24,4K подписчиков

Теорема косинусов

803 прочитали

В прошлый раз мы с вами доказали несколько классических теорем геометрии через совершенно негеометрические концепции. Давайте для комплекта докажем теоремы косинусов, обобщающую теорему Пифагора на случай произвольного треугольника. Она выглядит так:

a² + b² - 2ab cos(φ) = c².

Здесь a и b — две стороны треугольника, φ — угол между ними, а c — третья сторона.

При прямом угле косинус равен нулю и получается Пифагор.

При нулевом угле косинус равен единице и получается c=a-b.

Ну а если угол 180 градусов, то c=a+b. Все правильно.

В прошлый раз мы с вами доказали несколько классических теорем геометрии через совершенно негеометрические концепции.-2

Как будем доказывать? Давайте сначала лобовой атакой, а потом обходным маневром.

Опустим высоту h (она разделит сторону с на два куска x и y) и запишем теорему Пифагора для полученных треугольничков:

a² - h² = x², b² - h² = y²

Сложим и прибавим 2ab к обеим частям:

a² + b² - 2h² + 2xy = (x + y)² = c².

Вычтем 2abcos(ш) из обеих частей:

a² + b² - 2h² + 2xy - 2abcos(φ) = c² - 2ab cos(φ).

Чтобы теорема была верна, нам нужно равенство

-h² + xy = -ab cos(φ).

Уберем h, выразив его через углы α и β, на которые делит угол φ высота h:

h = a cos(α) = b cos(β).

Получим:

-ab cos(α)cos(β) + xy = -ab cos(φ)

Аналогично устраним x и y:

x = a sin(α), y = b sin(β)

Получим

-abcos(α)cos(β) + absin(α)sin(β) = -abcos(φ)

Теперь видно, что длины a и b ни на что не влияют, равенство сводится к

cos(α)cos(β) - sin(α)sin(β) = cos(α+β)

Но это же безусловно верно: это формула для косинуса суммы.

Теорема доказана.

Если вы забыли формулы для синуса и косинуса суммы, то они легко выводятся из формулы Эйлера:

В прошлый раз мы с вами доказали несколько классических теорем геометрии через совершенно негеометрические концепции.-3

с учетом формул

В прошлый раз мы с вами доказали несколько классических теорем геометрии через совершенно негеометрические концепции.-4

Ну, и ещё надо помнить, что если a+bi = c+di, то a=c и b=d.

Теперь обходным путём, через векторы. Совсем просто. Пусть у нас стороны треугольника векторы, а вектор есть ни что иное, как перенос. Так что b+c=a (при правильно подобранных направлениях), или c=b-a. Это векторное равенство. Возводим его в квадрат и получаем

c² = b² + a² - 2abcos(φ).

Потому что скалярный квадрат вектора и есть квадрат его длины, ну а выражение с косинусом есть скалярное произведение.

Видите, как всё просто? А в школе-то небось так просто не было? Я вот помню, что не мог сходу доказать эту теорему. А теперь вот в уме могу...

Научно-популярные каналы на Дзене: путеводитель
Новости популярной науки12 марта 2022