Триангуляция как найти стороны треугольника - Сайт, где вы сможете решить свои вопросы

Исторический термин «решение треугольников» (лат. solutio triangulorum) обозначает решение следующей тригонометрической задачи: найти остальные стороны и/или углы треугольника по уже известным^[1]. Существуют также обобщения этой задачи на случай, когда заданы другие элементы треугольника (например, медианы, биссектрисы, высоты, площадь и т. д.), а также на случай, когда треугольник располагается не на евклидовой плоскости, а на сфере (сферический треугольник), на гиперболической плоскости (гиперболический треугольник) и т. п. Данная задача часто встречается в тригонометрических приложениях — например, в геодезии, астрономии, строительстве, навигации.

Решение плоских треугольников[править | править код]

Стандартные обозначения в треугольнике

У треугольника^[2] общего вида имеется 6 основных элементов: 3 линейные (длины сторон a,b,c ) и 3 угловые (). Сторону, противолежащую углу при вершине, традиционно обозначают той же буквой, что и эта вершина, но не заглавной, а строчной (см. рисунок). В классической задаче плоской тригонометрии заданы 3 из этих 6 характеристик, и нужно определить 3 остальные. Очевидно, если известны только 2 или 3 угла, однозначного решения не получится, так как любой треугольник, подобный данному, тоже будет решением, поэтому далее предполагается, что хотя бы одна из известных величин — линейная^[3].

Алгоритм решения задачи зависит от того, какие именно характеристики треугольника считаются известными. Поскольку вариант «заданы три угла» исключён из рассмотрения, остаются 5 различных вариантов^[4]:

три стороны;
две стороны и угол между ними;
две стороны и угол напротив одной из них;
сторона и два прилежащих угла;
сторона, противолежащий угол и один из прилежащих.

Основные теоремы[править | править код]

Стандартным методом решения задачи является использование нескольких фундаментальных соотношений, выполняющихся для всех плоских треугольников^[5]:

Теорема косинусов: ${displaystyle a^{2}=b^{2}+c^{2}-2bccdot cos alpha }$; ${displaystyle b^{2}=a^{2}+c^{2}-2accdot cos beta }$; ${displaystyle c^{2}=a^{2}+b^{2}-2abcdot cos gamma }$
Теорема синусов: ${frac {a}{sin alpha }}={frac {b}{sin beta }}={frac {c}{sin gamma }}$
Сумма углов треугольника: $alpha +beta +gamma =180^{circ }$

Из других иногда полезных на практике универсальных соотношений следует упомянуть теорему тангенсов, теорему котангенсов, теорему о проекциях и формулы Мольвейде.

Замечания[править | править код]

Для нахождения неизвестного угла надёжнее использовать теорему косинусов, а не синусов, потому что значение синуса угла при вершине треугольника не определяет однозначно самого угла, поскольку смежные углы имеют один и тот же синус^[6]. Например, если то угол может быть как $30^{circ }$ , так и $150^{circ }$ , потому что синусы этих углов совпадают. Исключением является случай, когда заранее известно, что в данном треугольнике тупых углов быть не может — например, если треугольник прямоугольный. С косинусом такие проблемы не возникают: в интервале от $0^{circ }$ до $180^{circ }$ значение косинуса определяет угол однозначно.
При построении треугольников важно помнить, что зеркальное отражение построенного треугольника тоже будет решением задачи. Например, три стороны однозначно определяют треугольник с точностью до отражения.
Все треугольники подразумеваются невырожденными, то есть длина стороны не может быть нулевой, а величина угла — положительное число, меньшее, чем $180^{circ }$ .

Три стороны[править | править код]

Пусть заданы длины всех трёх сторон a,b,c . Условие разрешимости задачи — выполнение неравенства треугольника, то есть каждая длина должна быть меньше, чем сумма двух других длин:

{displaystyle a<b+c,quad b<a+c,quad c<a+b.}

Чтобы найти углы , надо воспользоваться теоремой косинусов^[7]:

${displaystyle alpha =arccos {frac {b^{2}+c^{2}-a^{2}}{2bc}},quad beta =arccos {frac {a^{2}+c^{2}-b^{2}}{2ac}}.}$

Третий угол сразу находится из правила, что сумма всех трёх углов должна быть равна ${displaystyle 180^{circ }colon }$

${displaystyle gamma =180^{circ }-(alpha +beta ).}$

Не рекомендуется второй угол находить по теореме синусов, потому что, как указано в замечании 1, существует опасность спутать тупой угол с острым. Этой опасности не возникнет, если первым определить, по теореме косинусов, наибольший угол (он лежит против наибольшей из сторон) — два других угла точно являются острыми, и применение к ним теоремы синусов безопасно.

Ещё один метод вычисления углов по известным сторонам — использование теоремы котангенсов.

Заданы две стороны и угол между ними

Две стороны и угол между ними[править | править код]

Пусть для определённости известны длины сторон a,b и угол gamma между ними. Этот вариант задачи всегда имеет единственное решение. Для определения длины стороны применяется теорема косинусов^[8]:

${displaystyle c={sqrt {a^{2}+b^{2}-2abcos gamma }}.}$

Фактически задача сведена к предыдущему случаю. Далее ещё раз применяется теорема косинусов для нахождения второго угла:

${displaystyle alpha =arccos {frac {b^{2}+c^{2}-a^{2}}{2bc}}=arccos {frac {b-acos gamma }{sqrt {a^{2}+b^{2}-2abcos gamma }}}.}$

Третий угол находится из теоремы о сумме углов треугольника: $beta =180^{circ }-alpha -gamma$ .

Заданы две стороны и угол не между ними

Две стороны и угол напротив одной из них[править | править код]

В этом случае решений может быть два, одно или ни одного. Пусть известны две стороны b,c и угол beta . Тогда уравнение для угла gamma находится из теоремы синусов^[9]:

${displaystyle sin gamma ={frac {c}{b}}sin beta .}$

Для краткости обозначим ${displaystyle D={frac {c}{b}}sin beta }$ (правая часть уравнения). Это число всегда положительно. При решении уравнения возможны 4 случая, во многом зависящие от D^[10]^[11].

Задача не имеет решения (сторона «не достаёт» до линии ) в двух случаях: если или если угол $beta geqslant 90^{circ }$ и при этом
Если существует единственное решение, причём треугольник прямоугольный: ${displaystyle gamma =arcsin D=90^{circ }.}$

Если то возможны 2 варианта.
1. Если , то угол имеет два возможных значения: острый угол и тупой угол ${displaystyle gamma '=180^{circ }-gamma }$ . На рисунке справа первому значению соответствуют точка , сторона и угол , а второму значению — точка , сторона и угол .
2. Если , то (большей стороне треугольника соответствует больший противолежащий угол). Поскольку в треугольнике не может быть двух тупых углов, тупой угол для исключён и решение единственно.

Третий угол определяется по формуле ${displaystyle alpha =180^{circ }-beta -gamma }$ . Третью сторону можно найти по теореме синусов:

$a=b {frac {sin alpha }{sin beta }}$

В данном случае заданы сторона и прилежащие к ней углы. Аналогичные рассуждения имеют смысл, даже если один из известных углов противоположен стороне.

Сторона и два угла[править | править код]

Пусть задана сторона и два угла. Эта задача имеет единственное решение, если сумма двух углов меньше $180^{circ }$ . В противном случае задача решения не имеет.

Вначале определяется третий угол. Например, если даны углы , то ${displaystyle gamma =180^{circ }-alpha -beta }$ . Далее обе неизвестные стороны находятся по теореме синусов^[12]:

${displaystyle a=c {frac {sin alpha }{sin gamma }},quad b=c {frac {sin beta }{sin gamma }}.}$

Решение прямоугольных треугольников[править | править код]

Прямоугольный треугольник

В этом случае известен один из углов — он равен 90°. Необходимо знать ещё два элемента, хотя бы один из которых — сторона. Возможны следующие случаи:

два катета;
катет и гипотенуза;
катет и прилежащий острый угол;
катет и противолежащий острый угол;
гипотенуза и острый угол.

Вершину прямого угла традиционно обозначают буквой , гипотенузу — . Катеты обозначаются и , а величины противолежащих им углов — alpha и beta соответственно.

Расчётные формулы существенно упрощаются, так как вместо теорем синусов и косинусов можно использовать более простые соотношения — теорему Пифагора:

$c^{2}=a^{2}+b^{2}$

и определения основных тригонометрических функций:

$sin alpha =cos beta ={frac {a}{c}},quad cos alpha =sin beta ={frac {b}{c}},$

${displaystyle operatorname {tg} alpha =operatorname {ctg} beta ={frac {a}{b}},quad operatorname {ctg} alpha =operatorname {tg} beta ={frac {b}{a}}.}$

Ясно также, что углы alpha и beta — острые, так как их сумма равна $90^{circ }$ . Поэтому любой из неизвестных углов однозначно определяется по любой из его тригонометрических функций (синусу, косинусу, тангенсу и др.) путём вычисления соответствующей обратной тригонометрической функции.

При корректной постановке задачи (если заданы гипотенуза и катет, то катет должен быть меньше гипотенузы; если задан один из двух непрямых углов, то он должен быть острый) решение всегда существует и единственно.

Два катета[править | править код]

Гипотенуза находится по теореме Пифагора:

$c={sqrt {a^{2}+b^{2}}}.$

Углы могут быть найдены с использованием функции арктангенса:

${displaystyle alpha =operatorname {arctg} {frac {a}{b}},quad beta =operatorname {arctg} {frac {b}{a}}}$

или же по только что найденной гипотенузе:

$alpha =arcsin {frac {a}{c}}=arccos {frac {b}{c}},quad beta =arcsin {frac {b}{c}}=arccos {frac {a}{c}}.$

Катет и гипотенуза[править | править код]

Пусть известны катет и гипотенуза — тогда катет находится из теоремы Пифагора:

$a={sqrt {c^{2}-b^{2}}}.$

После этого углы определяются аналогично предыдущему случаю.

Катет и прилежащий острый угол[править | править код]

Пусть известны катет и прилежащий к нему угол alpha .

Гипотенуза находится из соотношения

$c={frac {b}{cos alpha }}.$

Катет может быть найден либо по теореме Пифагора аналогично предыдущему случаю, либо из соотношения

Острый угол beta может быть найден как

$beta =90^{circ }-alpha .$

Катет и противолежащий острый угол[править | править код]

Пусть известны катет и противолежащий ему угол beta .

Гипотенуза находится из соотношения

$c={frac {b}{sin beta }}.$

Катет и второй острый угол alpha могут быть найдены аналогично предыдущему случаю.

Гипотенуза и острый угол[править | править код]

Пусть известны гипотенуза и острый угол beta .

Острый угол alpha может быть найден как

$alpha =90^{circ }-beta .$

Катеты определяются из соотношений

Решение сферических треугольников[править | править код]

Стороны сферического треугольника a,b,c измеряют величиной опирающихся на них центральных углов

Сферический треугольник общего вида полностью определяется тремя из шести своих характеристик (3 стороны и 3 угла). Стороны сферического треугольника a,b,c принято измерять не линейными единицами, а величиной опирающихся на них центральных углов.

Решение треугольников в сферической геометрии имеет ряд отличий от плоского случая. Например, сумма трёх углов зависит от треугольника; кроме того, на сфере не существует неравных подобных треугольников, и поэтому задача построения треугольника по трём углам имеет единственное решение. Но основные соотношения: две сферические теоремы косинусов и сферическая теорема синусов, — используемые для решения задачи, аналогичны плоскому случаю.

Из других соотношений могут оказаться полезными формулы аналогии Непера^[13] и формула половины стороны^[14].

Три стороны[править | править код]

Если даны (в угловых единицах) стороны a,b,c , то углы треугольника определяются из теоремы косинусов^[15]:

$alpha =arccos left({frac {cos a-cos b cos c}{sin b sin c}}right)$

$beta =arccos left({frac {cos b-cos c cos a}{sin c sin a}}right)$

$gamma =arccos left({frac {cos c-cos a cos b}{sin a sin b}}right)$

Заданы две стороны и угол между ними

Две стороны и угол между ними[править | править код]

Пусть заданы стороны a,b и угол gamma между ними. Сторона находится по теореме косинусов^[15]:

c=arccos left(cos acos b+sin asin bcos gamma right)

Углы можно найти так же, как в предыдущем случае, можно также использовать формулы аналогии Непера:

${displaystyle alpha =operatorname {arctg} {frac {2sin a}{operatorname {tg} ({frac {gamma }{2}})sin(b+a)+operatorname {ctg} ({frac {gamma }{2}})sin(b-a)}},}$

${displaystyle beta =operatorname {arctg} {frac {2sin b}{operatorname {tg} ({frac {gamma }{2}})sin(a+b)+operatorname {ctg} ({frac {gamma }{2}})sin(a-b)}}.}$

Заданы две стороны и угол не между ними

Две стороны и угол не между ними[править | править код]

Пусть заданы стороны b,c и угол beta . Чтобы решение существовало, необходимо выполнение условия:

{displaystyle b>arcsin(sin c,sin beta ).}

Угол gamma получается из теоремы синусов:

${displaystyle gamma =arcsin left({frac {sin c,sin beta }{sin b}}right).}$

Здесь, аналогично плоскому случаю, при b<c получаются два решения: gamma и ${displaystyle 180^{circ }-gamma }$ .

Остальные величины можно найти из формул аналогии Непера^[16]:

$a=2operatorname {arctg} left{operatorname {tg} left({frac {1}{2}}(b-c)right){frac {sin left({frac {1}{2}}(beta +gamma )right)}{sin left({frac {1}{2}}(beta -gamma )right)}}right}$

$alpha =2operatorname {arcctg} left{operatorname {tg} left({frac {1}{2}}(beta -gamma )right){frac {sin left({frac {1}{2}}(b+c)right)}{sin left({frac {1}{2}}(b-c)right)}}right}$

Заданы сторона и прилежащие углы

Сторона и прилежащие углы[править | править код]

В этом варианте задана сторона и углы . Угол gamma определяется по теореме косинусов^[17]:

{displaystyle gamma =arccos(sin alpha sin beta cos c-cos alpha cos beta ).}

Две неизвестные стороны получаются из формул аналогии Непера:

$a=operatorname {arctg} left{{frac {2sin alpha }{operatorname {ctg} (c/2)sin(beta +alpha )+operatorname {tg} (c/2)sin(beta -alpha )}}right}$

$b=operatorname {arctg} left{{frac {2sin beta }{operatorname {ctg} (c/2)sin(alpha +beta )+operatorname {tg} (c/2)sin(alpha -beta )}}right}$

или, если использовать вычисленный угол gamma , по теореме косинусов:

${displaystyle a=arccos left({frac {cos alpha +cos beta cos gamma }{sin beta sin gamma }}right),}$

${displaystyle b=arccos left({frac {cos beta +cos gamma cos alpha }{sin gamma sin alpha }}right).}$

Заданы два угла и сторона не между ними

Два угла и сторона не между ними[править | править код]

В отличие от плоского аналога данная задача может иметь несколько решений.

Пусть заданы сторона и углы . Сторона определяется по теореме синусов^[18]:

${displaystyle b=arcsin left({frac {sin a,sin beta }{sin alpha }}right).}$

Если угол для стороны острый и , существует второе решение:

${displaystyle b=pi -arcsin left({frac {sin a,sin beta }{sin alpha }}right).}$

Остальные величины определяются из формул аналогии Непера:

${displaystyle c=2operatorname {arctg} left{operatorname {tg} left({frac {1}{2}}(a-b)right){frac {sin left({frac {1}{2}}(alpha +beta )right)}{sin left({frac {1}{2}}(alpha -beta )right)}}right}.}$

${displaystyle gamma =2operatorname {arcctg} left{operatorname {tg} left({frac {1}{2}}(alpha -beta )right){frac {sin left({frac {1}{2}}(a+b)right)}{sin left({frac {1}{2}}(a-b)right)}}right}.}$

Три угла[править | править код]

Если заданы три угла, стороны находятся по теореме косинусов:

$a=arccos left({frac {cos alpha +cos beta cos gamma }{sin beta sin gamma }}right)$

$b=arccos left({frac {cos beta +cos gamma cos alpha }{sin gamma sin alpha }}right)$

$c=arccos left({frac {cos gamma +cos alpha cos beta }{sin alpha sin beta }}right)$

Другой вариант: использование формулы половины угла^[19].

Решение прямоугольных сферических треугольников[править | править код]

Изложенные алгоритмы значительно упрощаются, если известно, что один из углов треугольника (например, угол ) прямой. Прямоугольный сферический треугольник полностью определяется двумя элементами, остальные три находятся при помощи мнемонического правила Непера или из нижеприведённых соотношений^[20]:

{displaystyle sin a=sin ccdot sin alpha =operatorname {tg} bcdot operatorname {ctg} beta ,}

{displaystyle sin b=sin ccdot sin beta =operatorname {tg} acdot operatorname {ctg} alpha ,}

{displaystyle cos c=cos acdot cos b=operatorname {ctg} alpha cdot operatorname {ctg} beta ,}

{displaystyle operatorname {tg} a=sin bcdot operatorname {tg} alpha ,}

{displaystyle operatorname {tg} b=operatorname {tg} ccdot cos alpha ,}

{displaystyle cos alpha =cos acdot sin beta =operatorname {tg} bcdot operatorname {ctg} c,}

{displaystyle cos beta =cos bcdot sin alpha =operatorname {tg} acdot operatorname {ctg} c.}

Вариации и обобщения[править | править код]

Во многих практически важных задачах вместо сторон треугольника задаются другие его характеристики — например, длина медианы, высоты, биссектрисы, радиус вписанного или описанного круга и т. д. Аналогично вместо углов при вершинах треугольника в задаче могут фигурировать иные углы. Алгоритмы решения подобных задач чаще всего комбинируются из рассмотренных выше теорем тригонометрии.

Примеры:

Примеры практического применения[править | править код]

Триангуляция[править | править код]

Чтобы определить расстояние от берега до недоступной точки — например, до удалённого корабля,— нужно отметить на берегу две точки, расстояние между которыми известно, и измерить углы alpha и beta между линией, соединяющей эти точки, и направлением на корабль. Из формул варианта «сторона и два угла» можно найти длину высоты треугольника^[23]:

$d={frac {sin alpha ,sin beta }{sin(alpha +beta )}},l={frac {operatorname {tg} alpha ,operatorname {tg} beta }{operatorname {tg} alpha +operatorname {tg} beta }},l$

Этот метод используется в каботажном судоходстве. Углы при этом оцениваются наблюдениями с корабля известных ориентиров на земле. Аналогичная схема используется в астрономии, чтобы определить расстояние до близкой звезды: измеряются углы наблюдения этой звезды с противоположных точек земной орбиты (то есть с интервалом в полгода) и по их разности (параллаксу) вычисляют искомое расстояние^[23].

Другой пример: требуется измерить высоту горы или высокого здания. Известны углы наблюдения вершины из двух точек, расположенных на расстоянии . Из формул того же варианта, что и выше, получается^[24]:

$h={frac {sin alpha ,sin beta }{sin(beta -alpha )}},l={frac {operatorname {tg} alpha ,operatorname {tg} beta }{operatorname {tg} beta -operatorname {tg} alpha }},l$

Расстояние между двумя точками на поверхности земного шара[править | править код]

Надо вычислить расстояние между двумя точками на земном шаре^[25]:

Точка

: широта $lambda _{mathrm {A} },$

долгота $L_{mathrm {A} },$

Точка

: широта $lambda _{mathrm {B} },$

долгота $L_{mathrm {B} },$

Для сферического треугольника ABC , где — северный полюс, известны следующие величины:

${displaystyle a=90^{mathrm {o} }-lambda _{mathrm {B} }}$

${displaystyle b=90^{mathrm {o} }-lambda _{mathrm {A} }}$

${displaystyle gamma =L_{mathrm {A} }-L_{mathrm {B} }}$

Это случай «две стороны и угол между ними». Из приведенных выше формул получается:

$mathrm {AB} =Rarccos left{sin lambda _{mathrm {A} },sin lambda _{mathrm {B} }+cos lambda _{mathrm {A} },cos lambda _{mathrm {B} },cos left(L_{mathrm {A} }-L_{mathrm {B} }right)right}$

где — радиус Земли.

История[править | править код]

Зачатки тригонометрических знаний можно найти в математических рукописях Древнего Египта, Вавилона и Древнего Китая. Главным достижением этого периода стало соотношение, позже получившее имя теоремы Пифагора; Ван дер Варден считает, что вавилоняне открыли его между 2000 и 1786 годами до н. э.^[26]

Общая постановка задачи решения треугольников (как плоских, так и сферических) появилась в древнегреческой геометрии^[27]. Во второй книге «Начал» Евклида теорема 12 представляет собой словесный аналог теоремы косинусов для тупоугольных треугольников^[28]:

В тупоугольных треугольниках квадрат на стороне, стягивающей тупой угол, больше [суммы] квадратов на сторонах, содержащих тупой угол, на дважды взятый прямоугольник, заключённый между одной из сторон при тупом угле, на которую падает перпендикуляр, и отсекаемым этим перпендикуляром снаружи отрезком при тупом угле.

Следующая за ней теорема 13 — вариант теоремы косинусов для остроугольных треугольников. Аналога теоремы синусов у греков не было, это важнейшее открытие было сделано гораздо позднее^[29]: древнейшее из дошедших до нас доказательств теоремы синусов на плоскости описано в книге Насир ад-Дин Ат-Туси «Трактат о полном четырёхстороннике», написанной в XIII веке^[30].

Первые тригонометрические таблицы составил, вероятно, Гиппарх в середине II века до н. э. для астрономических расчётов. Позднее астроном II века Клавдий Птолемей в «Альмагесте» дополнил результаты Гиппарха. Первая книга «Альмагеста» — самая значимая тригонометрическая работа всей античности. В частности, «Альмагест» содержит обширные тригонометрические таблицы хорд для острых и тупых углов, с шагом 30 угловых минут. В таблицах Птолемей приводит значение длин хорд с точностью до трех шестидесятиричных знаков^[31]. Такая точность примерно соответствует пятизначной десятичной таблице синусов с шагом 15 угловых минут^[1].

Птолемей явно не формулирует теорему синусов и косинусов для треугольников. Тем не менее он всегда справляется с задачей решения треугольников, разбивая треугольник на два прямоугольных^[32].

Параллельно с развитием тригонометрии плоскости греки, под влиянием астрономии, далеко продвинули сферическую тригонометрию^[33]. Решающим этапом в развитии теории стала монография «Сферика» в трёх книгах, которую написал Менелай Александрийский (около 100 года н. э.). В первой книге он изложил теоремы о сферических треугольниках, аналогичные теоремам Евклида о плоских треугольниках (см. I книгу «Начал»). По сообщению Паппа, Менелай первым ввёл понятие сферического треугольника как фигуры, образованной отрезками больших кругов^[34]. Несколько десятилетий спустя Клавдий Птолемей в своих трудах «География», «Аналемма» и «Планисферий» даёт подробное изложение тригонометрических приложений к картографии, астрономии и механике.

В IV веке, после упадка античной науки, центр развития математики переместился в Индию. Сочинения индийских математиков (сиддханты) показывают, что их авторы были хорошо знакомы с трудами греческих астрономов и геометров^[35]. Чистой геометрией индийцы интересовались мало, но их вклад в прикладную астрономию и расчётные аспекты тригонометрии очень значителен. В частности, индийцы первыми ввели в использование косинус^[36]. Кроме того, индийцы знали формулы для кратных углов , для . В «Сурья-сиддханте» и в трудах Брахмагупты при решении задач фактически используется сферический вариант теоремы синусов, однако общая формулировка этой теоремы в Индии так и не появилась^[37].

В VIII веке учёные стран Ближнего и Среднего Востока познакомились с трудами древнегреческих и индийских математиков и астрономов. Их астрономические трактаты, аналогичные индийским сиддхантам, назывались «зиджи»; типичный зидж представлял собой сборник астрономических и тригонометрических таблиц, снабжённый руководством по их использованию и (не всегда) изложением общей теории^[38]. Сравнение зиджей периода VIII—XIII веков показывает быструю эволюцию тригонометрических знаний. Самые ранние из сохранившихся трудов принадлежат ал-Хорезми и ал-Марвази (IX век), которые рассмотрели, наряду с известными ещё индийцам синусом и косинусом, новые тригонометрические функции: тангенс, котангенс, секанс и косеканс^[36].

Сабит ибн Курра (IX век) и ал-Баттани (X век) первыми открыли фундаментальную теорему синусов для частного случая прямоугольного сферического треугольника. Для произвольного сферического треугольника доказательство было найдено (разными способами и, вероятно, независимо друг от друга) Абу-л-Вафой, ал-Худжанди и ибн Ираком в конце X века^[29]. В другом трактате ибн Ирака сформулирована и доказана теорема синусов для плоского треугольника^[39]. Сферическая теорема косинусов в общем виде сформулирована в странах ислама не была, однако в трудах Сабита ибн Курры, ал-Баттани и других астрономов имеются эквивалентные ей утверждения^[40].

Фундаментальное изложение тригонометрии как самостоятельной науки (как плоской, так и сферической) дал персидский математик и астроном Насир ад-Дин ат-Туси в 1260 году^[41]. Его «Трактат о полном четырёхстороннике» содержит практические способы решения типичных задач, в том числе труднейших, решенных самим ат-Туси — например, построение сторон сферического треугольника по заданным трём углам^[42]. Таким образом, к концу XIII века были открыты базовые теоремы, необходимые для эффективного решения треугольников.

В Европе развитие тригонометрической теории стало чрезвычайно важным в Новое время, в первую очередь для артиллерии, оптики и навигации при дальних морских путешествиях. В 1551 году появились 15-значные тригонометрические таблицы Ретика, ученика Коперника, с шагом 10″^[43]. Потребность в сложных тригонометрических расчётах вызвала в начале XVII века открытие логарифмов, причём первые логарифмические таблицы Джона Непера содержали только логарифмы тригонометрических функций. Среди других открытий Непера — эффективный алгоритм решения сферических треугольников, получивший название «формулы аналогии Непера»^[44]. Алгебраизация тригонометрии, начатая Франсуа Виетом, была завершена Леонардом Эйлером в XVIII веке, после чего алгоритмы решения треугольников приобрели современный вид.

См. также[править | править код]

Признаки подобия треугольников
Площадь треугольника
Сферическая тригонометрия
Сферический треугольник
Триангуляция
Тригонометрические тождества
Тригонометрические функции
Формулы Мольвейде

Примечания[править | править код]

↑ ¹ ² Выгодский М. Я., 1978, с. 266—268.
↑ Плоский треугольник иногда называют прямолинейным.
↑ Элементарная математика, 1976, с. 487.
↑ Solving Triangles. Maths is Fun. Дата обращения: 23 Jule 2012. Архивировано 30 июня 2019 года.
↑ Элементарная математика, 1976, с. 488.
↑ Степанов Н. Н., 1948, с. 133.
↑ Solving SSS Triangles. Maths is Fun. Дата обращения: 23 Jule 2012. Архивировано 30 сентября 2012 года.
↑ Solving SAS Triangles. Maths is Fun. Дата обращения: 24 Jule 2012. Архивировано 30 сентября 2012 года.
↑ Solving SSA Triangles. Maths is Fun. Дата обращения: 24 Jule 2012). Архивировано 30 сентября 2012 года.
↑ Выгодский М. Я., 1978, с. 294.
↑ Элементарная математика, 1976, с. 493—496.
↑ Solving ASA Triangles. Maths is Fun. Дата обращения: 24 Jule 2012. Архивировано 30 сентября 2012 года.
↑ Степанов Н. Н., 1948, с. 87—90.
↑ Степанов Н. Н., 1948, с. 102—104.
↑ ¹ ² Энциклопедия элементарной математики, 1963, с. 545.
↑ Степанов Н. Н., 1948, с. 121—128.
↑ Степанов Н. Н., 1948, с. 115—121.
↑ Степанов Н. Н., 1948, с. 128—133.
↑ Степанов Н. Н., 1948, с. 104—108.
↑ Основные формулы физики, 1957, с. 14—15.
↑ Цейтен Г. Г., 1932, с. 223—224.
↑ Цейтен Г. Г., 1938, с. 126—127.
↑ ¹ ² Геометрия: 7—9 классы, 2009, с. 260—261.
↑ Геометрия: 7—9 классы, 2009, с. 260.
↑ Степанов Н. Н., 1948, с. 136—137.
↑ van der Waerden, Bartel Leendert. Geometry and Algebra in Ancient Civilizations. — Springer, 1983. — ISBN 3-540-12159-5.
↑ Глейзер Г. И., 1982, с. 77.
↑ Глейзер Г. И., 1982, с. 94—95.
↑ ¹ ² Матвиевская Г. П., 2012, с. 92—96.
↑ Berggren, J. Lennart. Mathematics in Medieval Islam // The Mathematics of Egypt, Mesopotamia, China, India, and Islam: A Sourcebook (англ.). — Princeton University Press, 2007. — P. 518. — ISBN 9780691114859.
↑ История математики, том I, 1970, с. 143.
↑ Ван дер Варден. Пробуждающаяся наука. Математика древнего Египта, Вавилона и Греции. — М.: Наука, 1959. — С. 366. — 456 с.
↑ Матвиевская Г. П., 2012, с. 25—27.
↑ Матвиевская Г. П., 2012, с. 33—36.
↑ Матвиевская Г. П., 2012, с. 40—44.
↑ ¹ ² Сираждинов С. Х., Матвиевская Г. П., 1978, с. 79.
↑ Юшкевич А. П. История математики в Средние века. — М.: ГИФМЛ, 1961. — С. 160. — 448 с.
↑ Матвиевская Г. П., 2012, с. 51—55.
↑ Матвиевская Г. П., 2012, с. 111.
↑ Матвиевская Г. П., 2012, с. 96—98.
↑ Туси Насирэддин. Трактат о полном четырёхстороннике. Баку, Изд. АН АзССР, 1952.
↑ Рыбников К. А., 1960, с. 105.
↑ История математики, том I, 1970, с. 320.
↑ Степанов Н. Н. § 42. Формулы «аналогии Непера» // Сферическая тригонометрия. — М.—Л.: ОГИЗ, 1948. — С. 87—90. — 154 с.

Литература[править | править код]

Теория и алгоритмы

Атанасян Л. С., Бутузов В. Ф., Кадомцев С. Б., Позняк Э. Г., Юдина И. И. Геометрия: 7—9 классы. Учебник для общеобразовательных учреждений. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2009. — 384 с. — ISBN 978-5-09-021136-9.
Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике. — М.: Наука, 1978.
Гельфанд И. М., Львовский С. М., Тоом А. Л. Тригонометрия, учебник для 10 класса. — М.: МЦНМО, 2002. — ISBN 5-94057-050-X.
Зайцев В. В., Рыжков В. В., Сканави М. И. Элементарная математика. Повторительный курс. — Издание третье, стереотипное. — М.: Наука, 1976. — 591 с.
Мензел Д. (ред.). Основные формулы физики. Глава 1. Основные математические формулы. — М.: Изд. иностранной литературы, 1957. — 658 с.
Основные понятия сферической геометрии и тригонометрии // Энциклопедия элементарной математики (в 5 томах). — М.: Физматгиз, 1963. — Т. 4. — С. 518—557. — 568 с.
Степанов Н. Н. Сферическая тригонометрия. — М.—Л.: ОГИЗ, 1948.

История

Глейзер Г. И. История математики в школе. VII-VIII классы. Пособие для учителей. — М.: Просвещение, 1982. — С. 76—95. — 240 с.
Глейзер Г. И. История математики в школе. IX-X классы. Пособие для учителей. — М.: Просвещение, 1983. — 352 с.
История математики под редакцией А. П. Юшкевича в трёх томах, М.: Наука.
- История математики. С древнейших времен до начала Нового времени // История математики / Под редакцией А. П. Юшкевича, в трёх томах. — М.: Наука, 1970. — Т. I.
- Математика XVII столетия // История математики / Под редакцией А. П. Юшкевича, в трёх томах. — М.: Наука, 1970. — Т. II.
- Математика XVIII столетия // История математики / Под редакцией А. П. Юшкевича, в трёх томах. — М.: Наука, 1972. — Т. III.
Матвиевская Г. П. Очерки истории тригонометрии: Древняя Греция. Средневековый Восток. Позднее Средневековье. — Изд. 2-е. — М.: Либроком, 2012. — 160 с. — (Физико-математическое наследие: математика (история математики)). — ISBN 978-5-397-02777-9.
Рыбников К. А. История математики в двух томах. — М.: Изд. МГУ, 1960. — Т. I.
Сираждинов С. Х., Матвиевская Г. П. Абу Райхан Беруни и его математические труды. Пособие для учащихся. — М.: Просвещение, 1978. — 95 с. — (Люди науки).
Цейтен Г. Г. История математики в древности и в средние века. — М.—Л.: ГТТИ, 1932. — 230 с.
Цейтен Г. Г. История математики в XVI и XVII веках. — М.—Л.: ОНТИ, 1938. — 456 с.

Источник

Решение сферических треугольников по хордам.

Обозначения
А, В, С – углы а, в, с – стороны треугольника,
лежащего на поверхности эллипсоида.
А΄, В΄, С΄ – углы,
–
стороны треугольника, образованного
хордами. R
– средний радиус кривизны в области
расположения треугольника, принимаемого
за сферический.

Связь
между сторонами сферического треугольника
и его хордами осуществляется по формулам:

Связь
между углами сферического треугольника
и углами треугольника образованного
его хордами осуществляется по формулам:

Связь
между сторонами треугольника образованного
хордами осуществляется по формулам:

Обратный
переход от хорд к сторонам сферического
треугольника производят по формулам:

Порядок
вычислений при решении сферических
треугольников по хордам:

Вычисляется
сферический избыток треугольника.
От
углов сферического треугольника
переходят к углам хордового треугольника.
От
длины исходной стороны переходят к её
хорде.
По
углам хордового треугольника и хорде
исходной стороны, решая треугольник
как плоский, находят хорды искомых
сторон.
От
хорд искомых сторон переходят к искомым
сторонам сферического треугольника.

Решение сферических треугольников по способу аддитаментов

При
решении треугольников по теореме
Лежандра поправки за сферичность для
применения формул плоской способу
аддитаментов поправки за сферичность
для применения формул плоской тригонометрии
вводятся в углы. стороны. Возможен и
другой путь решения, когда используются
сферические углы, но при этом вводятся
поправки (аддитаменты) в длины сторон.

Аддитаменты
вычисляются по формулам:

Переход
от сторон сферического треугольника

к приведенным значения сторон плоского
треугольникапо
осуществляется по формулам:

а
обратный переход по формулам:

Порядок
вычислений при применении способа
аддитаментов:

Вычисляется
аддитамент исходной стороны.
Из
исходной стороны вычитается её аддитамент
и таким образом вычисляется приведенное
значение исходной стороны плоского
треугольника.
С
получением приведенного значения
исходной стороны треугольник решается,
как плоский при этом определяются
приведенные значения искомых сторон
треугольника.
По
приведенным значениям искомых сторон
вычисляются их аддитаменты.
Приведенные
значения искомых сторон исправляют
аддитаментами и получают искомые
значения сторон треугольника.

Способ
аддитаменов применим для решения
треугольников со сторонами примерно
до 100 км.

Вопросы для повторения ранее изученного материала.

Что
называется геодезической линией?

Геодезической
линией называется такая линия на
поверхности, в каждой точке которой
главная нормаль кривой совпадает с
нормалью к поверхности.
Геодезическая
линия это кратчайшие расстояния на
данной поверхности между заданными
точками.
геодезическая
линия на поверхности – такая кривая,
в каждой точке которой соприкасающаяся
плоскость проходит через нормаль к
поверхности в той же точке

Что
называется геодезической сетью?

Совокупность
закреплённых на местности геодезических
пунктов, пространственное положение
которых определено в общей для них
системе координат и высот составляет
геодезическую опорную сеть.

Виды
геодезических сетей.

Геодезические
сети подразделяются на три вида.

Государственная
геодезическая сеть.
Геодезические
сети сгущения.
Съёмочные
геодезические сети (съёмочное или
рабочее обоснование).

Методы
создания плановой геодезической сети:

триангуляция,
трилатерация,
полигонометрия

Триангуляция
– это метод построения геодезической
сети в виде примыкающих друг к другу
треугольников, в которых измеряют все
углы и длину начальной стороны, называемой
базисной.
Трилатерация
– это метод построения геодезической
сети в виде примыкающих друг к другу
треугольников, в которых светодальномерами
или радиодальномерами измеряют длины
всех сторон.
Полигонометрия
– это метод построения геодезической
сети в виде системы замкнутых или
разомкнутых ломаных линий, в которых
непосредственно измеряют все углы в
точках поворота и длины всех
сторон

Соседние файлы в папке лекции

Источник

Триангуляция – построение, метод и сущность

Известно, что триангуляция как геодезический термин означает способ создания геодезических сетей. Да, это так. Но следует начать с другого.

Изначально с возникновением потребности человека в познании, обычное мышление приводит его к накоплению определенного багажа знаний. С развитием научного мышления все эти знания систематизируются, в том числе разъясняются на основе фактов, явлений и доказательств. Применяя теоретические предположения на практике, возникают своего рода критерии истины. То есть имеют ли подтверждения практическим путем все те предположения, которые с помощью определенных способов дают конкретный результат. Пожалуй, одним из таких научных методов, решающих задачу по высокоточному измерению больших расстояний между пунктами на земной поверхности с построением примыкающих друг к другу треугольников и измерений внутри них стал способ триангуляции.

Первым кто изобрел и применил метод триангуляции (1614-1616), был великий голландский ученый Виллеброрд Снелл (Снеллиус). В те годы уже были предположения о том, что Земля является планетой в космическом пространстве и имеет форму сферы (из космологии Джордано Бруно 1548-1600). Установление точных размеров планеты имело большое практическое значение по ее освоению в дальнейшем. Вот для этого в Нидерландах через постройку ряда треугольников были впервые выполнены градусные измерения дуги меридиана способом триангуляции. Что имеется ввиду. Выполнив измерения между жесткими геодезическими пунктами с разностью широт между ними в один градус (у Снеллиуса 1º11´30″) способом триангуляции и получив конкретное расстояние дуги, голландский математик обычным расчетом мог получить длину всей окружности меридиана. Очевидно, что вычислить радиус Земли, приняв ее фигуру за форму шара (эллипса), оставалось делом техники.

В завершение исторического экскурса можно выделить взаимосвязанность и выборность научных познаний для будущего практического применения человеком. И не удивительно, что изобретение способа триангуляции произошло именно в Нидерландах, которые на тот момент считались ведущей морской державой с потребностью новых познаний в навигации, географии, астрономии и конечно геодезии.

Сущность метода

Триангуляция заключается в определении пространственного местоположения специально закрепленных на местности геодезических пунктов в вершинах целого ряда треугольников. Изначально, с высокой степенью точности (до долей секунд) определяют азимуты исходных направлений ab, ba, mn, nm (рис.1.Триангуляционный ряд треугольников по меридиану). Следующим этапом будет определение астрономических координат (широты и долготы) в пунктах измерений азимутов двух исходных базисов. В каждой паре жестких сторон (ab, mn) координаты измеряются только в одной точке, например a, m (рис.1). При этом следует обратить особое внимание на определение астрономических широт в ряду треугольников, расположенных по направлению меридианов. При измерениях в треугольниках, сформированных вдоль параллелей, необходимо уделить должное внимание определению астрономических долгот. Далее производят измерения длин двух базисных сторон (ab, mn). Эти стороны имеют сравнительно не большие длины (порядка 8-10 км). Поэтому их измерения более экономичные и точные относительно сторон cd, tq, составляющих расстояния от 30 до 40 км. В следующую очередь выполняется переход от базисов ab, mn через угловые измерения в ромбах abcd и mntq к сторонам cd, tq. А затем последовательно практически в каждой вершине треугольников cde, def, efg и других измеряются горизонтальные углы до примыкания к следующей основной стороне tq всего ряда треугольников. Через измеренные углы треугольника с измеренной базисной или вычисленной основной стороной последовательно вычисляются все другие стороны, их азимуты и координаты вершин треугольников.

Рис.1. Триангуляционный ряд треугольников по меридиану.

Триангуляционные сети

После первого применения градусного измерения дуги Снеллиусом триангуляционный метод становится основным способом в геодезических высокоточных измерениях. С XIX века, когда триангуляционные работы стали более совершенными с его помощью стали формироваться целые геодезические сети, строящиеся вдоль параллелей и меридианов. Самая знаменитая из всех известна под наименованием геодезической меридианной дуги Струве и Теннера (1816-1852) в последствие зачислена в мировое наследие по ЮНЕСКО. Ее триангуляционный ряд протянулся по Норвегии, Швеции, Финляндии и России от Северного Ледовитого океана до Черного моря в устье Дуная и составил дугу в 25º20´(рис.2).

За основу геодезических сетей триангуляции в нашей стране принята схема профессора Ф.Н.Красовского (рис.3). Ее суть заключается в применении принципа построений от общего к частному. Изначально закладываются вдоль меридианов и параллелей пункты, образующие ряды треугольников протяженностью в пределах 200-240 км. Длины сторон в самих треугольниках составляют 25-40км. Все астрономические измерения азимутов, координат (широт и долгот) выходных точек на пунктах Лапласа (1) и промежуточных астрономических точках (2), высокоточные базисные (3) геодезические измерения и в каждой точке этой цепи должно соответствовать установленным требованиям I класса точности (рис.3). Замкнутый полигон из четырех триангуляционных рядов представляет собой фигуру, напоминающую квадрат с периметром равным ориентировочно около 800 км. Через центральные части первоклассных рядов триангуляции устраиваются в направлении друг к другу основные ряды триангуляционной сети II класса (рис.3) соответствующей точности. Базисные длины сторон в этих рядах не измеряются, а принимаются базисы со сторон триангуляции I класса. Аналогично отсутствуют и астрономические пункты. Возникшие четыре пространства заполняются сплошными триангуляционными сетями и II, и III классов.

Рис.3.Государственные сети триангуляции.

Безусловно описанная схема развития сетей триангуляции по Красовскому не может закрыть всю территорию страны ввиду понятных причин больших лесных и не заселенных территорий страны. Поэтому с запада на восток вдоль параллелей были проложены отдельные ряды первоклассной триангуляции и полигонометрии, а не сплошная триангуляционная сеть.

Достоинства триангуляции

В развитии геодезической науки и ее практического применения очевидны достоинства триангуляционного способа измерений. С помощью этого универсального метода возможно:

определение положения геодезических точек на значительно удаленных расстояниях;
выполнение основных работ по строительству геодезических сетей на всей территории страны;
обеспечение основой всех топографических съемок;
выстраивание через основные геодезические работы различных систем координат;
производство инженерных и изыскательских работ;
периодическое определение размеров Земли;
изучение перемещений земной поверхности.

Планирование экспедиции. Геодезия и отвага

Это продолжение истории Экваториальной Градусной экспедиции в XVIII веке отправившейся к, как следует из названия, экватору, чтобы уточнить форму Земли.

Нашу научную экспедицию к берегам Перу мы оставили в том месте, где морской министр Франции, выделивший государственный бюджет на проект, пришел в ужас от кадровой политики ученых и сам занялся подбором персонала, выделением кредитов и денег, а также дипломатической перепиской с испанским двором. Луи Годену, как идеологу, оставалось лишь позаботиться о плане работ и инструментах.

Планирование работ

Планирование работ происходило в публичном пространстве кофеен и трактиров, широко обсуждалось в уже упомянутом нами Градо и в личной переписке всей ученой братии. Над чашками и бокалами разворачивались карты (довольно устаревшие) и шли ожесточенные споры.

Луи Годен, руководитель, ослепленный легким успехом, заявляет о том, что лучше измерить длину не 1 градуса меридиана (около 111 км), а целых четырех. Определенный смысл в этом действительно есть: чем большее расстояние мы измеряем, тем больше мы в безопасности от влияния случайных погрешностей. Но четыре градуса! Почти четыре с половиной сотни километров в малоизученном высокогорье, на которое и карт-то толком нет!

Красным помечена предлагаемая к измерению дуга меридиана.

В чем заключалась задача экспедиции? Требовалось измерить длину дуги меридиана в 1 градус на экваторе и сравнить, на сколько туазов (это местная мера длины) она отличается от 1 градуса Парижского меридиана.

На злобу дня в Академию пришло едкое письмо из России, где в самом вежливом тоне Жозеф Делилль, создатель Санкт-Петербургской обсерватории, предложил коллеге не мелочиться и, чего уж, измерить дугу меридиана до самой Огненной Земли. Чтобы дважды не ходить. Впрочем, Делилль имел право быть сколько угодно резким: Годен был его учеником.

“Осип Николаевич” Делилль (отец российской астрономии), гравюра Конрада Вестрмайра, Википедия).

Маленькая историческая справка

В 1735 году, о котором мы говорим, в России царствовала Анна Иоанновна, племянница Петра I: Екатерина I уже умерла, а ее дочь Елизавета еще не захватила престол. Кстати, если вы окажетесь в Москве, сходите поглядеть на Царь-колокол. Когда Луи Годен готовил свою экспедицию, Царь-колокол отливали в Кремле в специально подготовленной яме. А в Академии Наук Петербурга за астрономию отвечал Жозеф Николя Делилль, приглашенный из Парижа еще Петром I.

Делилль совершенно легендарный дядька. Учился он у Джованни Кассини, итальянца, стоявшего во главе первой обсерватории Парижа. Потом уехал в Россию делать обсерваторию в Петербурге. Тогда она размещалась в здании Кунсткамеры. Он закупил приборы, написал план обучения молодых астрономов, организовал регулярные метеоизмерения, предложил основать службу времени. Кстати, в Кунсткамере в экспозиции “Первая обсерватория” демонстируются те самые заказанные им инструменты. По предложению Делилля, при Академии Наук был создан Географический департамент для руководства картографированием. Страна большая, карты на эту огромную территорию надо создавать, а существующие – обновлять. Более того, Делилль придумал коническую проекцию, как раз для нашей территории подходящую.

Про проекции хочу немного пояснить

Помните старую шутку:

Никто не сделал больше для величия России, чем проекция Меркатора.

Судя по общественному резонансу, слишком многие приняли изящный юмор за чистую монету. Дело в том, что нельзя просто так взять и перенести (земной) шар (мы же еще про XVIII век) на плоскость.

Цилиндрическая проекция Меркатора из https://gisgeography.com/cylindrical-projection/

Выше картинка цилиндрической проекции Меркатора Проекция – это математический способ перенести изображение с земного шара на плоскую карту с контролируемым искажением углов и расстояний. Идея проста: земной шар мы оборачиваем бумажным цилиндром, и в месте соприкосновения (это может быть экватор, как на картинке, или меридиан) длина линии (например, дороги) на шаре будет равна длине линии на бумаге. Чем дальше от места касания – тем больше при переносе на бумагу будут искажены длины линий. Поперечная проекция Меркатора (когда цилиндр касается Земного шара по меридиану) – сегодня самая популярная из проекций.

Россия, однако, далеко от экватора и вытянута с востока на запад. Получаются сплошные искажения. Поэтому Делилль в своем XVIII веке придумал специальный подвид конической проекции.

Коническая проекция из “В.Н. Попов, С.И. Чекалин. Геодезия: Учебник для вузов.- М.: “Горная книга”, 2007.”

Тут земной шар оборачивается конусом, а значит “соприкосновение” бумаги с шаром идет по параллели. Профит: меньше искажений на нашу большую территорию.

Почему Делилль молодец и про проекции надо помнить? Во-первых, до конца ХХ века по бумажным картам выполняли измерения: определяли длины и площади. И подготовка любого путешествия велась по картам. Не учел искажение – не заложил денег и провианта – погиб в пути. Сейчас проекции тоже существуют, хотя обычный пользователь редко сталкивается с ними напрямую. А вот косвенно – еще как. Дело в том, что координаты, которые измеряет GPS-приемник (при обмере приусадебного участка, для постановки на учет, например) – пространственные и относятся к тому самому Земному шару (~~на самом деле, эллипсоиду~~). А координаты, которые фигурируют в документах на собственность – плоские. Относящиеся к поперечно цилиндрической проекции шара на плоскость. И, чтобы пересчитать одно в другое, надо не только помнить о том, что пересчет необходим, но и помнить, с какой точностью выведены те формулы, которые заложены в программу пересчета.

Кстати, Делилль тоже пытался заниматься градусными измерениями: года через два после Луи Годена. Но ему сократили финансирование, поскольку для нашей страны эта сугубо научная (как тогда казалось) задача не была первостепенной. Увы, карьера ученого в Петербурге завершилась бесславно. Он оказался замешан в шпионском скандале (то ли правда было за что, а то ли политическая борьба за место директора обсерватории) и вернулся в Париж к 1747 году. Зато в России весь XVIII век для измерения температуры использовали градусы Делилля. Но вернемся к основному повествованию.

Как измерить длину дуги меридиана?

Что именно собирались делать ученые, когда доберутся до тайного города Кито, что в Перу? Помните, мы уже говорили об Эратосфене и градусных измерениях? Градусные измерения – это когда между двумя точками, расположенными на одном меридиане, измеряют расстояние и разность широт.

Градусные измерения Эратосфена: известно расстояние L в линейной мере и градусной: разность широт между точками.

Про измерение расстояния: к XVIII веку (и, кстати, до конца века двадцатого) для этой цели применялся метод триангуляции. Как следует из названия – она имеет отношение к треугольникам.

Как триангуляция появилась в геодезии?

Был такой голландский ученый, живший в XVI веке, Эратосфен Батавский (в те времена было принято брать себе хвастливые прозвища, подражая ученым древности), он же Виллеборд Снелл. Именно он использовал и популяризировал известную из математики триангуляцию для геодезических работ.

Подобно Эратосфену, Снелл тоже выполнял градусные измерения для определения радиуса Земли. Ему тоже нужно было найти длину дуги меридиана в градусах и в линейной мере (милях, к примеру). Однако караванов с погонщиками в северной Европе не было, так что расстояние пришлось определять самостоятельно.

Как устроена триангуляция?

Предположим, мы хотим найти расстояние между весьма удаленными точками (допустим удаленных на 100 километров). Просто измерить это расстояние невозможно: нет прямой видимости, нет возможности хотя бы построить прямую линию между точками (ведь одна может находиться на холме а другая на низменности, между ними могут быть реки, овраги и озера. На помощь приходит цепочка треугольников.

Это звено триангуляции АВ

Допустим, нам нужно найти расстояние (АВ). Мы строим цепочку стыкующихся треугольников вокруг этой линии и измеряем небольшую (до 10 км) сторону треугольника A-1.

Фрагмент триангуляции. А-1 – измеренная сторона (базис).

Измеренная сторона на рисунке помечена коричневым. Дальше мы угломерным прибором (квадрантом, астролябией, тахеометром) измеряем все внутренние углы треугольника 1-А-2. Получается, нам известны одна сторона и углы в треугольнике. Значит мы можем вычислить оставшиеся стороны в треугольнике. Среди прочего – мы найдем сторону А-2. И, если мы измерим все углы в треугольнике А-2-3, то сможем найти все стороны и для него тоже. Таким образом, последовательно решая стыкующиеся треугольники, для которых известны внутренние углы, мы сможем отыскать длины сторон всех треугольников.

Тут возникает нестыковка: мы можем отыскать все элементы треугольника по стороне и всего лишь двум углам. Значит, измерять все углы нет необходимости, достаточно измерить только два из трех? Теоретически это так. Однако на практике измеряют третий угол, чтобы обеспечить избыточность измерений. Как минимум – это такой простейший контроль: если сумма всех углов не будет равна 180 градусам – где-то в измерения вкралась серьезная ошибка.
Существуют статистические методы (курс ТМОГИ), позволяющие оценить погрешность, с которой были выполнены измерения и вычисления окончательной величины (расстояния), но в первой трети XVIII века, о которой я рассказываю, про все это имелись скорее смутные догадки.

Примерно по такой схеме, как описана выше, строил свои рассуждения Снелл. Он измерил расстояние от своего дома до шпиля местной церкви, а затем построил цепочку стыкующихся треугольников (триангуляции), которая позволила ему определить расстояние между городами Алкмар и Берген-оп-Зом, которые лежат на одном меридиане. Далее, зная длину дуги меридиана в линейной мере (милях) и в градусной мере – он мог вычислить радиус Земли, подобно Эратосфену (настоящему Эратосфену, Киренскому).

Метод Снелла оказался удачным, выполнимым и был взят на вооружение. Разумеется, по мере применения он совершенствовался: измерения выйдут точнее, если треугольники будут, по возможности, равносторонние или хотя бы равнобедренные. Придумали также делать дополнительный базис (измерять еще одну сторону треугольника где-то в конце цепочки) – для контроля. Эта сторона треугольника будет известна из измерений и из вычислений. Разница поможет оценить погрешность, с которой проводились работы.

Кстати, триангуляция была основным методом высокоточных геодезических измерений до самого конца XX века, пока не появились спутниковые системы позиционирования, GPS/ГЛОНАСС. Но это уже – совсем другая история.

Современный (конец ХХ века) пункт триангуляции в Тульской области.

Вернемся к Экваториальной экспедиции 1735 года. Что именно предстояло сделать ученым?

Схема триангуляции из журнала Лакондамина.

Ученые решают разбить вдоль меридиана (с севера на юг) цепочку треугольников. Треугольники требуется делать по возможности равносторонними или хотя бы равнобедренными, на местности необходимо обеспечить видимость хотя бы на две соседние вершины. Учитывая расстояния и сложности местного рельефа, треугольников по плану двадцать семь. Длина стороны в них около 30-40 км.

На современную карту тут наложены треугольники перуанской экспедиции (примерный экскиз)

Измерена будет сторона одного из северных треугольников (базис в районе Яруки) и еще одна сторона на юге (базис в Куэнке), для контроля результатов. К сожалению, ввиду того, что это горная цепь с ущельями, скалами, реками и провалами, удобное плато для базиса было найти трудно, поэтому его длина существенно меньше (раза в четыре), чем длины сторон основных треугольников. Базис составит около 12 км. Во всех прочих треугольниках будут измерены внутренние углы. После этого ученые последовательно вычислят длины сторон всех треугольников.

Казалось бы: как теперь из наклонных сторон треугольников получить длину меридиана? Ученые будут вычислять длину проекции каждой западной стороны треугольника на меридиан. В сумме они дадут длину дуги меридиана:

Искомую длину меридиана вычисляли по сумме проекций сторон треугольника на меридиан

Кстати, вот любопытный факт про измеряемую сторону треугольника (базис, как он называется в триангуляции):

Деллиль в России (и еще кое-то из его коллег в Швеции) считал, что удобно будет измерять базис по замерзшему льду реки или залива, поскольку он образует ровную, поверхность с идеальной видимостью. Очень крутая и новаторская по тем временам мысль. Увы, замерзающих заливов в Перу не было.

Тот план, который Годен изначально представил в Академии, касался измерений в горной долине между западной и восточной цепью Анд. Это казалось разумным: горные вершины послужат отличным ориентиром для наблюдений, а города Кито (на севере) и Куэнка (на юге), упомянутые на карте, должны иметь хоть какие-то подъездные дороги. Однако потом Годен увлекся идеей измерять не меридиан, а параллель, его коллеги вообще хотели держаться ближе к побережью, так что планирование миссии застопорилось и окончательный ответ на вопрос “а что именно мы там будем делать?” не был дан до самого отплытия из Франции.

“Удобная для измерений” горная долина Кито, Википедия.

В защиту такого подхода руководителя миссии следует сказать, что предварительная подготовка работ велась по очень приблизительным картам, самой свежей из которых было лет двадцать. Последним французом, побывавшим в Перу был Амеде Франсуа Фрезье (торговец, инженер и шпион).

Картматериалы из “Описания путешествия” Фрезье, 1712 г.

Любопытно, что широко известен он совсем не разведдеятельностью, а клубничным десертом. Именно он привез чилийскую землянику в королевскую оранжерею. И свое французское имя fraise, ананасная земляника, ее потомок, носит по его фамилии. В общем, планирование экспедиции, хотя и было занимательным, содержало слишком много белых пятен. Все станет понятно на местности. А пока следовало позаботиться об инструментах.

ТРИАНГУЛЯ́ЦИЯ

В книжной версии

Том 32. Москва, 2016, стр. 383

Скопировать библиографическую ссылку:

ТРИАНГУЛЯ́ЦИЯ (от лат. triangulum – треугольник), метод определения плановых координат геодезич. пунктов путём построения на местности цепей и сетей из треугольников, связанных общей стороной. В вершинах треугольников располагаются геодезические пункты , над каждым из которых устанавливают геоде зический знак с визирным цилиндром, на который наводят угломерные инструменты с соседних знаков.

[spoiler title=”источники:”]

http://habr.com/ru/post/597175/

http://bigenc.ru/physics/text/4201650

[/spoiler]

Источник

Здравствуйте, друзья. Это тексты и картинки к подкасту “Геодезия и отвага”. Долгий и подробный рассказ о невыдуманной истории международной экспедиции, которая в XVIII веке отправилась из Франции в Латинскую Америку, чтобы решить спор о форме Земли: вытянутая она как дыня или сплюснутая как тыква. На протяжении восьми лет ученые попадали в самые ужасные передряги: в войну и извержение вулкана, на убийственную корриду и в снегопад на экваторе. История Французской геодезической миссии, к сожалению, малоизвестна в русскоязычном пространстве и я, Лена Журавлева, геодезист, стараюсь это исправить.

Поскольку следующие много эпизодов я буду рассказывать о смелых (и местами очень заносчивых) французских ученых, которые отправились в Перу выполнять градусные измерения методом триангуляции, то есть смысл подробнее остановиться на том, что же это такое.

Триангуляция, как следует из названия, связана с треугольниками, а точнее – их углами (и одной стороной). В геодезии этот метод определения расстояний и/или координат использовался как основной вплоть до конца XX века. Так что, если вбить это слово в поисковик, то мы увидим либо классическую триангуляцию из геодезии:

просто скриншот поиска по слову “триангуляция в геодезии”

Сегодня триангуляция применяется для построения поверхностей по облаку точек. То есть, чтобы на компьютере (для игры, спецэффектов в фильме и любых других вещей) получить поверхность – нужно ее построить. Поскольку поверхность не обязательно будет являться ровной (плоскостью), все ее изгибы можно передать при помощи треугольников (чем больше треугольников, тем более реалистично и сглаженно будет выглядеть поверхность). Примерно так:

Как триангуляция появилась в геодезии?

Был такой голландский ученый, живший в XVI веке, Эратосфен Батавский (в те времена было принято брать себе хвастливые прозвища, подражая ученым древности), он же Виллеборд Снелл. Именно он использовал и популяризировал триангуляцию для геодезических работ.

Портрет землемера (во времена и местах Снелла), аноним, 1650 – 1674 (https://www.rijksmuseum.nl/)

Как устроена триангуляция? Предположим, мы хотим найти расстояние между весьма удаленными точками (допустим удаленных на 100 километров). Просто измерить это расстояние невозможно: нет прямой видимости, нет возможности хотя бы построить прямую линию между точками (ведь одна может находиться на холме а другая на низменности, между ними могут быть реки, овраги и озера.

На помощь приходит цепочка треугольников.

Звено триангуляции AB

Фрагмент триангуляции с базисом (А-1)

Она на рисунке помечена коричневым. Также мы угломерным прибором (квадрантом, астролябией, тахеометром, что есть) измеряем все внутренние углы треугольника 1-А-2. Получается, нам известны одна сторона и углы в треугольнике. Значит мы можем вычислить оставшиеся стороны в треугольнике. Среди прочего – мы найдем сторону А-2. И, если мы измерим все углы в треугольнике А-2-3, то сможем найти все стороны и для него тоже. Таким образом, последовательно решая стыкующиеся треугольники, для которых известны внутренние углы, мы сможем отыскать длины сторон всех треугольников.

На практике существует целая теория уравнительных вычислений (курс ТМОГИ студенты проходят не один и не два семестра и выдерживают его лишь самые сосредоточенные), которая позволяет оценить погрешность, с которой были выполнены измерения и вычисления окончательной величины (расстояния), но в первой трети XVIII века, о которой я рассказываю, про все это имелись скорее смутные догадки.

Триангуляция Снелла, 1621 г. (картинка из Вики-статьи про Снеллиуса (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bd/Triangulation_Pays-Bas_Snellius.jpg)

Метод оказался удачным, выполнимым и был взят на вооружение. Разумеется, по мере применения он совершенствовался : измерения выйдут точнее, если треугольники будут по возможности равносторонние или хотя бы равнобедренные. Придумали также делать дополнительный базис (измерять еще одну сторону треугольника где-то в конце цепочки) – для контроля. Эта сторона треугольника была известна из измерений и из вычислений. Разница помогала оценить погрешность, с которой проводились работы. Кстати, триангуляция была основным методом высокоточных геодезических измерений до самого конца XX века, пока не появились спутниковые системы позиционирования, GPS/ГЛОНАСС. Но это уже – совсем другая история.

Современный (конец ХХ века) пункт триангуляции в Тульской области.

А мы вернемся на рубеж XVII – XVIII веков. Чуть позже, чем Снелл, триангуляцию для определения длину дуги парижского меридиана использовал Джованни Кассини – директор Парижской обсерватории. А потом его сын – Жак Кассини. Именно из результатов наблюдений семьи Кассини стало ясно, что длина 1 градуса меридиана неодинаковая на разных широтах. И эти результаты градусных измерений подливали масла в огонь спора ньютонианцев и декартистов.

Вернемся к Экваториальной экспедиции 1735 года. Что именно предстояло сделать ученым?

Есть кусочек дуги меридиана, который начинается где-то в районе экватора. И его длину необходимо измерить. Это примено между Кито и Куэнкой (городами в современом Эквадоре).

Ученые решают разбить вдоль меридиана (с севера на юг) цепочку треугольников. Треугольники требуется делать по возможности равносторонними или хотя бы равнобедренными, на местности необходимо обеспечить видимость хотя бы на две соседние вершины. Учитывая расстояния и сложности местного рельефа, треугольников становится более сорока (сорок семь, если точнее).

Измерена будет сторона одного из северных треугольников (базис в районе Яркуи) и еще одна сторона на юге (базис в Куэнке), для контроля результатов. К сожалению, ввиду того, что это горная цепь с ущельями, скалами, реками и провалами, удобное плато для базиса было найти трудно, поэтому его длина существенно меньше (раза в четыре), чем длины сторон основных треугольников. Базис составит около 12 км. Во всех прочих (47) треугольниках будут измерены внутренние углы. После этого ученые последовательно вычислят длины сторон всех треугольников. А потом – длину проекции каждой западной стороны на меридиан. В сумме они дадут длину дуги меридиана:

Длину дуги меридиана вычисляли по сумме проекций сторон треугольника на меридиан

Эта задача, хотя и должна была быть выполнена с наибольшей точностью в тяжелейших условиях тропического климата и высоких гор – все же была чисто геометрической. И господа Буге, Лакондамин и Годен с оптимизмом смотрели в будущее.

Источник

Решение плоских треугольников[править | править код]

Основные теоремы[править | править код]

Замечания[править | править код]

Три стороны[править | править код]

Две стороны и угол между ними[править | править код]

Две стороны и угол напротив одной из них[править | править код]

Сторона и два угла[править | править код]

Решение прямоугольных треугольников[править | править код]

Два катета[править | править код]

Катет и гипотенуза[править | править код]

Катет и прилежащий острый угол[править | править код]

Катет и противолежащий острый угол[править | править код]

Гипотенуза и острый угол[править | править код]

Решение сферических треугольников[править | править код]

Три стороны[править | править код]

Две стороны и угол между ними[править | править код]

Две стороны и угол не между ними[править | править код]

Сторона и прилежащие углы[править | править код]

Два угла и сторона не между ними[править | править код]

Три угла[править | править код]

Решение прямоугольных сферических треугольников[править | править код]

Вариации и обобщения[править | править код]

Примеры практического применения[править | править код]

Триангуляция[править | править код]

Расстояние между двумя точками на поверхности земного шара[править | править код]

История[править | править код]

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

Решение сферических треугольников по хордам.

Решение сферических треугольников по способу аддитаментов

Вопросы для повторения ранее изученного материала.

Триангуляция – построение, метод и сущность

Сущность метода

Триангуляционные сети

Достоинства триангуляции

Планирование экспедиции. Геодезия и отвага

Планирование работ

Маленькая историческая справка

Про проекции хочу немного пояснить

Как измерить длину дуги меридиана?

Как триангуляция появилась в геодезии?

Как устроена триангуляция?

ТРИАНГУЛЯ́ЦИЯ

Вам также может понравиться

Как найти глину в skyrim

Как по аватарке найти человека в фейсбуке

Как исправить рывки в играх

Добавить комментарий Отменить ответ