AC = 12.
Пример 2. Гипотенуза и один из катетов прямоугольного треугольника равны 10 и 8 см. Найти угол, который расположен напротив данного катета.
Как решаем:
В этой статье мы узнали, что в прямоугольном треугольнике напротив гипотенузы располагается угол, равный 90°. Примем неизвестный угол за x. Тогда соотношение сторон выглядит так:
Следовательно:
Значит x = sin (4/5) ≈ 53,1°.
Ответ: угол составляет примерно 53,1°.
Запоминаем
Обычная теорема: стороны треугольника пропорциональны синусам противолежащих углов.
>
Расширенная теорема: в произвольном треугольнике справедливо следующее соотношение:
>
Чтобы ребенок еще лучше учился в школе, запишите его на уроки математики. Наши преподаватели понятно объяснят что угодно — от дробей до синусов — и ответят на вопросы, которые бывает неловко задать перед всем классом. А еще помогут догнать сверстников и справиться со сложной контрольной.
Вместо скучных параграфов ребенка ждут интерактивные упражнения с мгновенной автоматической проверкой и онлайн-доска, где можно рисовать и чертить вместе с преподавателем.
Источник
Теорема синусов. Визуальный гид (2020) | YouClever
Привет!
Существуют две теоремы, свзанные с тригонометрией, которые могут оказать тебе огромную услугу в решении задач.
Особенно в решении задач продвинутого уровня, за которые можно получит неплохие баллы на экзамене!
О теореме косинусов можешь прочитать в другой статье, а здесь мы поговорим про теорему синусов. Легкую и полезную.
Поехали!
ШПОРА ПО ТЕОРЕМЕ СИНУСОВ
Для любого ( displaystyle Delta ABC):
( displaystyle frac{a}{sin angle A}=frac{b}{sin angle B}=frac{c}{sin angle C}=2R)
(здесь ( displaystyle R) – радиус описанной окружности)
Что же нам сообщает теорема синусов? Вероятнее всего, что-нибудь о синусах, не правда ли? Давай сформулируем.
Для любого ( displaystyle Delta ABC)
( displaystyle frac{a}{sin angle A}=frac{b}{sin angle B}=frac{c}{sin angle C}=2R)
(здесь ( displaystyle R) – радиус описанной окружности).
Первый вопрос, который возникает при взгляде на эту формулу: «Но при чём же здесь вообще ( displaystyle R)?». Вот давай именно с него и начнём.
НЕ ПРОПУСТИ!
Автор этого учебника, Алексей Шевчук, проводит бесплатные вебинары по самым сложным задачам ЕГЭ по математике и информатике.
На вебинарах все будет еще понятнее. Шорткаты, лайфхаки, разбор «капканов» — все там.
Регистрируйся здесь и приходи!
Тебе уже известно, что около каждого треугольника можно описать окружность. Мы это и сделаем. А потом проведём диаметр ( displaystyle BO).
Пусть этот диаметр пересекает окружность в точке ( displaystyle K). Давай рассмотрим ( displaystyle Delta BKC). Что же это за треугольник?
Ну, конечно же, прямоугольный, ведь в ( displaystyle Delta BKC) угол ( displaystyle C) опирается на диаметр ( displaystyle BKquadRightarrow quadangle C=90{}^circ ) (вспоминаем тему «Окружность. Вписанный угол»).
Но и кроме того, ( displaystyle angle K) в ( displaystyle Delta BKC) равен ( displaystyle angle A) в ( displaystyle Delta ABC), потому что эти углы опираются на одну дугу ( displaystyle BC) (опять вспоминаем ту же тему…).
А теперь просто запишем выражение для синуса ( displaystyle angle K) в прямоугольном ( displaystyle Delta BKC) ( displaystyle sin angle K=frac{a}{BK}).
Но ведь ( displaystyle BK) – диаметр ( displaystyle quadRightarrowquad BK=2R), и ( displaystyle sin angle K=frac{a}{2R}).
Вспомним, что ( displaystyle angle K=angle A) и получим ( displaystyle sin angle A=frac{a}{2R}quadRightarrowquad frac{a}{sin angle A}=2R).
Вот и всё! Провели одну линию, рассмотрели один прямоугольный треугольник – и доказательство готово.
Но как же быть с углами ( displaystyle B) и ( displaystyle C)? – спросишь ты. Да, точно также. Давай рассмотрим ( displaystyle angle B).
Теперь проведём диаметр ( displaystyle AO) и соединим точки ( displaystyle K) и ( displaystyle C).
Как-то тут немного по-другому получается, ты заметил? ( displaystyle Delta AKC), конечно, прямоугольный, так как ( displaystyle angle C) опирается на диаметр ( displaystyle AK).
Но теперь ( displaystyle angle K+angle B=180{}^circ ), потому что четырехугольник ( displaystyle ABCK) – вписанный. (Надеюсь, ты ещё помнишь, что для угла ( displaystyle A) у нас было ( displaystyle angle A=angle K).) В чём же дело?
Ну, просто ( displaystyle angle B) – тупой, поэтому и получилось такое различие. Но, к счастью, для теоремы синусов это различие не играет роли. Сейчас мы в этом убедимся.
Итак, запишем выражение для синуса ( displaystyle angle K) в прямоугольном ( displaystyle Delta AKC).
( displaystyle sin angle K=frac{b}{AK}); то есть ( displaystyle sin angle K=frac{b}{2R})
Но ( displaystyle angle B=180{}^circ -angle KRightarrow sin angle B=sin angle K) (читаем или вспоминаем формулы приведения в тригонометрии.)
Значит, ( displaystyle sin angle B=frac{b}{2R}quadRightarrowquad frac{b}{sin angle B}=2R).
Ну вот, мы рассмотрели и острый, и тупой угол. Если ты все ещё беспокоишься об угле ( displaystyle C), то проделай все те же действия самостоятельно и убедись, что все получается.
Обрати внимание, что мы доказали «четверное равенство».
( displaystyle frac{a}{sin angle A}=frac{b}{sin angle B}=frac{c}{sin angle C}=2R)
в такой последовательности:
( displaystyle left{ begin{array}{l}frac{a}{sin angle A}=2R\frac{b}{sin angle B}=2Rhspace{13mm}Rightarrowquad frac{a}{sin angle A}=frac{b}{sin angle B}=frac{c}{sin angle C}=2R\frac{c}{sin angle C}=2Rend{array} right.)
А теперь внимание! Обсудим пользу этой теоремы.
Понимаешь, теорема синусов – единственный разумный способ для нахождения радиуса описанной окружности.
Почему я так говорю? А ты вспомни сам: ну где ещё в формулах участвует ( displaystyle R)?! Возможно, правда, ты знаком с формулой ( displaystyle S=frac{abc}{4R}), то есть ( displaystyle R=frac{abc}{4S}quad), но!
Давай – ка сравним:
Из теоремы синусов: ( displaystyle R=frac{a}{2sin angle A})
Из формулы площади: ( displaystyle R=frac{abc}{4S}).
Чувствуешь разницу? В первой формуле нужно знать только одну сторону и один угол, а во второй формуле – все стороны, да ещё и площадь! Ну и какую формулу легче применить?
А кроме того, открою тебе маленький секрет: формула ( displaystyle S=frac{abc}{4R}) как раз и доказывается именно с применением теоремы синусов. Чтобы убедиться в этом, читай темы «Площадь круга и его частей», «Площадь треугольника и четырехугольника».
Итак, теорема синусов бывает полезна и для нахождения синуса какого – то угла, если известны две стороны и один угол, но в основном теорема синусов – главный инструмент для нахождения радиуса описанной окружности. Запомни это очень хорошо!
Источник
Синус, косинус и тангенс ?
Изучение тригонометрии мы начнем с прямоугольного треугольника. Определим, что такое синус и косинус, а также тангенс и котангенс острого угла. Это основы тригонометрии.
Напомним, что прямой угол — это угол, равный 90 градусов. Другими словами, половина развернутого угла.
Острый угол — меньший 90 градусов.
Тупой угол — больший 90 градусов. Применительно к такому углу «тупой» — не оскорбление, а математический термин 🙂
Нарисуем прямоугольный треугольник. Прямой угол обычно обозначается . Обратим внимание, что сторона, лежащая напротив угла, обозначается той же буквой, только маленькой. Так, сторона, лежащая напротив угла A, обозначается .
Угол обозначается соответствующей греческой буквой .
Гипотенуза прямоугольного треугольника — это сторона, лежащая напротив прямого угла.
Катеты — стороны, лежащие напротив острых углов.
Катет , лежащий напротив угла , называется противолежащим (по отношению к углу ). Другой катет , который лежит на одной из сторон угла , называется прилежащим.
Синус острого угла в прямоугольном треугольнике — это отношение противолежащего катета к гипотенузе:
Косинус острого угла в прямоугольном треугольнике — отношение прилежащего катета к гипотенузе:
Тангенс острого угла в прямоугольном треугольнике — отношение противолежащего катета к прилежащему:
Другое (равносильное) определение: тангенсом острого угла называется отношение синуса угла к его косинусу:
Котангенс острого угла в прямоугольном треугольнике — отношение прилежащего катета к противолежащему (или, что то же самое, отношение косинуса к синусу):
Обратите внимание на основные соотношения для синуса, косинуса, тангенса и котангенса, которые приведены ниже. Они пригодятся нам при решении задач.
Давайте докажем некоторые из них.
- Сумма углов любого треугольника равна . Значит, сумма двух острых углов прямоугольного треугольника равнa .
- С одной стороны, как отношение противолежащего катета к гипотенузе. С другой стороны, , поскольку для угла катет а будет прилежащим.Получаем, что . Иными словами, .
- Возьмем теорему Пифагора: . Поделим обе части на : Мы получили основное тригонометрическое тождество.
- Поделив обе части основного тригонометрического тождества на , получим: Это значит, что если нам дан тангенс острого угла , то мы сразу можем найти его косинус. Аналогично,
Хорошо, мы дали определения и записали формулы. А для чего все-таки нужны синус, косинус, тангенс и котангенс?
Мы знаем, что сумма углов любого треугольника равна .
Знаем соотношение между сторонами прямоугольного треугольника. Это теорема Пифагора: .
Получается, что зная два угла в треугольнике, можно найти третий. Зная две стороны в прямоугольном треугольнике, можно найти третью. Значит, для углов — свое соотношение, для сторон — свое. А что делать, если в прямоугольном треугольнике известен один угол (кроме прямого) и одна сторона, а найти надо другие стороны?
С этим и столкнулись люди в прошлом, составляя карты местности и звездного неба. Ведь не всегда можно непосредственно измерить все стороны треугольника.
Синус, косинус и тангенс — их еще называют тригонометрическими функциями угла — дают соотношения между сторонами и углами треугольника. Зная угол, можно найти все его тригонометрические функции по специальным таблицам. А зная синусы, косинусы и тангенсы углов треугольника и одну из его сторон, можно найти остальные.
Мы тоже нарисуем таблицу значений синуса, косинуса, тангенса и котангенса для «хороших» углов от до .
Обратите внимание на два красных прочерка в таблице. При соответствующих значениях углов тангенс и котангенс не существуют.
Разберем несколько задач по тригонометрии из Банка заданий ФИПИ.
1. В треугольнике угол равен , . Найдите .
Задача решается за четыре секунды.
Поскольку , .
2. В треугольнике угол равен , , . Найдите .
Имеем:
Отсюда
Найдем по теореме Пифагора.
Задача решена.
Часто в задачах встречаются треугольники с углами и или с углами и . Основные соотношения для них запоминайте наизусть!
Для треугольника с углами и катет, лежащий напротив угла в , равен половине гипотенузы.
Треугольник с углами и — равнобедренный. В нем гипотенуза в раз больше катета.
Мы рассмотрели задачи на решение прямоугольных треугольников — то есть на нахождение неизвестных сторон или углов. Но это не всё! В вариантах ЕГЭ по математике множество задач, где фигурирует синус, косинус, тангенс или котангенс внешнего угла треугольника. Об этом — в следующей статье.
Источник