Теорема синусов
Теорема синусов гласит
Стороны треугольника пропорциональны синусам противолежащих углов
[
frac{a}{sin(α)} = frac{b}{sin(β)} = frac{c}{sin(γ)}
]
Также отношение стороны треугольника к синусу противолежащего угла равно диаметру описанной окружности.
[
frac{a}{sin(α)} = frac{b}{sin(β)} = frac{c}{sin(γ)} = 2R
]
Вычислить, найти сторону треугольника по теореме синусов
Пусть известно: две стороны a, b и угол между ними γ. Нужно найти сторону c и недостающие углы α и β. Используем то, что сумма углов треугольника 180°
[
β = (180° — (α + γ))
]
[
frac{a}{sin(α)} = frac{b}{sin(180° — (α + γ))}
]
По формулам приведения
[
sin(180° — (α + γ)) = sin(α + γ)
]
Подставим в (4)
[
frac{a}{sin(α)} = frac{b}{sin(α + γ)}
]
по формуле синуса суммы углов разделим углы
[
sin(α + γ) = sin(α)cos(γ) + cos(α)sin(γ)
]
Получим
[
frac{b}{a} = frac{sin(α)cos(γ) + cos(α)sin(γ)}{sin(α)}
]
[
frac{b}{a} = cos(γ) + ctg(α)sin(γ)
]
Отсюда найдутся все углы треугольника α и β (см. формула (3)):
[
ctg(α) = frac{Largefrac{b}{a}normalsize — cos(γ)}{sin(γ)}
]
Далее теорема синусов позволит найти оставшуюся сторону c
[
с = bfrac{sin(γ)}{sin(β)} = afrac{sin(γ)}{sin(α)}
]
Вычислить, найти две стороны треугольника по теореме синусов
Пусть известно: одна сторона с, и два прилегающих к ней угла α и β. Нужно найти угол γ и стороны a и b. Используем то, что сумма углов треугольника 180°
[
γ = (180° — (α + β))
]
Теперь когда все углы треугольника известны, а также известна одна сторона, теорема синусов позволит легко найти недостающие стороны:
[
a = c frac{sin(α)}{sin(γ)}
]
[
b = c frac{sin(β)}{sin(γ)}
]
Теорема синусов |
стр. 238 |
|---|
Содержание:
Теорема синусов, теорема косинусов:
Теорема синусов
Вы уже знаете, что в треугольнике против большей стороны лежит больший угол, а против большего угла — большая сторона. Пусть
Теорема синусов. Стороны треугольника пропорциональны синусам противолежащих углов. Отношение стороны треугольника к синусу противолежащего угла равно удвоенному радиусу окружности, описанной около треугольника, т. е.
Доказательство:
Пусть дан треугольник АВС, ВС = 
1) Угол 




2) Угол 





3) Для 


Теорема доказана.
Теорема синусов дает возможность решать широкий круг задач.
Так, пропорция 
- зная две стороны треугольника и угол, противолежащий одной из них, найти синус угла, противолежащего другой стороне;
- зная два угла треугольника и сторону, противолежащую одному из этих углов, найти сторону, противолежащую другому углу.
С помощью формулы 
- зная сторону треугольника и противолежащий ей угол, найти радиус окружности, описанной около треугольника;
- зная угол треугольника и радиус описанной окружности, найти сторону треугольника, противолежащую данному углу;
- зная сторону треугольника и радиус его описанной окружности, найти синус угла, противолежащего данной стороне.
Повторение


Пример:
В остроугольном треугольнике известны стороны 


Решение:
По теореме синусов 




Ответ:
Замечание. Если бы по условию треугольник был тупоугольным с тупым углом 



Пример:
Доказать справедливость формулы площади треугольника 

Доказательство:
Воспользуемся известной формулой площади треугольника: 



Замечание. Выведенная формула позволяет найти радиус описанной окружности треугольника
Пример:
Найти радиус R окружности, описанной около равнобедренного треугольника АВС с основанием АС = 10 и боковой стороной ВС =13 (рис. 154).
Решение:
Способ 1. Из формулы 





Тогда
Способ 2. Используем формулу 


Ответ:
Замечание*. Напомним, что в главе II мы находили радиус R описанной окружности равнобедренного треугольника, проводя серединные перпендикуляры к его сторонам и используя подобие полученных прямоугольных треугольников. Также мы могли использовать формулу 



Заменив 



Теорема косинусов
Теорема косинусов позволяет выразить длину любой стороны треугольника через длины двух других его сторон и косинус угла между ними (например, длину стороны 

Теорема косинусов. Квадрат любой стороны треугольника равен сумме квадратов двух других его сторон минус удвоенное произведение этих сторон на косинус угла между ними, т. е.
Доказательство:
Докажем теорему для случая, когда в треугольнике АВС угол А и угол С острые (рис. 166).
Проведем высоту ВН к стороне АС. Из 

Из 
По основному тригонометрическому тождеству
Тогда
Справедливость теоремы для случаев, когда 

Для сторон 
Замечание. Если 



С помощью теоремы косинусов можно решить следующие задачи:
• зная две стороны и угол между ними, найти третью сторону треугольника;
• зная две стороны и угол, противолежащий одной из этих сторон, найти третью сторону (рис. 167) (в этом случае возможны два решения).
Рассмотрим следствия из теоремы косинусов, которые дают возможность решить еще целый ряд задач.
Следствие:
Теорема косинусов позволяет, зная три стороны треугольника, найти его углы (косинусы углов). Из равенства 
Для углов 
Пример:
В треугольнике АВС стороны АВ = 8, ВС = 5, АС = 7. Найдем ZB (рис. 168).
По теореме косинусов
Используя записанную выше формулу, можно сразу получить:
Следствие:
С помощью теоремы косинусов можно по трем сторонам определить вид треугольника: остроугольный, прямоугольный или тупоугольный.
Так, из формулы 

- если
то
и угол
острый;
- если
то
и угол
тупой;
- если
то
и угол
прямой.
При определении вида треугольника достаточно найти знак косинуса угла, лежащего против большей стороны, поскольку только больший угол треугольника может быть прямым или тупым.
Пример:
Выясним, каким является треугольник со сторонами a = 2, 6 = 3 и с = 4. Для этого найдем знак косинуса угла у, лежащего против большей стороны с. Так как 


Сформулируем правило определения вида треугольника (относительно углов). Треугольник является:
- остроугольным, если квадрат его большей стороны меньше суммы квадратов двух других его сторон:
- тупоугольным, если квадрат его большей стороны больше суммы квадратов двух других его сторон:
- прямоугольным, если квадрат его большей стороны равен сумме квадратов двух других его сторон:
Следствие:
Сумма квадратов диагоналей параллелограмма равна сумме квадратов всех его сторон:
Доказательство:
Пусть в параллелограмме ABCD 


Из 


Сложив почленно равенство (1) и равенство (2), получим 
Данная формула дает возможность:
- • зная две соседние стороны и одну из диагоналей параллелограмма, найти другую диагональ;
- • зная две диагонали и одну из сторон параллелограмма, найти соседнюю с ней сторону.
Следствие:
Медиану 
Доказательство:
Рассмотрим 
Проведем отрезки BD и DC. Так как у четырехугольника ABDC диагонали AD и ВС точкой пересечения делятся пополам, то он — параллелограмм. По свойству диагоналей параллелограмма 
Утверждение доказано.
Аналогично:
Формула медианы позволяет:
- зная три стороны треугольника, найти любую из его медиан;
- зная две стороны и медиану, проведенную к третьей стороне, найти третью сторону;
- зная три медианы, найти любую из сторон треугольника.
Пример:
а) Дан треугольник АВС, а = 5, 5 = 3, 
Решение:
а) По теореме косинусов







Ответ: а) 7; б) 3 или 5.
Пример:
Две стороны треугольника равны 6 и 10, его площадь —
Найти третью сторону треугольника при условии, что противолежащий ей угол — тупой.
Решение:
Пусть в 

Поскольку 

Так как 


Ответ: 14.
Пример:
Найти площадь треугольника, две стороны которого равны 6 и 8, а медиана, проведенная к третьей стороне, равна 5.
Решение:
Обозначим стороны треугольника 

По формуле медианы 

Ответ: 24.
Формула Герона
Мы знаем, как найти площадь треугольника по основанию и высоте, проведенной к этому основанию: 

Теорема (формула Герона).
Площадь треугольника со сторонами 


Доказательство:






Тогда
Так как

Решение треугольников
Решением треугольника называется нахождение его неизвестных сторон и углов (иногда других элементов) по данным, определяющим треугольник.
Такая задача часто встречается на практике, например в геодезии, астрономии, строительстве, навигации.
Рассмотрим алгоритмы решения трех задач.
Пример №1 (решение треугольника по двум сторонам и углу между ними).
Дано: 
Найти :
Решение:
Рис. 184
1) По теореме косинусов
2) По следствию из теоремы косинусов
3) Угол 
4) Угол
Замечание. Нахождение угла 

Пример №2 (решение треугольника по стороне и двум прилежащим к ней углам).
Дано: 
Найти:
Решение:
1) Угол
2) По теореме синусов 


3) Сторону с можно найти с помощью теоремы косинусов или теоремы синусов: 



Пример №3 (решение треугольника по трем сторонам).
Дано: 
Найти: 
Решение:
1) По следствию из теоремы косинусов
2) Зная 

3) Аналогично находим угол
4) Угол
5) Радиус R описанной окружности треугольника можно найти по формуле 
Замечание*. Вторым способом нахождения R будет нахождение косинуса любого угла при помощи теоремы косинусов 


Пример №4
Найти площадь S и радиус R описанной окружности треугольника со сторонами 9, 12 и 15.
Решение:
Способ 1. Воспользуемся формулой Герона. Обозначим а = 9, b = 12, с = 15. Получим:



Ответ:
Способ 2. Так как 


Пример №5
Найти площадь трапеции с основаниями, равными 5 и 14, и боковыми сторонами, равными 10 и 17.
Решение:
Пусть в трапеции ABCD основания AD = 14 и ВС = 5, боковые стороны АВ = 10 и 



Ответ: 76.
Примеры решения задач с использованием теоремы синусов и теоремы косинусов
Пример:
Внутри угла А, равного 60°, взята точка М, которая находится на расстоянии 1 от одной стороны угла и на расстоянии 2 от другой стороны. Найти расстояние от точки М до вершины угла А (рис. 189, а).
Решение:
Пусть 
длину отрезка AM. Сумма углов четырехугольника АВМС равна 360°.
Поэтому
Так как в четырехугольнике АВМС 





Ответ:
Замечание. Вторым способом решения будет продление отрезка ВМ до пересечения с лучом АС и использование свойств полученных прямоугольных треугольников. Рассмотрите этот способ самостоятельно.
Пример №6
В прямоугольном треугольнике АВС известно: 
Решение:
Построим 

Поскольку 




Ответ: 8.
Пример №7
Дан прямоугольный треугольник АВС с катетами ВС = а и АС = 
Решение:
Способ 1. Так как 


Пусть СО = х. По теореме косинусов из 
из 
По свойству вписанного четырехугольника 




Способ 2. Используем теорему Птолемея, которая гласит: «Произведение диагоналей вписанного четырехугольника равно сумме произведений его противоположных сторон». Для нашей задачи получаем (см. рис. 191):
Способ 3. Достроим 
Ответ:
Пример №8
Точка О — центр окружности, вписанной в треугольник АВС, 
Решение:
Пусть 

Тогда
Отсюда 
С другой стороны, 





Ответ: 15 см; 20 см; 7 см.
Теорема Стюарта
Следующая теорема позволяет найти длину отрезка, соединяющего вершину треугольника с точкой на противоположной стороне.
Теорема Стюарта. «Если а, b и с — стороны треугольника и отрезок d делит сторону с на отрезки, равные х и у (рис. 194), то справедлива формула
Доказательство:
По теореме косинусов из 



Умножим обе части равенства (1) на у, равенства (2) — на
Сложим почленно полученные равенства:
Из последнего равенства выразим

Следствие:
Биссектрису треугольника можно найти по формуле (рис. 195)
Доказательство:
По свойству биссектрисы треугольника 



Пример №9
Доказать, что если в треугольнике две биссектрисы равны, то треугольник — равнобедренный (теорема Штейнера—Лемуса).
Доказательство:
Пусть дан треугольник АВС, 






По формуле биссектрисы треугольника
Из условия 




Теорема Птолемея о вписанном четырехугольнике
Произведение диагоналей вписанного четырехугольника равно сумме произведений его противоположных сторон, т. е.
Доказательство:
Из 
Так как 

Аналогично из 


Запомните:
- Теорема синусов. Стороны треугольника пропорциональны синусам противолежащих углов. Отношение стороны треугольника к синусу противолежащего угла равно удвоенному радиусу его описанной окружности:
- Радиус описанной окружности треугольника можно найти, используя формулы:
- Теорема косинусов. Квадрат любой стороны треугольника равен сумме квадратов двух других его сторон минус удвоенное произведение этих сторон на косинус угла между ними:
- Пусть
— стороны треугольника и с — большая сторона. Если
, то треугольник тупоугольный, если
то треугольник остроугольный, если
, то треугольник прямоугольный.
- Сумма квадратов диагоналей параллелограмма равна сумме квадратов всех его сторон:
- Формула Герона:
- Формула медианы:
- Параллельность прямых и плоскостей
- Перпендикулярность прямой и плоскости
- Взаимное расположение прямых в пространстве, прямой и плоскости
- Перпендикулярность прямых и плоскостей в пространстве
- Углы и расстояния в пространстве
- Подобие треугольников
- Решение прямоугольных треугольников
- Параллелограмм
На странице содержится информация о теореме синусов, калькулятор, с помощью которого можно найти стороны и угол треугольника, а также формула теоремы синусов.
Теорема синусов — теорема, которая устанавливает зависимость между сторонами треугольника и величиной противолежащих им углов.
Стороны треугольника пропорциональны синусам противолежащих углов.
Кроме того теорему синусов можно записать в расширенной форме. В этом случае в нее добавляется значение радиуса описанной окружности треугольника.
Формула теоремы синусов
{dfrac{a}{sin alpha} = dfrac{b}{sin beta} = dfrac{c}{sin gamma} = 2R}
a, b, c — стороны треугольника,
α, β, γ — углы треугольника.
R — радиус описанной около треугольника окружности.
Теорема синусов. Доказательство
Тебе уже известно, что около каждого треугольника можно описать окружность. Мы это и сделаем. А потом проведём диаметр ( displaystyle BO).
Пусть этот диаметр пересекает окружность в точке ( displaystyle K). Давай рассмотрим ( displaystyle Delta BKC).
Что же это за треугольник?
Ну, конечно же, прямоугольный, ведь в ( displaystyle Delta BKC) угол ( displaystyle C) опирается на диаметр ( displaystyle BKquadRightarrow quadangle C=90{}^circ ) (вспоминаем тему «Вписанный и центральный угол окружности»).
Но и кроме того, ( displaystyle angle K) в ( displaystyle Delta BKC) равен ( displaystyle angle A) в ( displaystyle Delta ABC), потому что эти углы опираются на одну дугу ( displaystyle BC) (опять вспоминаем ту же тему).
А теперь просто запишем выражение для синуса ( displaystyle angle K) в прямоугольном ( displaystyle Delta BKC) ( displaystyle sin angle K=frac{a}{BK}).
Но ведь ( displaystyle BK) – диаметр ( displaystyle quadRightarrowquad BK=2R), и ( displaystyle sin angle K=frac{a}{2R}).
Вспомним, что ( displaystyle angle K=angle A) и получим ( displaystyle sin angle A=frac{a}{2R}quadRightarrowquad frac{a}{sin angle A}=2R).
Вот и всё! Провели одну линию, рассмотрели один прямоугольный треугольник – и доказательство готово.
Но как же быть с углами ( displaystyle B) и ( displaystyle C)? – спросишь ты.
Да, точно также. Давай рассмотрим ( displaystyle angle B).
Теперь проведём диаметр ( displaystyle AO) и соединим точки ( displaystyle K) и ( displaystyle C).
Как-то тут немного по-другому получается, ты заметил? ( displaystyle Delta AKC), конечно, прямоугольный, так как ( displaystyle angle C) опирается на диаметр ( displaystyle AK).
Но теперь ( displaystyle angle K+angle B=180{}^circ ), потому что четырехугольник ( displaystyle ABCK) – вписанный. (Надеюсь, ты ещё помнишь, что для угла ( displaystyle A) у нас было ( displaystyle angle A=angle K).) В чём же дело?
Ну, просто ( displaystyle angle B) – тупой, поэтому и получилось такое различие. Но, к счастью, для теоремы синусов это различие не играет роли. Сейчас мы в этом убедимся.
Итак, запишем выражение для синуса ( displaystyle angle K) в прямоугольном ( displaystyle Delta AKC).
( displaystyle sin angle K=frac{b}{AK}); то есть ( displaystyle sin angle K=frac{b}{2R})
Но ( displaystyle angle B=180{}^circ -angle KRightarrow sin angle B=sin angle K) (читаем или вспоминаем формулы приведения в тригонометрии.)
Значит, ( displaystyle sin angle B=frac{b}{2R}quadRightarrowquad frac{b}{sin angle B}=2R).
Ну вот, мы рассмотрели и острый, и тупой угол. Если ты все ещё беспокоишься об угле ( displaystyle C), то проделай все те же действия самостоятельно и убедись, что все получается.
Обрати внимание, что мы доказали «четверное равенство».
( displaystyle frac{a}{sin angle A}=frac{b}{sin angle B}=frac{c}{sin angle C}=2R)
в такой последовательности:
( displaystyle left{ begin{array}{l}frac{a}{sin angle A}=2R\frac{b}{sin angle B}=2Rhspace{13mm}Rightarrowquad frac{a}{sin angle A}=frac{b}{sin angle B}=frac{c}{sin angle C}=2R\frac{c}{sin angle C}=2Rend{array} right.)
А теперь внимание! Обсудим пользу этой теоремы
Понимаешь, теорема синусов – единственный разумный способ для нахождения радиуса описанной окружности.
Почему я так говорю? А ты вспомни сам: ну где ещё в формулах участвует ( displaystyle R)?! Возможно, правда, ты знаком с формулой ( displaystyle S=frac{abc}{4R}), то есть ( displaystyle R=frac{abc}{4S}quad), но!
Давай – ка сравним:
Из теоремы синусов: ( displaystyle R=frac{a}{2sin angle A})
Из формулы площади: ( displaystyle R=frac{abc}{4S}).
Чувствуешь разницу? В первой формуле нужно знать только одну сторону и один угол, а во второй формуле – все стороны, да ещё и площадь! Ну и какую формулу легче применить?
А кроме того, открою тебе маленький секрет: формула ( displaystyle S=frac{abc}{4R}) как раз и доказывается именно с применением теоремы синусов.
Чтобы убедиться в этом, читай темы «Площадь круга», «Площадь треугольника и четырехугольника».
Итак, теорема синусов бывает полезна и для нахождения синуса какого – то угла, если известны две стороны и один угол.
Но в основном теорема синусов – главный инструмент для нахождения радиуса описанной окружности.
Запомни это очень хорошо!
Теорема синусов.
Стороны треугольника пропорциональны синусам противолежащих углов.
Дано: ∆ ABC,
BC=a, AC=b, AB=c,
∠A=α, ∠B=β, ∠C=γ.
Доказать:
Доказательство:
1) Опустим из вершины C высоту CD.
2) Из прямоугольного треугольника ACD по определению синуса острого угла
Отсюда
3) Аналогично из треугольника BCD
4) Приравниваем правые части полученных равенств:
Поделив обе части последнего равенства на произведение sinα∙sinβ, получим:
5) Опустим из вершины A высоту AF.
6) Из прямоугольного треугольника ACF по определению синуса
7) Аналогично из треугольника ABF

делим обе части равенства на произведение sinγ∙sinβ, получаем:
Что и требовалось доказать.
Замечание.
Если треугольник ABC тупоугольный, то все рассуждения и в этом случае сохраняются, поскольку
Например, из треугольника BCD
В прямоугольном треугольника теорему синусов не принято использовать (достаточно применить определение синуса).










































то
и угол
острый;
то
и угол
тупой;
то
и угол
прямой.


































































































— стороны треугольника и с — большая сторона. Если
, то треугольник тупоугольный, если
то треугольник остроугольный, если
, то треугольник прямоугольный.






![Rendered by QuickLaTeX.com [left. begin{array}{l} frac{b}{{sin beta }} = frac{a}{{sin alpha }}\ frac{b}{{sin beta }} = frac{c}{{sin gamma }} end{array} right} Rightarrow frac{a}{{sin alpha }} = frac{b}{{sin beta }} = frac{c}{{sin gamma }}]](https://www.treugolniki.ru/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-440a29fa5bbfe1c461e76b1b25fc3807_l3.png)
