В тригонометрии , то закон косинусов (также известный как формулы косинуса , косинусов , или ал-Каши теоремы «с [1] ) относится длин сторон треугольника на косинус одного из его углов . Используя обозначения, как на рис.1, закон косинусов утверждает
где γ обозначает угол между сторонами длины a и b и противоположной стороной длины c . Для того же рисунка два других соотношения аналогичны:
Закон косинусов обобщает теорему Пифагора , которая верна только для прямоугольных треугольников : если угол γ является прямым углом (с мерой 90 градусов илиπ/2 радиан ), то cos γ = 0 , и, таким образом, закон косинусов сводится к теореме Пифагора :
Закон косинусов полезен для вычисления третьей стороны треугольника, когда известны две стороны и их внутренний угол, и для вычисления углов треугольника, если известны все три стороны.
История
Хотя понятие косинус еще не разработано в свое время, Euclid «s элементы , начиная с 3 - го века до нашей эры, содержит раннюю геометрическую теорему почти эквивалентен закон косинусов. Случаи тупых и острых треугольников (соответствующие двум случаям отрицательного или положительного косинуса) рассматриваются отдельно в предложениях 12 и 13 книги 2. Тригонометрические функции и алгебра (в частности, отрицательные числа) отсутствуют во времена Евклида, т.е. утверждение имеет более геометрический оттенок:
Утверждение 12
В треугольниках с тупым углом квадрат на стороне, образующей тупой угол, больше квадратов на сторонах, содержащих тупой угол, в два раза больше прямоугольника, содержащегося на одной из сторон относительно тупого угла, а именно того, на который падает перпендикуляр. , а прямая отрезана снаружи перпендикуляром к тупому углу.- Евклида элементы , перевод Томаса Л. Хит . [2]
Используя обозначения, как на рис.2, утверждение Евклида можно представить формулой
Эту формулу можно преобразовать в закон косинусов, отметив, что CH = ( CB ) cos (π - γ ) = - ( CB ) cos γ . Предложение 13 содержит полностью аналогичное утверждение для острых треугольников.
Евклид Элементы проложил путь для открытия косинусов. В 15 веке Джамшид аль-Каши , персидский математик и астроном, представил первое явное изложение закона косинусов в форме, пригодной для триангуляции . Он предоставил точные тригонометрические таблицы и выразил теорему в форме, пригодной для современного использования. Начиная с 1990-х годов, во Франции закон косинусов все еще называют Теоретической д'Аль-Каши. [1] [3] [4]
Теорема была популяризировали в западном мире по Вьет в 16 - м века. В начале XIX века современные алгебраические обозначения позволили записать закон косинусов в его нынешней символической форме.
Приложения
Теорема используется в триангуляции для решения треугольника или окружности, т. Е. Для нахождения (см. Рисунок 3):
- третья сторона треугольника, если известны две стороны и угол между ними:
- углы треугольника, если известны три стороны:
- третья сторона треугольника, если известны две стороны и угол, противоположный одной из них (можно также использовать теорему Пифагора, чтобы сделать это, если это прямоугольный треугольник ):
Эти формулы приводят к большим ошибкам округления при вычислениях с плавающей запятой, если треугольник очень острый, т. Е. Если c мало относительно a, а b или γ мало по сравнению с 1. Можно даже получить результат немного больше единицы. для косинуса угла.
Третья показанная формула является результатом решения относительно a в квадратном уравнении a 2 - 2 ab cos γ + b 2 - c 2 = 0 . Это уравнение может иметь 2, 1 или 0 положительных решений, соответствующих количеству возможных треугольников с учетом данных. У него будет два положительных решения, если b sin γ < c < b , только одно положительное решение, если c = b sin γ , и никакого решения, если c < b sin γ . Эти разные случаи также объясняются неоднозначностью конгруэнтности стороны-стороны .
Доказательства
Используя формулу расстояния
Рассмотрим треугольник со сторонами длиной a , b , c , где θ - угол, противоположный стороне длины c . Этот треугольник может быть помещен в декартову систему координат, выровненную по ребру a с началом в точке C, построив компоненты трех точек треугольника, как показано на рисунке 4:
По расстоянию формулы ,
Квадрат с обеих сторон и упрощение
Преимущество этого доказательства состоит в том, что оно не требует рассмотрения различных случаев, когда треугольник острый, прямой или тупой.
Использование тригонометрии
Падение перпендикуляра на сторону c через точку C , высоту треугольника, показывает (см. Рис. 5)
(Это все еще верно, если α или β тупые, и в этом случае перпендикуляр выходит за пределы треугольника.) Умножение на c дает
Рассмотрение двух других высот треугольника дает
Добавление двух последних уравнений дает
Вычитание первого уравнения из последнего приводит к
что упрощает
Это доказательство использует тригонометрию в том смысле, что оно рассматривает косинусы различных углов как самостоятельные величины. Он использует тот факт, что косинус угла выражает отношение между двумя сторонами, охватывающими этот угол в любом прямоугольном треугольнике. Другие доказательства (ниже) более геометрические в том , что они относятся к выражению , таким как через соз Г лишь в качестве метки для длины определенного отрезка.
Во многих доказательствах отдельно рассматриваются случаи тупого и острого углов γ .
Использование теоремы Пифагора
Случай тупого угла
Евклид доказал эту теорему, применив теорему Пифагора к каждому из двух прямоугольных треугольников на показанном рисунке ( AHB и CHB ). Используя d для обозначения отрезка CH и h для высоты BH , треугольник AHB дает нам
а треугольник CHB дает
Расширение первого уравнения дает
Подставляя в это второе уравнение, можно получить следующее:
Это предложение Евклида 12 из Книги 2 Элементов . [5] Чтобы преобразовать его в современную форму закона косинусов, обратите внимание, что
Случай острого угла
Доказательство Евклидом своего предложения 13 происходит по тем же принципам, что и его доказательство предложения 12: он применяет теорему Пифагора к обоим прямоугольным треугольникам, образованным опусканием перпендикуляра на одну из сторон, охватывающих угол γ, и использует биномиальную теорему для упрощения.
Еще одно доказательство в остром случае
Используя больше тригонометрии, закон косинусов можно вывести с помощью теоремы Пифагора только один раз. Фактически, используя правый треугольник в левой части рис. 6, можно показать, что:
используя тригонометрическое тождество
Это доказательство требует небольшой модификации, если b < a cos ( γ ) . В этом случае прямоугольный треугольник, к которому применяется теорема Пифагора, выходит за пределы треугольника ABC . Единственный эффект это оказывает на расчет в том , что величина б - соз ( γ ) заменяется через соз ( гамма ) - б . Поскольку эта величина входит в расчет только через свой квадрат, остальная часть доказательства не затрагивается. Однако эта проблема возникает только тогда, когда β тупой, и ее можно избежать, отразив треугольник относительно биссектрисы γ .
Обращаясь к рис.6, стоит отметить, что если угол, противоположный стороне a, равен α, то:
Это полезно для прямого вычисления второго угла, когда заданы две стороны и включенный угол.
Используя теорему Птолемея
Ссылаясь на схему, треугольник ABC со сторонами AB = c , BC = a и AC = b нарисован внутри его описанной окружности, как показано. Треугольник ABD построен конгруэнтно треугольнику ABC с AD = BC и BD = AC . Перпендикуляры из D и C пересекаются с основанием AB в точках E и F соответственно. Потом:
Теперь закон косинусов передается прямым применением теоремы Птолемея к циклическому четырехугольнику ABCD :
Толком если угол B является правом , то ABCD представляет собой прямоугольник и применение теоремы вытекает Птолемей теорема Пифагора :
Сравнивая области
Можно также доказать закон косинусов, вычисляя площади . Изменение знака по мере того, как угол γ становится тупым, делает необходимым различие случаев.
Напомним, что
- a 2 , b 2 и c 2 - площади квадратов со сторонами a , b и c соответственно;
- если γ острый, то ab cos γ - это площадь параллелограмма со сторонами a и b, образующими угол γ ′ = π/2- γ ;
- если γ тупой, и поэтому cos γ отрицателен, то - ab cos γ - это площадь параллелограмма со сторонами a и b, образующими угол γ ′ = γ - π/2.
Острый случай. На рис. 7а показан семиугольник, разрезанный на более мелкие части (двумя разными способами), чтобы получить доказательство закона косинусов. Различные части
- розовым цветом области a 2 , b 2 слева и области 2 ab cos γ и c 2 справа;
- синим цветом - треугольник ABC , слева и справа;
- в серых, вспомогательных треугольников, все конгруэнтны к ABC , равное количество (а именно , 2) как на левой и с правой стороны .
Равенство площадей слева и справа дает
Тупой случай. Рисунок 7b разрезает шестиугольник двумя разными способами на более мелкие части, что дает доказательство закона косинусов в случае, когда угол γ тупой. У нас есть
- розовым цветом - области a 2 , b 2 и −2 ab cos γ слева и c 2 справа;
- синим цветом - треугольник ABC дважды, слева и справа.
Равенство площадей слева и справа дает
Строгое доказательство должно включать доказательства того, что различные формы конгруэнтны и, следовательно, имеют равную площадь. Это будет использовать теорию равных треугольников .
Использование геометрии круга
Используя геометрию круга , можно дать более геометрическое доказательство, чем использование одной только теоремы Пифагора . Алгебраические манипуляции (в частности, биномиальная теорема ) избегаются.
Случай острого угла γ , где a > 2 b cos γ . Опустите перпендикуляр из A на a = BC , создав отрезок линии длиной b cos γ . Скопируйте прямоугольный треугольник, чтобы сформировать равнобедренный треугольник ACP . Построить окружность с центром А и радиусом Ь , и его касательную ч = BH через B . Касательная h образует прямой угол с радиусом b ( Элементы Евклида : Книга 3, предложение 18; или см. Здесь ), поэтому желтый треугольник на рисунке 8 является прямым. Примените теорему Пифагора, чтобы получить
Затем используйте теорему о касательной секущей ( Элементы Евклида : Книга 3, предложение 36), которая гласит, что квадрат касательной, проходящей через точку B за пределами круга, равен произведению двух отрезков прямых (из B ), созданных любой секущей. окружности через B . В данном случае: BH 2 = BC · BP , или
Подстановка в предыдущее уравнение дает закон косинусов:
Обратите внимание, что h 2 - это степень точки B относительно окружности. Использование теорем Пифагора и теоремы о касательном секансе может быть заменено однократным применением силы точечной теоремы .
Случай острого угла γ , где a <2 b cos γ . Опустите перпендикуляр из A на a = BC , создав отрезок линии длиной b cos γ . Скопируйте прямоугольный треугольник, чтобы сформировать равнобедренный треугольник ACP . Постройте окружность с центром A и радиусом b и хордой, проходящей через B перпендикулярно c = AB , половина из которых h = BH . Примените теорему Пифагора, чтобы получить
Теперь воспользуйтесь теоремой о хорде ( Элементы Евклида : Книга 3, предложение 35), которая гласит, что если две хорды пересекаются, произведение двух отрезков, полученных на одной хорде, равно произведению двух отрезков, полученных на другой хорде. . В данном случае: BH 2 = BC · BP , или
Подстановка в предыдущее уравнение дает закон косинусов:
Обратите внимание, что мощность точки B относительно окружности имеет отрицательное значение - h 2 .
Случай тупого угла γ . В этом доказательстве напрямую используется сила точечной теоремы, без вспомогательных треугольников, полученных путем построения касательной или хорды. Построить окружность с центром B и радиусом а (см рисунок 9), которая пересекает секущую через A и C в C и K . Мощность точки А по отношению к окружности равно как AB 2 - БК 2 и переменного тока · АК . Следовательно,
который является законом косинусов.
Используя алгебраические меры для отрезков прямых (с учетом отрицательных чисел в качестве длин отрезков), случай тупого угла ( CK > 0 ) и острого угла ( CK <0 ) можно рассматривать одновременно.
Используя закон синусов
Используя закон синусов и зная, что углы треугольника должны составлять в сумме 180 градусов, мы получаем следующую систему уравнений (три неизвестных - это углы):
Тогда, используя третье уравнение системы, мы получаем систему двух уравнений с двумя переменными:
где мы использовали тригонометрическое свойство, согласно которому синус дополнительного угла равен синусу угла.
Использование тождества (см. Тождества суммы углов и разности )
приводит к
Разделив всю систему на cos γ , получим:
Следовательно, из первого уравнения системы можно получить
Подставляя это выражение во второе уравнение и используя
мы можем получить одно уравнение с одной переменной:
Умножая на ( b - c cos α ) 2 , мы можем получить следующее уравнение:
Из этого следует
Вспоминая тождество Пифагора , получаем закон косинусов:
Использование векторов
Обозначить
Следовательно,
Взяв скалярное произведение каждой стороны с собой:
Использование идентичности (см. Точечный продукт )
приводит к
Результат следует.
Равнобедренный случай
Когда a = b , т. Е. Когда треугольник равнобедренный, две стороны которого равны под углом γ , закон косинусов значительно упрощается. А именно, поскольку a 2 + b 2 = 2 a 2 = 2 ab , закон косинусов принимает вид
или же
Аналог для тетраэдров
Аналогичное утверждение начинается с того, что α , β , γ , δ считаются площадями четырех граней тетраэдра . Обозначим двугранные углы черези т. д. Тогда [6]
Версия для малых углов
Когда угол γ мал и смежные стороны a и b имеют одинаковую длину, правая часть стандартной формы закона косинусов может потерять большую точность, что приведет к потере значимости числовых значений . В ситуациях, когда это важно , может оказаться полезной математически эквивалентная версия закона косинусов, аналогичная формуле гаверсинуса :
В пределе бесконечно малого угла закон косинусов вырождается в формулу длины дуги окружности c = a γ .
В сферической и гиперболической геометрии
Версии, подобные закону косинусов для евклидовой плоскости, также справедливы для единичной сферы и в гиперболической плоскости. В сферической геометрии треугольник определяется тремя точками u , v и w на единичной сфере и дугами больших окружностей, соединяющими эти точки. Если эти большие круги образуют углы A , B и C с противоположными сторонами a , b , c, то сферический закон косинусов утверждает, что выполняются оба следующих соотношения:
В гиперболической геометрии пара уравнений вместе известна как гиперболический закон косинусов . Первый - это
где sinh и cosh - гиперболический синус и косинус , а второй -
Как и в евклидовой геометрии, можно использовать закон косинусов для определения углов A , B , C из знания сторон a , b , c . В отличие от евклидовой геометрии обратное также возможно в обеих неевклидовых моделях: углы A , B , C определяют стороны a , b , c .
Единая формула для поверхностей постоянной кривизны
Определение двух функций а также в виде
- а также
позволяет объединить формулы для плоскости , сферы и псевдосферы в:
В этих обозначениях - комплексное число , обозначающее радиус кривизны поверхности .
- Для поверхность - сфера радиуса, а его постоянная кривизна равна
- для поверхность представляет собой псевдосферу (мнимого) радиусас постоянной кривизной, равной
- для : поверхность стремится к евклидовой плоскости с постоянной нулевой кривизной.
Проверка формулы неевклидовой геометрии
В первых двух случаях а также хорошо определены на всей комплексной плоскости для всех, и получить предыдущие результаты очень просто.
Следовательно, для сферы радиуса
- .
Аналогично для псевдосферы радиуса
Действительно, а также
Проверка формулы в пределе евклидовой геометрии
В евклидовой плоскости должны быть рассчитаны соответствующие пределы для приведенного выше уравнения:
а также
- .
Применяя это к общей формуле для конечного дает:
Собирая термины, умножая на и принимая дает ожидаемую формулу:
Смотрите также
- Формула половинной стороны
- Закон синусов
- Закон касательных
- Закон котангенсов
- Список тригонометрических тождеств
- Формула Моллвейде
- Решение треугольников
- Триангуляция
Рекомендации
- ^ a b Пиковер, Клиффорд А. (2009). Книга по математике: от Пифагора до 57-го измерения, 250 вех в истории математики . Sterling Publishing Company, Inc. стр. 106. ISBN 9781402757969.
- ^ «Евклид, элементы Томас Л. Хит, сэр Томас Литтл Хит, Эд» . Проверено 3 ноября 2012 года .
- ^ Вычислительная техника: историческая и техническая перспектива . Игараси, Ёсихидэ. Бока-Ратон, Флорида. 2014-05-27. п. 78. ISBN 9781482227413. OCLC 882245835 .CS1 maint: другие ( ссылка )
- ^ Илия Барук (2008). Причинность I. Теория энергии, времени и пространства, Том 2 . п. 174.
- ^ Версия Java-апплета профессора Д. Е. Джойса из Университета Кларка.
- ^ Кейси, Джон (1889). Трактат о сферической тригонометрии: и ее применение в геодезии и астрономии с многочисленными примерами . Лондон: Longmans, Green, & Company. п. 133.
Внешние ссылки
- "Теорема косинусов" , Энциклопедия математики , EMS Press , 2001 [1994]
- Несколько выводов закона косинусов, в том числе закон Евклида в разорванном узле
- Интерактивный апплет закона косинусов