- Решение треугольников
-
Решение треугольников (лат. solutio triangulorum) — исторический термин, означающий решение главной тригонометрической задачи: по известным данным о треугольнике (стороны, углы и т. д.) найти остальные его характеристики[1]. Треугольник может располагаться на плоскости или на сфере. Данная задача часто встречается в тригонометрических приложениях, например, в геодезии, астрономии, строительстве, навигации.
Содержание
Решение плоских треугольников
У треугольника общего вида имеется 6 основных характеристик: 3 линейные (длины сторон ) и 3 угловые (), см. рисунок. В классической задаче плоской тригонометрии заданы 3 из этих 6 характеристик, и нужно определить 3 остальные. Очевидно, если известны только 2 или 3 угла, однозначного решения не получится, так как любой треугольник, подобный данному, тоже будет решением, поэтому будем считать, что хотя бы одна из известных величин — линейная.
Алгоритм решения задачи зависит от того, какие именно характеристики треугольника считаются известными. Далее будем символически обозначать заданные величины С (сторона) и У (угол). Поскольку сочетание УУУ исключено из рассмотрения, остаются 5 различных вариантов[2]:
- Три стороны (ССС);
- Две стороны и угол между ними (СУС);
- Две стороны и угол не между ними (ССУ);
- Сторона и два прилежащих угла (УСУ);
- Сторона, противолежащий угол и один из прилежащих (УУС).
Основные теоремы
Стандартным методом решения задачи является использование нескольких фундаментальных соотношений, выполняющихся для всех плоских треугольников:
- Теорема косинусов
- Теорема синусов
- Сумма углов треугольника
- Теорема тангенсов (применяется редко)
Из других, иногда полезных на практике универсальных соотношений, следует упомянуть теорему котангенсов и формулы Мольвейде.
Замечания
- Для нахождения неизвестного угла надёжнее использовать теорему косинусов, а не синусов. Причина в том, что значение синуса угла при вершине треугольника не определяет однозначно самого угла — например, если то угол может быть как , так и (синусы этих углов совпадают). С косинусом такие проблемы не возникают, в интервале от до значение косинуса определяет угол однозначно.
- Далее всюду предполагается, что взаимное расположение заданных характеристик треугольника известно; если это не так, то зеркальное отражение построенного треугольника тоже будет решением задачи. Например, три стороны однозначно определяют треугольник с точностью до отражения.
Три стороны
Пусть заданы длины всех трёх сторон . Чтобы найти углы , воспользуемся теоремой косинусов[3]:
Третий угол сразу находится из правила, что сумма всех трёх углов должна быть равна 180°.
В некоторых источниках предлагается второй угол найти по теореме синусов, но, как указано в вышеприведенном замечании 1, при этом существует опасность спутать тупой угол с острым.
Ещё один метод вычисления углов по известным сторонам: использование теоремы котангенсов.
Две стороны и угол между ними
Пусть, для определённости, известны длины сторон и угол между ними. Для определения длины стороны вновь воспользуемся теоремой косинусов[4]:
Мы фактически свели задачу к предыдущему случаю. Далее воспользуемся теоремой косинусов для нахождения второго угла:
Третий угол .
Две стороны и угол не между ними
Этот случай самый сложный и неоднозначный. Пусть, например, известны две стороны и угол . Уравнение для угла найдём из теоремы синусов[5]:
Для краткости обозначим (правая часть уравнения). При решении уравнения возможны 4 случая[6].
- Если , такого треугольника не существует (сторона «не достаёт» до линии BC).
- Если , существует единственное решение, причём треугольник прямоугольный, .
- Если , то возможны 2 варианта.
- Если , то угол имеет два возможных значения: острый угол и тупой угол . На рисунке справа первому значению соответствуют точка , сторона и угол , а второму значению — точка , сторона и угол .
- Если , то (как известно, большей стороне треугольника соответствует больший противолежащий угол). Поскольку в треугольнике не может быть двух тупых углов, тупой угол для исключён, и решение единственно.
Третий угол находится как обычно: . Третью сторону можно найти по теореме синусов:
Сторона и прилежащие к ней углы
Пусть задана сторона и углы . Вначале находим третий угол . Далее обе неизвестные стороны находятся по теореме синусов[7]:
Сторона, прилежащий и противолежащий углы
Этот случай решается так же, как предыдущий: находим третий угол и применяем теорему синусов.
Решение сферических треугольников
Сферический треугольник общего вида полностью определяется тремя из шести своих характеристик (3 стороны и 3 угла). Отметим, что стороны сферического треугольника принято измерять не линейными единицами, а величиной опирающихся на них центральных углов.
Решение треугольников в неевклидовой сферической геометрии имеет ряд отличий от плоского случая. Например, сумма трёх углов зависит от треугольника; кроме того, на сфере не существует неравных подобных треугольников, и поэтому задача построения треугольника по трём углам имеет единственное решение. Но базовые соотношения, используемые для решения задачи, аналогичны плоскому случаю: теоремы косинусов (сферическая геометрия) и теорема синусов (сферическая геометрия).
Из других соотношений могут оказаться полезными формулы аналогии Непера и формула половины стороны.
Три стороны
Если заданы стороны (напомним, в угловых единицах), то углы треугольника определяются из теоремы косинусов:
- ,
- ,
- ,
Две стороны и угол между ними
Пусть заданы стороны и угол между ними. Сторону легко найти по теореме косинусов:
Углы можно найти так же, как в предыдущем варианте, можно также использовать формулы аналогии Непера:
- ,
Две стороны и угол не между ними
Пусть заданы стороны и угол . Чтобы решение существовало, необходимо выполнение условия:
Угол получается из теоремы синусов:
Здесь, аналогично плоскому случаю, при получаем два решения: и .
Остальные величины можно найти из формул аналогии Непера:
- ,
- .
Сторона и прилежащие углы
В этом варианте задана сторона и углы . Найдём угол по теореме косинусов:
- ,
Две неизвестные стороны получаем из формул аналогии Непера:
или, используя вычисленный угол , по теореме косинусов:
Два угла и сторона не между ними
Пусть заданы сторона и углы . Сторону найдём по теореме синусов:
- ,
Если угол для стороны острый и , существует второе решение:
Остальные величины определим из формул аналогии Непера:
- ,
- ,
Три угла
Если заданы три угла, стороны находятся по теореме косинусов:
- ,
- ,
- .
Решение прямоугольных сферических треугольников
Изложенные алгоритмы значительно упрощаются, если известно, что один из углов треугольника (скажем, угол ) прямой. Прямоугольный сферический треугольник полностью определяется двумя элементами, остальные три находятся при помощи мнемонического правила Непера или из нижеприведенных соотношений.
- (частный случай сферической теоремы синусов)
- (частный случай сферической теоремы косинусов)
- (тоже вытекает из сферической теоремы косинусов)
Вариации и обобщения
Во многих практически важных задачах вместо сторон треугольника задаются другие его характеристики — например, длина медианы, высоты, биссектрисы, радиус вписанного или описанного круга и т. д. Аналогично вместо углов при вершинах треугольника в задаче могут фигурировать иные углы. Алгоритмы решения подобных задач чаще всего комбинируется из рассмотренных выше теорем тригонометрии.
Примеры:
- Задача Региомонтана: построить треугольник, если известны одна его сторона, длина опущенной на неё высоты и противолежащий угол[8].
- Задача Снеллиуса-Потно́ (англ.)русск.
- Задача Томаса Финке: найти углы треугольника, если известна сумма двух углов и отношение противолежащих сторон [9].
- Задача Ньютона: решить треугольник, если известны одна его сторона, противолежащий угол и сумма двух других сторон.
Примеры практического применения
Триангуляция
Чтобы определить расстояние от берега до удалённого корабля, нужно отметить на берегу две точки, расстояние между которыми известно. Измерим углы и между линией, соединяющей эти точки, и направлением на корабль. Из формул варианта «сторона и прилежащие к ней углы» несложно найти длину высоты треугольника:
Этот метод используется в каботажном судоходстве. Углы при этом оцениваются наблюдениями с корабля известных ориентиров на земле.
Другой пример: требуется измерить высоту горы или высокого здания. Известны углы наблюдения вершины из двух точек, расположенных на расстоянии . Из формул того же варианта, что и выше, получаем:
Расстояние между двумя точками на земном шаре
Надо вычислить расстояние между двумя точками на земном шаре:
- Точка A: широта долгота
- Точка B: широта долгота
Рассмотрим сферический треугольник , где — северный полюс. Для него известны следующие величины:
Это случай «две стороны и угол между ними». Из приведенных там формул получаем:
- ,
Здесь — радиус Земли.
История
Зачатки тригонометрических знаний можно найти в математических рукописях древнего Египта, Вавилона и древнего Китая. Главным достижением этого периода стало соотношение, позже получившее имя теоремы Пифагора; Ван дер Варден считает, что вавилоняне открыли его между 2000 и 1786 годами до н. э.[10].
Общая постановка задачи решения треугольников (как плоских, так и сферических) появилась в древнегреческой геометрии[11]. Во второй книге «Начал» Евклида теорема 12 представляет собой словесный аналог теоремы косинусов[12]:
В тупоугольных треугольниках квадрат на стороне, стягивающей тупой угол, больше [суммы] квадратов на сторонах, содержащих тупой угол, на дважды взятый прямоугольник, заключённый между одной из сторон при тупом угле, на которую падает перпендикуляр, и отсекаемым этим перпендикуляром снаружи отрезком при тупом угле.
Следующая за ней теорема 13 — вариант теоремы косинусов для остроугольных треугольников. Аналога теоремы синусов у греков не было, это важнейшее открытие было сделано гораздо позднее[13].
Первые тригонометрические таблицы составил, вероятно, Гиппарх в середине II века до н. э. для астрономических расчётов. Позднее астроном II века Клавдий Птолемей в «Альмагесте» дополнил результаты Гиппарха. Тринадцать книг «Альмагеста» — самая значимая тригонометрическая работа всей античности. В частности, «Альмагест» содержит обширные пятизначные тригонометрические таблицы для острых и тупых углов, с шагом 30 угловых минут[1].
Параллельно с развитием тригонометрии плоскости греки, под влиянием астрономии, далеко продвинули сферическую тригонометрию[14]). Решающим этапом в развитии теории стала монография «Сферика» в трёх книгах, которую написал Менелай Александрийский (около 100 года н. э.). В первой книге он изложил теоремы о сферических треугольниках, аналогичные теоремам Евклида о плоских треугольниках (см. I книгу «Начал»). По сообщению Паппа, Менелай первым ввёл понятие сферического треугольника как фигуры, образованной отрезками больших кругов[15]. Несколько десятилетий спустя Клавдий Птолемей в своих трудах «География», «Аналемма» и «Планисферий» даёт подробное изложение тригонометрических приложений к картографии, астрономии и механике.
В IV веке, после гибели античной науки, центр развития математики переместился в Индию. Сочинения индийских математиков (сиддханты) показывают, что их авторы были хорошо знакомы с трудами греческих астрономов и геометров[16]. Чистой геометрией индийцы интересовались мало, но их вклад в прикладную астрономию и расчётные аспекты тригонометрии очень значителен. В частности, индийцы первыми ввели в использование косинус[17]. Важный вклад в развитие тригонометрии внес Брахмагупта (VII в.), открывший несколько тригонометрических соотношений, в том числе и те, которые в современной записи приняли вид[18]:
Кроме того, индийцы знали формулы для кратных углов , для . В «Сурья-сиддханте» и в трудах Брахмагупты при решении задач фактически используется сферический вариант теоремы синусов, однако общая формулировка этой теоремы в Индии так и не появилась[19]. В трудах другого выдающегося ученого, Бхаскары II (XII век), приводятся формулы для синуса и косинуса суммы и разности углов:
а также формула для малого приращения синуса:
(при ), соответствующая современному выражению для дифференциала синуса.
В VIII веке учёные стран Ближнего и Среднего Востока познакомились с трудами древнегреческих и индийских математиков и астрономов. Их астрономические трактаты, аналогичные индийским сиддхантам, назывались «зиджи»; типичный зидж представлял собой сборник астрономических и тригонометрических таблиц, снабжённый руководством по их использованию и (не всегда) изложением общей теории[20]. Сравнение зиджей периода VIII—XIII веков показывает быструю эволюцию тригонометрических знаний. Самые ранние из сохранившихся трудов принадлежат ал-Хорезми и ал-Марвази (IX век), которые рассмотрели, наряду с известными ещё индийцам синусом и косинусом, новые тригонометрические функции: тангенс, котангенс, секанс и косеканс[17].
Сабит ибн Курра (IX век) и ал-Баттани (X век) первыми открыли фундаментальную теорему синусов для частного случая прямоугольного сферического треугольника. Для произвольного сферического треугольника доказательство было найдено (разными способами и, вероятно, независимо друг от друга) Абу-л-Вафой, ал-Худжанди и ибн Ираком в конце X века[13]. В другом трактате ибн Ирака сформулирована и доказана теорема синусов для плоского треугольника[21]. Сферическая теорема косинусов в общем виде сформулирована в странах ислама не была, однако в трудах Сабита ибн Курры, ал-Баттани и других астрономов имеются эквивалентные ей утверждения[22].
Фундаментальное изложение тригонометрии как самостоятельной науки (как плоской, так и сферической) дал персидский математик и астроном Насир ад-Дин ат-Туси в 1260 году[23]. Его «Трактат о полном четырёхстороннике» содержит практические способы решения типичных задач, в том числе труднейших, решенных самим ат-Туси — например, построение сторон сферического треугольника по заданным трём углам[24]. Таким образом, к концу XIII века были открыты базовые теоремы, необходимые для эффективного решения треугольников.
В Европе развитие тригонометрической теории стало чрезвычайно важным в Новое время, в первую очередь для артиллерии, оптики и навигации при дальних морских путешествиях. В 1551 году появились 15-значные тригонометрические таблицы Ретика, ученика Коперника, с шагом 10"[25]. Потребность в сложных тригонометрических расчётах вызвала в начале XVII века открытие логарифмов, причём первые логарифмические таблицы Джона Непера содержали только логарифмы тригонометрических функций. Среди других открытий Непера — эффективный алгоритм решения сферических треугольников, получивший название «формулы аналогии Непера»[26]. Алгебраизация тригонометрии, начатая Франсуа Виетом, была завершена Леонардом Эйлером в XVIII веке, после чего алгоритмы решения треугольников приобрели современный вид.
См. также
- История тригонометрии
- Сферическая тригонометрия
- Сферический треугольник
- Триангуляция
- Тригонометрические тождества
- Тригонометрические функции
- Формулы Мольвейде
Литература
- Теория и алгоритмы
- Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике. — М.: Наука, 1978.
- Основные понятия сферической геометрии и тригонометрии // Энциклопедия элементарной математики (в 5 томах). — М.: Физматгиз, 1963. — Т. 4. — С. 518-557. — 568 с.
- Степанов Н. Н. Сферическая тригонометрия. — М.—Л.: ОГИЗ, 1948.
- История
- Глейзер Г. И. История математики в школе. VII-VIII классы. Пособие для учителей. — М.: Просвещение, 1982. — С. 76-95. — 240 с.
- Глейзер Г. И. История математики в школе. IX-X классы. Пособие для учителей. — М.: Просвещение, 1983. — 352 с.
- История математики под редакцией А. П. Юшкевича в трёх томах, М.: Наука.
- История математики. С древнейших времен до начала Нового времени // История математики / Под редакцией А. П. Юшкевича, в трёх томах. — М.: Наука, 1970. — Т. I.
- Математика XVII столетия // История математики / Под редакцией А. П. Юшкевича, в трёх томах. — М.: Наука, 1970. — Т. II.
- Математика XVIII столетия // История математики / Под редакцией А. П. Юшкевича, в трёх томах. — М.: Наука, 1972. — Т. III.
- Матвиевская Г. П. Очерки истории тригонометрии: Древняя Греция. Средневековый Восток. Позднее Средневековье. — Изд. 2-е. — М.: Либроком, 2012. — 160 с. — (Физико-математическое наследие: математика (история математики)). — ISBN 978-5-397-02777-9
- Рыбников К. А. История математики в двух томах. — М.: Изд. МГУ, 1960. — Т. I.
- Сираждинов С. Х., Матвиевская Г. П. Абу Райхан Беруни и его математические труды. Пособие для учащихся. — М.: Просвещение, 1978. — 95 с. — (Люди науки).
- Цейтен Г. Г. История математики в древности и в средние века. — М.-Л.: ГТТИ, 1932. — 230 с.
- Цейтен Г. Г. История математики в XVI и XVII веках. — М.-Л.: ОНТИ, 1938. — 456 с.
Ссылки
- Онлайн-триангулятор. (англ.) Укажите известные величины, а программа вычислит оставшиеся и начертит треугольник.
Примечания
- ↑ 1 2 Выгодский М. Я., 1978, с. 266-268.
- ↑ Solving Triangles. Maths is Fun. Проверено 23 июля 2012.
- ↑ Solving SSS Triangles. Maths is Fun. Архивировано из первоисточника 30 сентября 2012. Проверено 23 июля 2012.
- ↑ Solving SAS Triangles. Maths is Fun. Архивировано из первоисточника 30 сентября 2012. Проверено 24 июля 2012.
- ↑ Solving SSA Triangles. Maths is Fun. Архивировано из первоисточника 30 сентября 2012. Проверено 24 Jule 2012).
- ↑ Выгодский М. Я., 1978, с. 294.
- ↑ Solving ASA Triangles. Maths is Fun. Архивировано из первоисточника 30 сентября 2012. Проверено 24 июля 2012.
- ↑ Цейтен Г. Г., 1932, с. 223-224.
- ↑ Цейтен Г. Г., 1938, с. 126-127.
- ↑ van der Waerden, Bartel Leendert. Geometry and Algebra in Ancient Civilizations. — Springer, 1983. — ISBN 3-540-12159-5
- ↑ Глейзер Г. И., 1982, с. 77.
- ↑ Глейзер Г. И., 1982, с. 94-95.
- ↑ 1 2 Матвиевская Г. П., 2012, с. 92-96.
- ↑ Матвиевская Г. П., 2012, с. 25-27.
- ↑ Матвиевская Г. П., 2012, с. 33-36.
- ↑ Матвиевская Г. П., 2012, с. 40-44.
- ↑ 1 2 Сираждинов С. Х., Матвиевская Г. П., 1978, с. 79.
- ↑ История математики, том I, 1970, с. 199-201.
- ↑ История математики в Средние века, 1961, с. 160.
- ↑ Матвиевская Г. П., 2012, с. 51-55.
- ↑ Матвиевская Г. П., 2012, с. 111.
- ↑ Матвиевская Г. П., 2012, с. 96-98.
- ↑ Туси Насирэддин. Трактат о полном четырёхстороннике. Баку, Изд. АН АзССР, 1952.
- ↑ Рыбников К. А., 1960, с. 105.
- ↑ История математики, том I, 1970, с. 320.
- ↑ Степанов Н. Н. §42. Формулы «аналогии Непера» // Сферическая тригонометрия. — М.—Л.: ОГИЗ, 1948. — С. 87-90. — 154 с.
Сферическая тригонометрия Основные понятия Сферический треугольник · Полярный треугольник · Эксцесс · Двуугольник Формулы и соотношения Теоремы косинусов · Теорема синусов · Формула пяти элементов · Формула половины стороны · Мнемоническое правило Непера · Сферическая теорема Пифагора · Формулы Деламбра · Формулы аналогии Непера · Теорема Лежандра · Решение треугольников Связанные темы Сферическая система координат · Сферическая геометрия · Трёхгранный угол Категории:- История математики
- Тригонометрия
- Геометрия треугольника
Wikimedia Foundation. 2010.