Стандартные обозначения углов и сторон треугольника
Теорема косинусов — теорема евклидовой геометрии, обобщающая теорему Пифагора на произвольные плоские треугольники.
Формулировка[править | править код]
Для плоского треугольника со сторонами и углом , противолежащим стороне ,
справедливо соотношение:
Квадрат стороны треугольника равен сумме квадратов двух других сторон минус удвоенное произведение этих сторон на косинус угла между ними[1]
Доказательства[править | править код]
Классическое доказательство
Рассмотрим треугольник ABC. Из вершины C на сторону AB опущена высота CD. Из треугольника ADC следует:
- ,
откуда
- .
Запишем теорему Пифагора для двух прямоугольных треугольников ADC и BDC:
Приравниваем правые части уравнений (1) и (2) и:
или
- .
Случай, когда один из углов при основании тупой (и высота падает на продолжение основания), полностью аналогичен рассмотренному.
Выражения для сторон b и c:
- .
Доказательство через координаты
Одним из доказательств является доказательство её в координатной плоскости.
Внесём в координатную плоскость произвольный треугольник ABC так, чтобы точка А совпала с началом координат, а прямая АВ лежала на прямой ОХ. Введём обозначения AB=c, AC=b, CB=a, a угол CAB=α(пока будем считать что α≠90°).
Тогда точка A имеет координаты (0;0), точка B(c;0). Через функцию sin и cos, а также сторону АС=b выведем координаты точки С. С(b×cosα;b×sinα).
Координаты точки С остаются неизменными при тупом и остром угле α.
Зная координаты С и B, а также зная, что CB=a, найдя длину отрезка, мы можем составить равенство:
Так как
(основное тригонометрическое тождество), то
Теорема доказана.
Для прямого угла α, теорема также работает cos90°=0 и a²=b²+с² – известная всем теорема Пифагора. Но так как в основе координатного метода лежит теорема Пифагора, то доказательство её через теорему косинусов не совсем правильно.
Доказательство через векторы
Ниже подразумеваются операции над векторами, а не длинами отрезков
Так как скалярное произведение векторов равно произведению их модулей (длин) на косинус угла между ними, последнее выражение можно переписать:
где a, b, c — длины соответствующих векторов
Следствия[править | править код]
- Теорема косинусов может быть использована для нахождения косинуса угла треугольника
- В частности,
- Теорема косинусов может быть записана также в следующем виде[2]:
- ,
- .
Доказательство
Последние две формулы мгновенно следуют из основной формулы теоремы косинусов (см. в рамке выше), если в правой её части воспользоваться формулами разложения квадрата суммы (для второй формулы – квадрата разности) двух членов на квадратный трехчлен, являющийся полным квадратом. Для получения окончательного результата (двух формул выше) в правой части надо еще воспользоваться известными тригонометрическими формулами:
- ,
- .
Кстати, вторая формула формально не содержит косинусов, но её все равно именуют теоремой косинусов.
Для других углов[править | править код]
Теорема косинусов для двух других углов имеет вид:
Из этих и из основной формулы могут быть выражены углы:
История[править | править код]
Утверждения, обобщающие теорему Пифагора и эквивалентные теореме косинусов, были сформулированы отдельно для случаев острого и тупого угла в 12 и 13 предложениях II книги «Начал» Евклида.
Утверждения, эквивалентные теореме косинусов для сферического треугольника, применялись в сочинениях ал-Баттани.[3]:105
Теорему косинусов для сферического треугольника в привычном нам виде сформулировал Региомонтан, назвав её «теоремой Альбатегния» по имени ал-Баттани.
В Европе теорему косинусов популяризовал Франсуа Виет в XVI столетии.
В начале XIX столетия её стали записывать в принятых по сей день алгебраических обозначениях.
Вариации и обобщения[править | править код]
- Теоремы косинусов (сферическая геометрия) или Теорема косинусов для трёхгранного угла.
- Теоремы косинусов (геометрия Лобачевского)
- Тождество параллелограмма. Сумма квадратов диагоналей параллелограмма равна сумме квадратов его сторон (см. также Теорема Птолемея):
Для евклидовых нормированных пространств[править | править код]
Пусть в евклидовом пространстве задана норма, ассоциированная со скалярным произведением, то есть . Тогда теорема косинусов формулируется следующим образом:
Теорема.
Для четырёхугольников[править | править код]
Возводя в квадрат тождество можно получить утверждение, иногда называемое теоремой косинусов для четырёхугольников:
- , где — угол между прямыми AB и CD.
Или иначе:
- Формула справедлива и для тетраэдра, под подразумевается угол между скрещивающимися ребрами.
- С помощью неё можно найти косинус угла между скрещивающимися ребрами и зная все ребра тетраэдра:
- Где и , и пары скрещивающихся ребер тетраэдра.
Косвенный аналог для четырёхугольника[править | править код]
Соотношение Бретшнайдера — соотношение в четырёхугольнике, косвенный аналог теоремы косинусов:
Между сторонами a, b, c, d и противоположными углами и диагоналями e, f простого (несамопересекающегося) четырёхугольника выполняется соотношение:
- Если четырёхугольник вырождается в треугольник, и одна вершина попадает на сторону, то получается теорема Стюарта.
- Теорема косинусов для треугольника является частным случаем соотношения Бретшнайдера, если в качестве четвёртой вершины выбрать центр описанной окружности треугольника.
Симплексы[править | править код]
при этом мы должны зачеркнуть строку и столбец, где находится или .
A — угол между гранями и , -грань, находящаяся против вершины i,– расстояние между вершинами i и j.
См. также[править | править код]
- Решение треугольников
- Скалярное произведение
- Соотношение Бретшнайдера
- Теорема косинусов для трёхгранного угла
- Теорема о проекциях
- Теорема Пифагора
- Сферическая теорема косинусов
- Теорема котангенсов
- Теорема синусов
- Теорема тангенсов
- Тригонометрические тождества
- Тригонометрические функции
Примечания[править | править код]
- ↑ Атанасян Л. С., Бутузов В. Ф., Кадомцев С. Б. и др. Геометрия 7—9: учеб. для общеобразоват. учреждений — 15-е изд. — М.: Просвещение, 2005. — С. 257. — 384 с.: ил. — ISBN 5-09-014398-6
- ↑ 1 2 Корн Г. А., Корн Т. М. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: «Наука», 1974. — С. 51. — 832 с.
- ↑ Florian Cajori. A History of Mathematics — 5th edition 1991
Литература[править | править код]
- Понарин Я. П. Элементарная геометрия. В 2 т. — М.: МЦНМО, 2004. — С. 84—85. — ISBN 5-94057-170-0.
Elena Schatz
Высший разум
(140343)
13 лет назад
Решение:
Для нахождения длин сторон треугольника воспользуемся формулой нахождения расстояния между двумя данными точками
s = ((x2 – x1)^2+(y2-y1)^2)^(1/2)
где (x1,y1) и (x2, y2) – это координаты начала и конца отрезка.
Елена Гужвенко
Гений
(53581)
13 лет назад
Найти координаты векторов, образующих каждую сторону:
АВ=(х2-х1; у2-у1)
АС и АД аналогично.
Найти длины векторов |AB|=корень из суммы квадратов соответствующих координат векторов
Удачи!
Дядя ВаняПрофи (959)
13 лет назад
Спасибо большое… но не могли бы Вы немного по подробнее…
я не совсем понял… пожалуйста )))
Triangle is a closed figure which is formed by three line segments. It consists of three angles and three vertices. The angles of triangles can be the same or different depending on the type of triangle. There are different types of triangles based on line and angles properties.
Properties of a Triangle:
1. Each triangle has 3 sides and 3 angles.
2. Sum of all the angles of triangles is 180°
3. Perimeter of a triangle is the sum of all three sides of the triangle.
4. A triangle has 3 vertices.
Types of Triangles based on line Properties
Scalene Triangle: Scalene Triangle is a type of triangle in which all the sides are of different lengths. All the angles of a scalene triangle are different from one another.
Isosceles Triangle: Isosceles Triangle is another type of triangle in which two sides are equal and the third side is unequal. In this triangle, the two angles are also equal and the third angle is different.
Right-angled Triangle: A right-angled triangle is one that follows the Pythagoras Theorem and one angle of such triangles is 90 degrees which is formed by the base and perpendicular. The hypotenuse is the longest side in such triangles.
Equilateral Triangle: An equilateral triangle is a triangle in which all the three sides are of equal size and all the angles of such triangles are also equal.
Finding Third Side of a Triangle given Two Sides
Lets assume that the triangle is Right Angled Triangle because to find a third side provided two sides are given is only possible in a right angled triangle.
We know that the right-angled triangle follows Pythagoras Theorem
According to Pythagoras Theorem, the sum of squares of two sides is equal to the square of the third side.
(Perpendicular)2 + (Base)2 = (Hypotenuse)2
Using the above equation third side can be calculated if two sides are known.
Example: Suppose two sides are given one of 3 cm and the other of 4 cm then find the third side.
Lets take perpendicular P = 3 cm and Base B = 4 cm.
using Pythagoras theorem
P2 + B2 = H2
(3)2 + (4)2 = H2
9 + 16 = H2
25 = H2
H = 5
Sample Questions
Question 1: Find the measure of base if perpendicular and hypotenuse is given, perpendicular = 12 cm and hypotenuse = 13 cm.
Solution:
Perpendicular = 12 cm
Hypotenuse = 13 cm
Using Pythagoras Theorem
P2 + B2 = H2
B2 = H2 – P2
B2 = 132 – 122
B2 = 169 – 144
B2 = 25
B = 5
Question 2: Perimeter of the equilateral triangle is 63 cm find the side of the triangle.
Solution:
Perimeter of an equilateral triangle = 3×side
3×side = 64
side = 63/3
side = 21 cm
Question 3: Find the measure of the third side of a right-angled triangle if the two sides are 6 cm and 8 cm.
Solution:
Perpendicular = 6 cm
Base = 8 cm
Using Pythagoras Theorem
H2 = P2 + B2
H2 = P2 + B2
H2 = 62 + 82
H2 = 36 + 64
H2 = 100
H = 10 cm
Question 4: Find whether the given triangle is a right-angled triangle or not, sides are 48, 55, 73?
Solution:
A right-angled triangle follows the Pythagorean theorem so we need to check it .
Sum of squares of two small sides should be equal to the square of the longest side
so 482 + 552 must be equal to 732
2304 + 3025 = 5329 which is equal to 732 = 5329
Hence the given triangle is a right-angled triangle because it is satisfying the Pythagorean theorem.
Question 5: Find the hypotenuse of a right angled triangle whose base is 8 cm and whose height is 15 cm?
Solution:
Using Pythagorean theorem, a2 + b2 = c2
So 82 + 152 = c2
hence c = √(64 + 225)
c = √289
c = 17 cm
Last Updated :
15 Feb, 2022
Like Article
Save Article
Теорема косинусов отлично помогает в решении треугольников. Решение треугольника – это нахождение всех его сторон и углов. Но если нам даны только стороны треугольника, как определить углы в нем? Вот тогда и приходит на помощь теорема косинусов. Это общий случай теоремы Пифагора, подходящий для треугольника с любым углом, не только с углом 900.
Теорема и доказательство
Теорема косинусов
Квадрат стороны треугольника равен сумме квадратов двух других сторон без удвоенного произведения этих сторон на косинус угла между ними.
Доказательство теоремы косинусов
Докажем теорему. Для этого нарисуем треугольник ABC и докажем, что:
Если рассматривать стороны треугольника, как векторы, то будет справедливо равенство:
.
В теореме в квадрате, значит возведем векторное равенство в квадрат, получим:
Так как, , , а скалярное произведение векторов равно произведению их модулей на косинус угла между ними, то есть .
Подставим все в формулу (2):
.
Что и требовалось доказать.
Следствие теоремы косинусов
Проведем высоты :
Обратим внимание, что . То есть – это проекция стороны на сторону треугольника . Если угол А острый, то , если угол А тупой, то косинус угла А будет отрицательным и . То есть из теоремы косинусов вытекает важное следствие:
квадрат стороны треугольника равен сумме квадратов двух других сторон “” удвоенное произведение одной из них на проекцию другой на эту сторону. Знак надо брать, если угол тупой, а знак , если угол острый.
Задачи на теорему косинусов
Задача 1
Найдите , если дано: , , .
Решение: Так как нам известен угол между сторонами и и известна сторона – мы сможем найти сторону , если воспользуемся теоремой косинусов.
Из теоремы косинусов выразим сторону .
Получим:
Обозначим
Тогда
Получаем квадратное уравнение. Подставим в него значения и решим:
Находим дискриминант:
.
Тогда .
– не может быть длиной стороны треугольника.
Ответ: 12.
Задача 2
В треугольника ABC , , . Найдите
Решение: Нарисуем треугольник ABC. Это равнобедренный треугольник.
Запишем теорему косинусов для сторону так как нам дан угол между двумя другими сторонами:
.
Так как , то из формулы (1), получим:
Сделаем замену: :
,
перенесем в правую часть равенства и получим квадратное уравнение:
,
Подставим значения:
Так как , значит, .
Ответ: 6
Задача 3
Решите треугольник ABC, если известно, что , , .
Решение: Решить треугольник – это значит, найти все его стороны и все углы. Нам два угла даны, значит, зная, что сумма всех углов в треугольнике равна получим:
.
Обозначим неизвестные стороны треугольника: , .
Выразим сторону треугольник по теореме косинусов:
Выразим сторону треугольника по теореме косинусов:
или
Решим уравнения (1) и (2) совместно, записав их в систему уравнений:
Преобразуем второе уравнение системы:
Сложим первое и второе уравнения системы и запишем получившееся уравнение вместо второго уравнения, получим:
Из второго уравнения выразим :
Итак, мы выразили из второго уравнения системы, теперь возьмем и подставим его в первое уравнение и сделаем необходимые преобразования.
, раскрываем скобки и умножим левую и правую части уравнения на 2:
Разделим левую и правую части уравнения на 2:
.
Получили квадратное уравнение. Решим его.
Находим дискриминант:
Тогда корни уравнения:
.
Оба значения подходят – они положительны. Находим, :
– отрицательное значение нам не подходит.
.
Таким образом, получаем следующие значения , .
Вы можете самостоятельно сделать проверку и убедиться в том, что данные значения верны.
Ответ: , .
Теорема косинусов для треугольника очень помогает в решении геометрических задач, однако некоторые задачи усложняются, если не знать еще одну теорему – синусов. Например, третью задачу мы могли решить гораздо проще – используя теорему синусов, с помощью которой мы бы довольно быстро получили тот же результат для . Однако, с ней мы бы получили лишь приближенное значение . Теорема косинусов дает нам точный результат. Однако, в дальнейшем, когда вы выучите две теоремы – рекомендуем решать задачи, используя их обе.
В статье про прямоугольный треугольник посмотрели задачи связанные с синусами и косинусами из 1 части ОГЭ. Так что обязательно заглядывай.
Получается, что решить прямоугольный треугольник (найти все стороны и острые углы) можно довольно просто, зная всего лишь два элемента прямоугольного треугольника :две стороны (по теореме Пифагора) или сторону и острый угол (из определений синуса, косинуса, тангенса).
Но решить треугольник (найти все стороны и углы ) можно и произвольный, зная три элемента: три стороны, две стороны и угол, или два угла и сторону.
Для первых двух случаев в решении пользуются теоремой косинусов (вполне возможно эта тема вас поджидает уже на следующей неделе в школе, а может уже и была):
в любом треугольнике квадрат одной стороны равен сумме квадратов двух других сторон минус удвоенное произведение этих двух сторон на косинус угла между ними.
- Если известны три стороны треугольника можно найти косинусы всех углов
- Если известны две стороны и угол между ними треугольника, то можно найти третью сторону.
В этом случае полезно пользоваться таблицей значений косинусов некоторых углов :
Рассмотрим решение задачи №16 из сборника Ященко (36 вариантов) на теорему косинусов :
Изобразим треугольник АВС и найдем в нем противолежащую сторону для угла АВС.
Из рисунка видно, что противолежащая сторона – это сторона АС.
Для стороны АС записываем теорему косинусов:
Подставим значения всех сторон:
Переносим все “свободные” числа (меняя знак) в левую часть равенства и считаем:
Находим косинус угла АВС, как неизвестный множитель:
Записываем ответ:
Если вы знаете того, кто готовится к ОГЭ, не забудьте поделиться с ним этой информацией. Всегда пригодится.