В этой статье рассказывается о том, как с помощью теоремы косинусов решать разнообразные геометрические задачи. СAMA теорема косинусов не доказывается.
Для вычисления элементов треугольника по двум сторонам и углу между ними или по трем сторонам применяется соответствие
a2=b2+c2−2bccosA,
называемое «теоремой косинусов».
Teорему косинусов можно использовать и при решении более трудных задач.
Пример 1. Найти площадь параллелограмма, если известны его стороны a и b и острый угол α между диагонали.
Решение. Пусть ABCD — параллелограмм, причем AB=a и BC=b (рис. 1). Будем считать, что a>b∗. Тогда угол BOC между диагонали — острый, и согласно условию задачи ⇒BOC=α.
Если обозначить длину диагонали AC через 2x, а длину диагонали ∗) Если a=b, то параллелограмм является ромбом, а угол между диагонали — прямой.
BD через 2y, то площадь параллелограмма S равна 2xysinα. Из треугольников AOB и BOC, используя теорему косинусов, найдем стороны a и b:
a2=x2+y2+2xycosα, b2=x2+y2−2xycosα.
Позтому
a2−b2=4xycosα,
откуда
xy=4cosαa2−b2.
Следовательно,
S=2cosα(a2−b2)sinα
или
S=2a2−b2tgα.
Примечние. Если A — угол параллелограмма, то S=absinA, откуда следует, что 0<S≤ab. Позтому
2a2−b2tgα≤ab и
tgα≤a2−b22ab.
Таким образом, чтобы задача имела решение, необходимо параметры a, b и α выбрать так, чтобы выполнялись неравенства
a>b>0,α≤arctga2−b22ab.
30
С помощью известных формул геометрии и тригонометрии из теоремы косинусов можно вывести некоторые соотношения, связывающие элементы любого треугольника.
Пример 2. Доказать, что стороны, улы и площадь S треугольника ABC удовлетворят соотношениями
ctg A+ctg B+ctg C=4Sa2+b2+c2.
Решение. Из формулы S=21bcsinA находим, что bc=sinA2S. Подставив в формулу a2=b2+c2−2bccosA вместе 2bc выражение sinA4S, получим соотношение
a2=b2+c2−4Sctg A. (1)
Следовательно,
ctg A=4Sb2+c2−a2.
Если в соответствии с этой формулой выразить через стороны треугольника ctgB и ctgC и полученные выражения сложить, то мы получим тожество
ctg A+ctg B+ctg C=4Sa2+b2+c2.
Пример 3. Доказать, что для любого треугольника справедлицы неравенства
a) sin2A⩽2bca,
b) tg2A⩽2haa,
еде a,b,c — стороны треугольника ABC и ha — высота, проведенная из вершины A.
Решение. a) Формулу (*) можно записать так:
a2=(b−c)2+2bc(1−cosA).
Если 1−cosA заменить теперь 2sin22A, то мы придем к такой формуле
a2=(b−c)2+4bcsin22A. (2)
Позатем
a2⩾4bcsin22A,
или
sin2A⩽2bca,
причем равенство достигается только при b=c.
Формулу (2) легко привести к такому виду:
a2=(b−c)2+4Stg2A. (3)
Для этого достаточно выполнить следующие преобразования:
bcsin22A=sinA2Ssin22A=
=2sin2Acos2A2Ssin22A=Stg2A.
Из формулы (3) вытекает неравенство a2⩾4Stg2A, откуда tg2A⩽4Sa2.
Учитывая, что S=21aha, получим неравенство tg2A⩽2haa.
Из приведенных примеров видно, что формулу
a2=b2+c2−2bccosA
с помощью несложных преобразований к одному из видов 1—3. Аналогично выводятся следующие соотношения:
a2=(b+c)2−4bccos22A, (4)
a2=(b+c)2−4Stg2A. (5)
Рассмотрим теперь несколько задач, решающихся с помощью формул (1)—(5).
Пример 4. Вычислить площадь треугольника, если данные его стороны.
31
Решение. Перепишем соответствия (3) и (5) следующим образом:
4Stg2A=a2−(b−c)2, 4Sctg2A=(b+c)2−a2.
Если перimetр треугольника обозначить через 2p, то a2−(b−c)2=(a+b−c)×(a+c−b)=4(p−b)×(p−c), (b+c)2−a2=(a+b+c)×(b+c−a)=4p(p−a).
Следовательно,
Stg2A=(p−b)(p−c), Sctg2A=p(p−a).
Переменная эти равенства по-членно, получим известную формулу Герона для вычисления площади треугольника
S2=p(p−a)(p−b)(p−c).
Пример 5. Дан равносторонний треугольник ABC со стороны a. Через точку M, лежащую на стороне AB, параллельно сторонам AC и BC треугольника проведены прямы, пересекающие эти стороны соответственно в точках K и L. Вычислить площадь треугольника KLM, если KL = d (рис. 2).
Решение. Обозначим отрезки KM и LM соответственно через x и y. Треугольники AKM и BLM равносторонние, следовательно,
Рис. 2.
Пример 6. Данный треугольник разделить на две равновеликие части отрезком наименьшей длины.
Решение. Пусть отрезок MN делит площадь треугольника ABC пополам (рис. 3). Если точки M и N лежат на сторонах угла BAC и S — площадь треугольника ABC, то площадь треугольника AMN равна 21S, и по формуле (3)
MN2=(AM−AN)2+2Stg2A,
Отсюда сразу находим, что при AM = AN отрезок MN имеет наименьшую длину, равную 2Stg2A.
32
Рис. 3.
Длину отрезка AM легко вычислить, поскольку S=AM2sinA=21bcsinA,
откуда
AM=2bc.
Ясно, что если концы отрезка MN лежат на сторонах угла B треугольника, то наименьшая длина этого отрезка равна 2Stg2B.
Пусть a<b<c, тогда
2Stg2A<2Stg2B<2Stg2C.
Позному длина минимального отрезка MN равна 2Stg2A. При этом AM=AN=2bc.
Построение отрезка MN всегда возможно; так как c<a+b<2b, то 2bc<b и подавно 2bc<c.
В заключение приведем несколько задач, которые представим читателю решить самостояльно.
На сторонах треугольника с углом 60∘ вне его построения равносторонние треугольники. Докажите, что сумма площадей данного треугольника и треугольника, построенного на стороне, противолежащей углу в 60∘, равна сумме площадей двух треугольников.
На сторонах треугольника ABC, угол C которого равен 135∘, вне его построены квадраты ABMN,BCKL и CAPQ. Докажите, что площадь шестиугольника KLMNPQ равна удвоенной площади квадрата ABMN.
Вычислите площадь параллелограмма ABCD, если AB=5,BC=2 и угол между его диагоналями составляет 45∘.
Выразите тригонометрические функции поливинных углов треугольника через его стороны.
Докажите, что стороны треугольника ABC удовлетворяют равенству a2+b2=2c2 тогда и только тогда, когда углы треугольника связаны соотношениям
ctgA+ctgB=2ctgC.
Стороны треугольника ABC связаны зависимости a2+b2=nc2, где n>1. Докажите, что cosC≥nn−1.
Докажите, что углы любого треугольника удовлетворяют неравенству.
tg2A+tg2B+tg2C≤ctgA+ctgB+ctgC.
В окружность вписан равносторонний треугольник со сторону a. Докажите, что x2+y2+z2=2a2, где x,y,z — расстояния от произвольной точки окружности до вершин треугольника.
В треугольник ABC вписана окружность, которая касается сторона AB и AC в точках M и N. Определите угол A треугольника, если MBAM=61 и NCAN=71.
Найдите площадь треугольника ABC, зная угол A и отрезки m и n, на которые точка касания вписанной окружности делит сторону BC.
Данны прямая l и две точки A и B, не лежащие на ней. Найдите на прямой l точку M, для которого отношение BMAM принимает a) наиболее значение; 6) наиболее значение.
Докажите, что углы любого треугольника удовлетворяют неравенству
sin2Asin2Bsin2C≤81.
Около окружности радиуса r описана трапеция с основаниями a и b (a>b). Вычислить угол между ее боковыми сторонами.
14*) Докажите, что для всякого треугольника ABC справедливо такое соотношение: