Закон синусов
Тригонометрия |
---|
Ссылка |
Законы и теоремы |
Исчисление |
Математики |
В тригонометрии закон синусов , закон синуса , формула синуса или правило синуса — это уравнение, связывающее длины сторон любого треугольника с синусом его углов. Согласно закону, где a , b и c — длины сторон треугольника, а α , β и γ — противоположные углы (см. рисунок 2), а R — радиус треугольника описанной окружности . Когда последняя часть уравнения не используется, закон иногда формулируется с использованием обратных величин ; Закон синусов можно использовать для вычисления оставшихся сторон треугольника, если известны два угла и сторона — метод, известный как триангуляция . Его также можно использовать, когда известны две стороны и один из незамкнутых углов. В некоторых таких случаях треугольник не определяется однозначно по этим данным (так называемый неоднозначный случай ), и метод дает два возможных значения приложенного угла.
Закон синусов — одно из двух тригонометрических уравнений, обычно применяемых для нахождения длин и углов в разносторонних треугольниках , второе — закон косинусов .
Закон синусов можно обобщить на более высокие размеры поверхностей с постоянной кривизной. [1]
История
[ редактировать ]HJJ Winter « В книге Восточная наука» говорится, что индийский математик VII века Брахмагупта описывает то, что мы теперь знаем как закон синусов, в своем астрономическом трактате «Brāhmasphutasiddhānta» . [2] В своем частичном переводе этой работы Коулбрук переводит утверждение Брахмагупты о правиле синуса следующим образом: Произведение двух сторон треугольника, разделенное на двойной перпендикуляр, является центральной линией; и двойное значение этого диаметра составляет диаметр центральной линии. [3]
Согласно Убиратану Д'Амброзио и Хелейн Селин , сферический закон синусов был открыт в 10 веке. Его по-разному приписывают Абу-Махмуду Ходжанди , Абу аль-Вафе Бузджани , Насиру ад-Дину ат-Туси и Абу Насру Мансуру . [4]
Ибн Муада аль-Джайани « Книга Книга неизвестных дуг сферы XI века» содержит сферический закон синусов. [5] Плоский закон синусов был позже сформулирован в 13 веке Насир ад-Дином ат-Туси . В своей работе «О секторной фигуре » он сформулировал закон синусов для плоских и сферических треугольников и привел доказательства этого закона. [6]
По словам Глена Ван Браммлена , «Закон синусов на самом деле является основой для Региомонтануса его решений прямоугольных треугольников в Книге IV, а эти решения, в свою очередь, являются основой для его решений общих треугольников». [7] Региомонтан — немецкий математик XV века.
Доказательство
[ редактировать ]Если использовать сторону длины a треугольника в качестве основания, высоту можно вычислить как b sin γ или как c sin β . Приравнивание этих двух выражений дает выбрать сторону длины b или сторону длины c и подобные уравнения возникают, если в качестве основания треугольника .
Неоднозначный случай решения треугольника
[ редактировать ]При использовании закона синусов для нахождения стороны треугольника возникает неоднозначный случай, когда на основе предоставленных данных можно построить два отдельных треугольника (т. е. существует два различных возможных решения треугольника). В показанном ниже случае это треугольники ABC и ABC′ .
Учитывая общий треугольник, для того, чтобы случай был неоднозначным, должны быть выполнены следующие условия:
- Единственная известная информация о треугольнике — это угол α и стороны a и c .
- Угол α острый α (т. е. < 90°).
- Сторона a короче стороны c (т. е. a < c ).
- Сторона a длиннее высоты h под углом β , где h = c sin α (т. е. a > h ).
Если все вышеперечисленные условия верны, то каждый из углов β и β′ образует действительный треугольник, что означает, что оба следующих условия верны:
Отсюда мы можем найти соответствующие β и b или β’ и b’, если необходимо, где b — сторона, ограниченная вершинами A и C , а b’ ограничена A и C’ .
Примеры
[ редактировать ]Ниже приведены примеры решения задачи с использованием закона синусов.
Пример 1
[ редактировать ]Дано: сторона a = 20 , сторона c = 24 и угол γ = 40° . угол α Желателен .
Используя закон синусов, заключаем, что
Обратите внимание, что потенциальное решение α = 147,61° исключено, поскольку оно обязательно даст α + β + γ > 180° .
Пример 2
[ редактировать ]Если длины двух сторон треугольника a и b равны x , третья сторона имеет длину c , а углы, противоположные сторонам длин a , b и c, равны α , β и γ соответственно, то
Отношение к описанной окружности
[ редактировать ]В личности общее значение трех дробей на самом деле является диаметром треугольника описанной окружности . Этот результат восходит к Птолемею . [8] [9]
Доказательство
[ редактировать ]Как показано на рисунке, пусть имеется круг с вписанным и еще один вписанный который проходит через центр окружности O . имеет центральный угол и таким образом , по теореме Фалеса . С представляет собой прямоугольный треугольник, где - радиус описанной окружности треугольника. [9] Углы и лежат на одной окружности и стягивают одну и ту же хорду c ; таким образом, по теореме о вписанном угле , . Поэтому,
Изменение доходности
Повторение процесса создания с другими точками дает
Связь с площадью треугольника
[ редактировать ]Площадь треугольника определяется выражением , где — угол, заключенный между сторонами длин a и b . Подстановка синуса в это уравнение дает
принимая как описывающий радиус, [10]
Можно также показать, что из этого равенства следует где T — площадь треугольника, а s — полупериметр.
Второе равенство, приведенное выше, легко упрощается до формулы Герона для площади.
Правило синусов также можно использовать при выводе следующей формулы площади треугольника: обозначив полусумму синусов углов как , у нас есть [11]
где радиус описанной окружности: .
Сферический закон синусов
[ редактировать ]Сферический закон синусов касается треугольников на сфере, стороны которых представляют собой дуги больших кругов .
Предположим, что радиус сферы равен 1. Пусть a , b и c — длины больших дуг, которые являются сторонами треугольника. Поскольку это единичная сфера, a , b и c — это углы в центре сферы, опирающиеся на эти дуги, в радианах. Пусть A , B и C — углы, лежащие против соответствующих сторон. Это двугранные углы между плоскостями трех больших кругов.
Тогда сферический закон синусов гласит:
Векторное доказательство
[ редактировать ]Рассмотрим единичную сферу с тремя единичными векторами OA , OB и OC, проведенными из начала координат в вершины треугольника. Таким образом, углы α , β и γ являются углами a , b и c соответственно. Дуга BC образует угол величины a в центре. Введем декартов базис с ОА вдоль оси z и OB в плоскости xz , составляющим угол c с осью z . Вектор OC проецируется на ON в плоскости xy угол между ON и осью x равен A. , а Следовательно, три вектора имеют компоненты:
Скалярное тройное произведение OA ⋅ ( OB × OC ) представляет собой объём параллелепипеда , образованного векторами положения вершин сферического треугольника OA , OB и OC . Этот объем инвариантен к конкретной системе координат, используемой для представления OA , OB и OC . Значение скалярного тройного произведения OA ⋅ ( OB × OC ) — это определитель 3 × 3 со OA , OB и OC строками . При оси z вдоль OA квадрат этого определителя равен Повторение этого расчета по оси z вдоль OB дает (sin c sin a sin B ) 2 , а с осью z вдоль OC это (sin a sin b sin C ) 2 . Приравнивая эти выражения и разделяя их на (sin a sin b sin c ) 2 дает где V — объем параллелепипеда , образованного вектором положения вершин сферического треугольника. Соответственно, результат следующий.
Легко видеть, как для малых сферических треугольников, когда радиус сферы много больше сторон треугольника, эта формула в пределе становится плоской формулой, так как и то же самое для sin b и sin c .
Геометрическое доказательство
[ редактировать ]Рассмотрим единичную сферу с:
Построить точку и точка такой, что
Построить точку такой, что
Таким образом, можно видеть, что и
Обратите внимание, что это проекция в самолете . Поэтому
По базовой тригонометрии мы имеем:
Но
Объединив их, мы имеем:
Применяя аналогичные рассуждения, мы получаем сферический закон синуса:
Другие доказательства
[ редактировать ]Чисто алгебраическое доказательство можно построить на основе сферического закона косинусов . От личности и явное выражение для из сферического закона косинусов Поскольку правая часть инвариантна относительно циклической перестановки правило сферического синуса следует немедленно.
Фигура, использованная в приведенном выше геометрическом доказательстве, используется и также представлена в Banerjee. [12] (см. рисунок 3 в этой статье), чтобы вывести закон синуса с использованием элементарной линейной алгебры и матриц проекций.
Гиперболический случай
[ редактировать ]В гиперболической геометрии , когда кривизна равна −1, закон синусов принимает вид
В частном случае, когда B — прямой угол, получается
которая является аналогом формулы евклидовой геометрии, выражающей синус угла как противоположную сторону, разделенную на гипотенузу.
Случай поверхностей постоянной кривизны
[ редактировать ]Определите обобщенную синусоидальную функцию, зависящую также от вещественного параметра. :
Закон синусов постоянной кривизны читается как [1]
Подставив , , и , получаем соответственно евклидов, сферический и гиперболический случаи закона синусов, описанные выше.
Позволять укажите длину окружности радиуса в пространстве постоянной кривизны . Затем . Следовательно, закон синусов можно также выразить как:
Эту формулировку открыл Янош Бойяи . [13]
Высшие измерения
[ редактировать ]Тетраэдр имеет четыре треугольные грани . Абсолютное значение полярного синуса ( psin ) векторов нормалей к трем граням, которые имеют общую вершину тетраэдра, разделенное на площадь четвертой грани, не будет зависеть от выбора вершины: [14]
В более общем смысле, для n -мерного симплекса (т.е. треугольника ( n = 2 ), тетраэдра ( n = 3 ), пентатопа ( n = 4 ) и т. д.) в n -мерном евклидовом пространстве абсолютное значение полярного синуса векторов нормалей граней, которые встречаются в вершине, разделенных на гиперплощадь грани, противоположной вершине, не зависит от выбора вершины. Записывая V для гиперобъема n -мерного симплекса и P для произведения гиперплощадей его ( n - 1) -мерных граней, общее соотношение равно
См. также
[ редактировать ]- Герсонид – средневековый еврейский философ.
- Формула полустороны - для решения сферических треугольников.
- Закон косинусов
- Закон касательных
- Закон котангенсов
- Формула Молвейде - для проверки решений треугольников.
- Решение треугольников
- Геодезия
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Обобщенный закон синусов» . математический мир .
- ^ Зима, Генри Джеймс Жак (1952). Восточная наука . Джон Мюррей . п. 46.
- ^ Коулбрук, Генри Томас (1817). Алгебра с арифметикой и измерением с санскрита Брахмегупты и Бхаскары . Лондон: Джон Мюррей . стр. 299–300.
- ↑ Сезиано просто называет аль-Вафа соавтором. Сезиано, Жак (2000). «Исламская математика». В Селин, Хелейн; Д'Амброзио, Убиратан (ред.). Математика в разных культурах: история незападной математики . Спрингер . стр. 137–157. ISBN 1-4020-0260-2 .
- ^ О'Коннор, Джон Дж.; Робертсон, Эдмунд Ф. , «Абу Абдаллах Мухаммад ибн Муаз Аль-Джайани» , Архив истории математики MacTutor , Университет Сент-Эндрюс
- ^ Берггрен, Дж. Леннарт (2007). «Математика в средневековом исламе». Математика Египта, Месопотамии, Китая, Индии и ислама: справочник . Издательство Принстонского университета . п. 518. ИСБН 978-0-691-11485-9 .
- ^ Ван Браммелен, Глен (2009). Математика неба и земли: ранняя история тригонометрии . Издательство Принстонского университета . п. 259. ИСБН 0-691-12973-8 .
- ^ Коксетер, HSM и Грейтцер, SL « Возвращение к геометрии» . Вашингтон, округ Колумбия: Математика. доц. Амер., стр. 1–3, 1967 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Закон Синуса» . www.pballew.net . Проверено 18 сентября 2018 г.
- ^ Видео мистера Т. по математике (10 июня 2015 г.), Площадь треугольника и радиус описанной окружности , заархивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. , получено 18 сентября 2018 г.
- ^ Митчелл, Дуглас В., «Формула площади типа Цапли в терминах синусов», Mathematical Gazette 93, март 2009 г., 108–109.
- ^ Банерджи, Судипто (2004), «Возвращаясь к сферической тригонометрии с ортогональными проекторами» (PDF) , The College Mathematics Journal , 35 (5), Математическая ассоциация Америки: 375–381, doi : 10.1080/07468342.2004.11922099
- ^ Каток, Светлана (1992). Фуксовы группы . Чикаго: Издательство Чикагского университета. п. 22 . ISBN 0-226-42583-5 .
- ^ Эрикссон, Фольке (1978). «Закон синусов для тетраэдров и n-симплексов». Геометрии посвященные . 7 (1): 71–80. дои : 10.1007/bf00181352 .