При решении задач по геометрии из ЕГЭ и ОГЭ по математике довольно часто возникает необходимость, зная две стороны треугольника и угол между ними, найти третью сторону. Или же, зная все стороны треугольника, найти его углы. Для решение этих задач вам потребуется значение теоремы косинусов для треугольника. В данной статье репетитор по математике и физике рассказывает о том, как формулируется, доказывается и применяется на практике при решении задач данная теорема.
Теорема косинусов для треугольника связывает две стороны треугольника и угол между ними со стороной, лежащей против этого угла. К примеру, обозначим буквами , и длины сторон треугольника ABC , лежащие соответственно против углов A , B и C .
Тогда имеет теорема косинусов для этого треугольника может быть записана в виде:
На рисунке для удобства дальнейших рассуждений угол С обозначен углом . Словами это можно сформулировать следующим образом: «Квадрат любой стороны треугольника равен сумме квадратов двух других сторон за вычетом удвоенного произведения этих сторон на косинус угла между ними.»
Понятно, что если бы вы выражали другую сторону треугольника, например, сторону , то в формуле нужно было бы брать косинус угла A , то есть лежащего против искомой стороны в треугольнике, а справа в уравнении на своих местах стояли бы стороны и . Выражение для квадрата стороны получается аналогично:
Доказательство теоремы косинусов для треугольника проводят обычно следующим образом. Разбивают исходный треугольник на два прямоугольных треугольника высотой, а дальше играются со сторонами полученных треугольников и теоремой Пифагора. В результате после долгих нудных преобразований получаю нужный результат. Мне лично этот подход не по душе. И не только из-за громоздких вычислений, но ещё и потому что в этом случае приходится отдельно рассматривать случай, когда треугольник является тупоугольным. Слишком много трудностей.
Я предлагаю доказать эту теорему с помощью понятия «скалярного произведения векторов». Я сознательно иду на этот риск для себя, зная, что многие школьники предпочитают обходить эту тему стороной, считая, что она какая-то мутная и с ней лучше не иметь дела. Но нежелание возиться отдельно с тупоугольным треугольником во мне всё же пересиливает. Тем более, что доказательство в результате получается удивительно простым и запоминающимся. Сейчас вы в этом убедитесь.
Заменим стороны нашего треугольника следующими векторами:
Используем теорему косинусов для треугольника ABC . Квадрат стороны равен сумме квадратов сторон и за вычетом удвоенного произведения этих сторон на косинус угла между ними:
Поскольку , то в результат получаем:
Значит, . Понятно, что отрицательное решение мы не берём, потому что длина отрезка — это число положительное.
Искомый угол на рисунке обозначен . Вновь запишем теорему косинусов для треугольника ABC . Поскольку все обозначения у нас сохранились, то и формула, выражающая теорему косинусов для этого треугольника, останется прежней:
Подставим теперь в эту формулу все величины, которые даны. В результате получаем следующее выражение:
После всех вычислений и преобразований получаем следующее простое выражение:
Какой должна быть величина острого угла , чтобы его косинус был равен Смотрим в таблицу, которую можно найти в , и получаем ответ: .
Вот так решаются задачи по геометрии с использованием теоремы косинусов для треугольника. Если вы собираетесь сдавать ОГЭ или ЕГЭ по математике, то этот материал вам нужно освоить обязательно. Соответствующие задачи почти наверняка будут на экзамене. Потренируйтесь самостоятельно в их решении. Выполните следующие задания:
Свои ответы и варианты решения пишите в комментариях. Удачи вам!
Материал подготовил , Сергей Валерьевич
Каждый из нас много часов просидел над решением той или иной задачи по геометрии. Конечно, возникает вопрос, зачем вообще нужно учить математику? Вопрос особо актуален для геометрии, знания которой если и пригождаются, то очень редко. Но у математики есть назначение и для тех, кто не собирается становиться работником Она заставляет человека работать и развиваться.
Первоначальным назначением математики было не наделение учеников знаниями о предмете. Учителя ставили себе целью научить детей мыслить, рассуждать, анализировать и аргументировать. Именно это мы и находим в геометрии с ее многочисленными аксиомами и теоремами, следствиями и доказательствами.
Теорема косинусов
Использование
Кроме уроков по математике и физике, данная теорема широко используется в архитектуре и строительстве, для вычисления необходимых сторон и углов. С ее помощью определяют необходимые размеры постройки и количество материалов, которые потребуются для ее возведения. Конечно, большинство процессов, которые ранее требовали непосредственного человеческого участия и знаний, автоматизированы на сегодняшний день. Существует огромное количество программ, которые позволяют моделировать подобные проекты на компьютере. Их программирование также осуществляется с учетом всех математических законов, свойств и формул.
Не все школьники, а тем более взрослые, знают, что теорема косинусов напрямую связана с теоремой Пифагора. Точнее сказать, последняя является частным случаем первой. Этот момент, а также два способа доказательства теоремы косинусов помогут стать более знающим человеком. К тому же практика в выражении величин из исходных выражений хорошо развивает логическое мышление. Длинная формула изучаемой теоремы обязательно заставит потрудиться и посовершенствоваться.
Эта теорема формулируется и доказывается для произвольного треугольника. Поэтому ею можно воспользоваться всегда, в любой ситуации, если даны две стороны, а в некоторых случаях три, и угол, причем необязательно между ними. Каким бы ни был вид треугольника, теорема сработает всегда.
А теперь про обозначение величин во всех выражениях. Лучше сразу договориться, чтобы потом несколько раз не пояснять. Для этого составлена следующая таблица.
Итак, формулируется теорема косинусов следующим образом:
Квадрат стороны любого треугольника равен сумме квадратов двух других его сторон минус удвоенное произведение этих же сторон на косинус угла, лежащего между ними.
Конечно, оно длинное, но если понять его суть, то запомнить будет просто. Можно даже представлять себе чертеж треугольника. Наглядно всегда проще запоминать.
Формула же этой теоремы будет выглядеть так:
Немного длинно, но все логично. Если немного внимательнее посмотреть, то можно увидеть, что буквы повторяются, значит, и запомнить ее несложно.
Поскольку она справедлива для всех треугольников, то можно выбрать для рассуждений любой из видов. Пусть это будет фигура со всеми острыми углами. Рассмотрим произвольный остроугольный треугольник, у которого угол С больше, чем угол В. Из вершины с этим большим углом нужно опустить перпендикуляр на противоположную сторону. Проведенная высота разделит треугольник на два прямоугольных. Это потребуется для доказательства.
Сторона окажется разделенной на два отрезка: х, у. Их нужно выразить через известные величины. Та часть, которая окажется в треугольнике с гипотенузой, равной в, выразится через запись:
х = в * cos А.
Другая будет равна такой разности:
у = с - в * cos А.
Теперь нужно записать теорему Пифагора для двух получившихся в результате построения прямоугольных треугольников, принимая за неизвестную величину высоту. Эти формулы будут выглядеть так:
н 2 = в 2 - (в * cos А) 2 ,
н 2 = а 2 - (с - в * cos А) 2 .
В этих равенствах стоят одинаковые выражения слева. Значит, их правые части тоже будут равны. Это просто записать. Теперь нужно раскрыть скобки:
в 2 - в 2 * (cos А) 2 = а 2 - с 2 + 2 с * в * cos А - в 2 * (cos А) 2 .
Если здесь выполнить перенос и приведение подобных слагаемых, то получится начальная формула, которая записана после формулировки, то есть теорема косинусов. Доказательство закончено.
Оно гораздо короче предыдущего. И если знать свойства векторов, то теорема косинусов для треугольника будет доказана просто.
Если стороны а, в, с обозначить соответственно векторами ВС, АС и АВ, то справедливо равенство:
ВС = АС - АВ.
Теперь нужно выполнить некоторые действия. Первое из них — это возведение в квадрат обеих частей равенства:
ВС 2 = АС 2 + АВ 2 - 2 АС * АВ.
Потом равенство нужно переписать в скалярном виде, учитывая то, что произведение векторов равно косинусу угла между ними на их скалярные значения:
ВС 2 = АС 2 + АВ 2 - 2 АС * АВ * cos А.
Осталось только вернуться к старым обозначениям, и снова получится теорема косинусов:
а 2 = в 2 + с 2 - 2 * в * с * cos А.
Чтобы найти сторону, из теоремы косинусов нужно извлечь квадратный корень. Формула для квадратов одной из других сторон будет выглядеть так:
с 2 = а 2 + в 2 - 2 * а * в * cos C.
Чтобы записать выражение для квадрата стороны в , нужно в предыдущем равенстве заменить с на в , и наоборот, и под косинусом поставить угол В.
Из основной формулы теоремы можно выразить значение косинуса угла А:
cos А = (в 2 + с 2 - а 2) / (2 в * с).
Аналогично выводятся формулы для других углов. Это хорошая практика, поэтому можно попробовать написать их самостоятельно.
Естественно, что запоминать эти формулы нет необходимости. Достаточно понимания теоремы и умения вывести эти выражения из ее основной записи.
Исходная формула теоремы дает возможность найти сторону, если угол лежит не между двумя известными. К примеру, нужно найти в , когда даны величины: а, с, А . Или неизвестна с , зато есть значения а, в, А .
В этой ситуации нужно перенести все слагаемые формулы в левую сторону. Получится такое равенство:
с 2 - 2 * в * с * cos А + в 2 - а 2 = 0.
Перепишем его немного в другом виде:
с 2 - (2 * в * cos А) * с + (в 2 - а 2) = 0.
Можно легко увидеть квадратное уравнение. В нем неизвестная величина - с , а все остальные даны. Поэтому его достаточно решить с помощью дискриминанта. Так будет найдена неизвестная сторона.
Аналогично получается формула для второй стороны:
в 2 - (2 * с * cos А) * в + (с 2 - а 2) = 0.
Из других выражений такие формулы тоже легко получить самостоятельно.
Если внимательно посмотреть на формулу косинуса угла, выведенную ранее, то можно заметить следующее:
Угол А будет:
Кстати, последняя ситуация обращает теорему косинусов в теорему Пифагора. Потому что для угла в 90º его косинус равен нулю, и последнее слагаемое исчезает.
Условие
Тупой угол некоторого произвольного треугольника равен 120º. О сторонах, которыми он ограничен, известно, что одна из них больше другой на 8 см. Известна длина третьей стороны, это 28 см. Требуется найти периметр треугольника.
Решение
Сначала нужно обозначить одну из сторон буквой «х». В таком случае другая будет равна (х + 8). Поскольку есть выражения для всех трех сторон, можно воспользоваться формулой, которую дает теорема косинусов:
28 2 = (х + 8) 2 + х 2 - 2 * (х + 8) * х * cos 120º.
В таблицах для косинусов нужно найти значение, соответствующее 120 градусам. Это будет число 0,5 со знаком минус. Теперь полагается раскрыть скобки, соблюдая все правила, и привести подобные слагаемые:
784 = х 2 + 16х + 64 + х 2 - 2х * (-0,5) * (х + 8);
784 = 2х 2 + 16х + 64 + х 2 + 8х;
3х 2 + 24х - 720 = 0.
Это квадратное уравнение решается через нахождение дискриминанта, который будет равен:
Д = 24 2 - 4 * 3 * (- 720) = 9216.
Поскольку его значение больше нуля, то уравнение имеет два ответа-корня.
х 1 = ((-24) + √(9216)) / (2 * 3) = 12;
х 2 = ((-24) - √(9216)) / (2 * 3) = -20.
Последний корень не может быть ответом задачи, потому что сторона обязательно должна быть положительной.
Выпускники, которые готовятся сдавать ЕГЭ по математике и хотят получить достаточно высокие баллы, обязательно должны освоить принцип решения задач на применение теоремы синусов и косинусов. Многолетняя практика показывает, что подобные задания из раздела «Геометрия на плоскости» являются обязательной частью программы аттестационного испытания. Поэтому, если одним из ваших слабых мест являются задачи на теорему косинусов и синусов, рекомендуем обязательно повторить базовую теорию по данной теме.
Занимаясь перед сдачей ЕГЭ, многие выпускники сталкиваются с проблемой поиска базовой теории, необходимой для решения практических задач на применение теоремы синусов и косинусов.
Учебник далеко не всегда оказывается под рукой в нужный момент. А найти необходимые формулы иногда бывает достаточно проблематично даже в Интернете.
Подготовка к аттестационному испытанию вместе с образовательным порталом «Школково» будет максимально качественной и эффективной. Чтобы задачи на теорему синусов и косинусов давались легко, рекомендуем освежить в памяти всю теорию по данной теме. Этот материал наши специалисты подготовили на основе богатого опыта и представили в понятной форме. Найти его вы можете в разделе «Теоретическая справка».
Знание базовых теорем и определений - это половина успеха при прохождении аттестационного испытания. Отточить навык решения примеров позволяют соответствующие упражнения. Чтобы их найти, достаточно перейти в раздел «Каталог» на образовательном сайте «Школково». Там представлен большой перечень заданий различного уровня сложности, который постоянно дополняется и обновляется.
Задачи на теоремы синусов и косинусов, подобные тем, что встречаются в ЕГЭ по математике, учащиеся могут выполнять в онлайн-режиме, находясь в Москве или любом другом российском городе.
В случае необходимости любое упражнение, например, можно сохранить в разделе «Избранное». Это позволит в дальнейшем вернуться к нему, чтобы еще раз проанализировать алгоритм нахождения правильного ответа и обсудить его с преподавателем в школе или репетитором.
Соблюдение Вашей конфиденциальности важно для нас. По этой причине, мы разработали Политику Конфиденциальности, которая описывает, как мы используем и храним Вашу информацию. Пожалуйста, ознакомьтесь с нашими правилами соблюдения конфиденциальности и сообщите нам, если у вас возникнут какие-либо вопросы.
Под персональной информацией понимаются данные, которые могут быть использованы для идентификации определенного лица либо связи с ним.
От вас может быть запрошено предоставление вашей персональной информации в любой момент, когда вы связываетесь с нами.
Ниже приведены некоторые примеры типов персональной информации, которую мы можем собирать, и как мы можем использовать такую информацию.
Какую персональную информацию мы собираем:
Как мы используем вашу персональную информацию:
Мы не раскрываем полученную от Вас информацию третьим лицам.
Исключения:
Мы предпринимаем меры предосторожности - включая административные, технические и физические - для защиты вашей персональной информации от утраты, кражи, и недобросовестного использования, а также от несанкционированного доступа, раскрытия, изменения и уничтожения.
Для того чтобы убедиться, что ваша персональная информация находится в безопасности, мы доводим нормы соблюдения конфиденциальности и безопасности до наших сотрудников, и строго следим за исполнением мер соблюдения конфиденциальности.
