Во всяком треугольнике ABC стороны ∣BC∣=a,∣CA∣=b,∣AB∣=c и углы CAB=A,ABC=B,BCA=C связаны следующими важными соотношениями.
Теорема косинусов*). Квадрат произвольной стороны равен квадрату другой стороны плоскоквадрат треугольника минус увоенное произведение этих сторон на косинус угла между ними, то есть a2=b2+c2−2bccosA, b2=c2+a2−2cacosB, c2=a2+b2−2abcosC.
Теорема синусов. Произвольная сторона равна произведению диаметра описанной окружности на синус промиволежацего угла, то есть a=2RsinA,b=2RsinB, c=2RsinC,
или, в более употребимой форме, sinAa=sinBb=sinCc=2R.
Но если бы вам предложили пользоваться лишь одной из этих двух теорем, а вторую отбросить, какую бы вы оставили? Из теоремы синусов можно вывести теорему косинусов, а из теоремы косинусов — теорему синусов (правда, без коэффициента пропорциональности 2R — как в школьном учебнике). Но теорема си-
*) О теореме косинусов см. статью Э. Г. Готмана «Теорема косинусов и ее следствия» («Квант», 1972, № 7).
Наиболее естественных выглядит применение теоремы синусов в тех случаях, когда в задаче идет речь о сторонах, противоложих углах и радиуса окружности, описанной около треугольника.
Задача 2 (МГУ, механизм, 1961). Дан треугольник, основание которого равно α, а угол при вершине α. Построена окружность, проходящая через центр вписанного в этом треугольник крута и концы основания. Найти ее радиус.
Пусть O (рис. 2) — центр вписанного крута. Тогда
BOC=180∘−OBC−OCB=180∘−2B^−2C^=90∘+2α.
Поскольку треугольник BOC вписан в исходный круг, по теореме синусов найдем этого крута:
R=2sinBOC∣BC∣=
Рис. 1.
Рис. 2.
Рис. 3.
Задача 3 (МГУ, физика, 1962; УрГУ, физика, 1973). В равно-бедренном треугольнике угол при основании равен α. Высота, опущенная на основание, больше радuisca виссанного крута на m. Определить основание треугольника и радuisс основного крута.
Пусть вновь O — центр вписанного крута (рис. 3). Тогда
∣AO∣=∣AD∣−∣OD∣=ha−r=m,
AOC=90∘+2α,ACO=2α.
Поэтому, применение теорему синусов дважды (для треугольников ABC и AOC), получим
Задача 4. Около крута описан четырехуольник ABCD, диагонали ко-
48
торою пересекаются в точке E. Радуцы окружностей, описанных около треугольников AEB, BEC и CED, соответствующего равны R1, R2 и R3.
Найти радиус R округности, описанной около треугольника AED.
Четыреугольник ABCD (рис. 4) описан около кругга, поэтому выполняется равенство ∣AB∣+∣CD∣=∣BC∣+∣AD∣.
Кроме того,
Теперь по теореме синусов получим R1+R3=R2+R, откуда R=R1−R2+R3.
Иногда в задачах бывают необходимое перейти от данного известного отношения стороны или отрезков к соответствующим между углами треугольника. И это удобнее всего делать с помощью теоремы синусов.
Задача 5 (ЛГУ, химфак, 1973). В равноведренном треугольнике ABC (∣AB∣=∣BC∣) проведена медиана AD. Найти угол BAD, если угол при вершине B равен α.
Из треугольника ABD (рис. 5), в котором ∣AB∣=2∣BD∣, следует по теореме синусов
Задача 6. В данной правильный треугольник вписан второй правильный треугольник, причем отношение их площадей равно 3. Доказать, что стороны вписанного треугольника перпендикулярны соответствующим сторонам данного треугольника.
Легко доказать (доказите!), что ∣AF∣ равно ∣BD∣ (рис. 6). Теперь из подобия треугольников ABC и DEF из теоремы синусов имеем
3=S△DEFS△ABC=∣DF∣∣AB∣= =∣DF∣∣AF∣+∣FB∣=∣DF∣∣BD∣+∣DF∣∣FB∣=sinDBFsinBFD+sinDBFsinBDF=sin60∘sin(120∘−BDF)+sinBDF=2cos(60∘−BDF) cos(60∘−BDF)=23,BDF=90∘
(tогда ∣FD∣⊥∣BC∣) или BDF=30∘. (тогда ∣FD∣⊥∣AB∣).
49
Задание 7 (МГУ, мехмат, 1972). В треугольнике ABC уелол С — туной; биссертиса BE уела В делим сторону AC на отрезки AE и EC длины 3 м и 2 м. Известно, что точка K, лежащая на продолжении стороны BC за вершину C, является центром окружности, проходящей через точки C, E и точку пересечения биссертисы уела B с биссертиской уела ACK. Определить расстояние от точки E до стороны AB.
Очевидно, что искомое расстояние EH (рис. 7) будет найдено, если становится известным sin A^. Но сначала найдем зависимость между углами треугольника ABC. Пусть D — точка пересечения биссертис углов B и ACK. Проведем хорду EF, тогда EDC^=EFC^, но
EDC^=DCF^−DBC^=21ACF^−2B^=2(180∘−C^)−B^=2A^,
EFC^=90∘−ECF^=90∘−(180∘−C^)=C^−90∘,
позетом
2A^=C^−90∘,C^=90∘+2A^.
По теореме синусов и свойству биссертисы из треугольника ABC имеем
Бывают случан, когда в задаче появляется произведение нескольких отношений отрезков. И здесь применение теоремы синусов приводит к простому решению.
Задание 8 (МГУ, эконом. фак., 1975). Дан треугольник ABC, причем ∣AB∣=∣AC∣ и A^=80∘. Внутри треугольника ABC взята точка M макая, что MBC^=30∘, а MCB^=10∘. Найти уелол AMC.
Обозначим искомый угол AMC^ через x (рис. 8). Очевидно, что
ABM^=20∘,ACM^=40∘,CMB^=140∘,
и тогда AMB^=220∘−x. Согласно условиям и по теореме синусов из треугольников AMB и AMC
Задача 9. В выпуклом цепью рехуэлльнике ABCD даны уеллы: BAC=15∘,CBD=90∘,DCA=30∘, ADB=75∘. Наимену уеллу между диаzoналями.
Обозначим AED через x (рис. 9).
Тогда ABE=x−15∘,BCE=90∘−x, CDE=x−30∘,DAE=105∘−x, и из треугольников AEB,BEC,CED и DEA по теореме синусов имеем ∣BE∣∣AE∣=sin15∘sin(x−15∘),∣CE∣∣BE∣=sin90∘sin(90∘−x),∣DE∣∣CE∣=sin30∘sin(x−30∘), ∣AE∣∣DE∣=sin75∘sin(105∘−x).
Перемножая почленно записанные равенства, после сокращения одинаковых сомножителей получим sin(x−15∘)⋅sin(90∘−x)×sin(x−30∘)⋅sin(105∘−x)=sin15∘⋅sin90∘⋅sin30∘⋅sin75∘, [2sin(x−15∘)⋅sin(105∘−x)]×[2sin(x−30∘)sin(90∘−x)]=2sin15∘⋅cos15∘, [cos(2x−120∘)−cos90∘]×∣cos(2x−120∘)−cos60∘∣=21, 2cos2(2x−120∘)−cos(2x−120∘)−1=0,
откуда искомый угол равен 60∘.
У праванении
1 (МГУ, ВМК, 1971). В окружности радиуса R проведены две хорды: AB и AC. На хорде AB или на ее продолжении за точку B взята точка M, расстояние от которой до прямой AC равно длине хорды AC. Аналогично на хорде AC или на ее продолжении за точку C взята точка N, расстояние от которой до прямой AB равно длине хорды AB. Найти длину отрезка MN.
2 (НГУ, mexmat, 1969). Доказать, что среди всех треугольников с данными основанием и данными углом при вершине наиболее перimetр имеет равноведренный треугольник.
3 (МФТИ, 1970). В треугольнике угол при вершине A в три раза больше угла B, а стороны AB,BC,AC (в указанном порядке) образуют арифметическую прогрессию. Найти углы треугольника ABC.
4 (МИИТ, 1972). В прямойном треугольнике даны острый угол α и расстояние a от вершины другого острого угла до центра вписанного круга. Определить площадь треугольника.
5 (МГУ, географ. фак., 1969). Прямая проходит через вершину B равноведренного треугольника ABC, пересекая его основание AC в точке D. Известно, что
ABD=31ABCи∣AD∣:∣DC∣=3:4.
Острый или тупой угол ABC?
6 (МГУ, биофак, 1968). В круглисан равноведренный треугольник ABC, в котором ∣AB∣=∣BC∣ и ABC=α. Из вершины A проведена бисекриса угла BAC, пересекающая сторону BC в точке D, а окружность — в точке E. Вершина B соединена отрезком прямой с точкой E. Найти отношение площадей треугольников ABE и BDE.
7 (МГУ, геолог. фак., 1975). В ромбе ABCD со стороны (1+5) с и острым углом BAD=60∘ расположена окружность, вписанная в треугольник ABD. Из точки C к окружности. проведена касательная, пересекающая сторону AB в точке E. Найти длину отрезка AE.
В круглисан четырехугольник ABCD. Через точку E пересечения диагонали проведен отрезок FH (F лежит на AB, H — на CD). Доказать, что