Тема 4. Метрические соотношения в треугольнике В этой теме Вы узнаете теорему косинусов, теорему синусов для треугольника и новую формулу для вычисления площади треугольника. Будет показано, как находить неизвестные углы и стороны треугольника по его известным сторонам и углам. §3. Решение треугольников 3.1. Основными элементами треугольника называются его стороны a , b , c и противолежащие им углы , , . К неосновным элементам причисляются: высоты, биссектрисы, медианы, радиусы вписанной и описанной окружностей, периметр и так далее. Основные задачи на решение треугольников состоят в нахождении по некоторым известным основным элементам треугольника его остальных основных элементов. Выделяют четыре основных случая, которые по очереди разберем. Случай 1. Даны три стороны a , b и c . Косинус угла можно найти из теоремы косинусов: b2 c 2 a 2 cos 2bc Аналогично можно вычислить косинус угла и косинус угла . Задача имеет решение, если большая из сторон меньше суммы двух других. Единственность решения следует из третьего признака равенства треугольников. Пример 1. Пусть a 6 см, b 7 см, c 8 см. Найдите sin . Решение. Запишем теорему косинусов для квадрата стороны, лежащей против угла : a 2 b 2 c 2 2bc cos Подставляя известные значения, получим 62 72 82 2 7 8 cos откуда 49 64 36 77 11 cos 2 7 8 2 7 8 16 Поэтому (16 11)(16 11) 3 15 11 sin 1 16 16 16 3.2. Разберем второй случай решения треугольников. Случай 2. Даны две стороны a , b и угол между ними . Сторону c можно найти по теореме косинусов: c 2 a 2 b2 2ab cos После этого косинус угла находится, как указано в предыдущем пункте: b2 c 2 a 2 cos 2bc Наконец, можно записать 180 , и тем самым угол становится известным. Таким образом, во втором случае задача всегда имеет решение, и притом только одно. Пример 2. Пусть a 3 см, b 4 3 см и 150 . Найдите tg . Решение. По теореме косинусов 2 c 2 a 2 b2 2ab cos 9 48 2 3 4 3 3 2 9 48 36 93 , откуда c 93 (см). Далее, b2 a 2 c 2 2ac cos , 48 9 93 2 3 93 cos 54 9 cos 2 3 93 93 sin 1 tg 2 3 9 81 12 2 3 93 93 93 3.3. Разберем третий случай решения треугольников. Случай 3. Даны сторона a и два угла и . Тогда 180 . Следовательно, sin sin( ) cos cos( ) Запишем теорему синусов: a b c sin sin sin Отсюда a sin a sin b sin sin( ) a sin a sin c sin sin( ) Таким образом, если в этом случае 180 , то задача имеет единственное решение. Пример. Пусть a 6 см, 30 , 75 . Найдем сторону b . Решение. 180 75 . Следовательно, треугольник равнобедренный, а поэтому c 6 см. После этого, как в случае 2, находим 3 b2 a 2 a 2 2a 2 cos 2a 2 (1 cos ) 2 36 1 2 откуда b 6 2 3 (см). 3.4.** Разберем четвертый случай решения треугольников. Случай 4. Даны две стороны и угол, лежащий против одной из них, например, даны стороны a , b и угол . Из теоремы синусов можем записать равенство a sin sin (1) b Стоящее в правой части этого равенства выражение ba sin может принимать различные значения в зависимости от заданных величин a , b и . При этом возможны три следующих случая. I. ba sin 1 , то есть sin ba . Тогда равенство (1) невозможно ни при каком значении угла , а поэтому треугольника с такими основными элементами не существует. Геометрически условие sin ba означает, что если построить AC b и с центром в точке C и радиусом a провести окружность, то луч, проведенный из точки A под углом к лучу AC , не пересекается с построенной окружностью (рисунок 1). II. ba sin 1 , то есть sin ba . Тогда равенство (1) возможно лишь при 90 , а поэтому существует только прямоугольный треугольник с такими основными элементами, откуда сторона c вычисляется единственным образом. Геометрически условие sin ba соответствует рисунку 2. III. ba sin 1 , то есть sin ba . Тогда равенство (1) возможно в двух случаях: угол острый и угол тупой. При 180 мы можем найти угол 180 ( ) и sin вычислить sin sin( ) , а затем из теоремы синусов найти c asin . В третьем случае задача может не иметь решения (например, при a b и a 120 ), иметь одно решение (например, при a b и 90 ) и иметь два решения (рисунок 3). 3.5. Задачи решения треугольников возникают при измерениях на местности. При этом предполагается, что имеются инструменты, позволяющие с достаточной точностью измерять расстояние и углы. В этом пункте разберем наиболее часто встречающийся случай. Разберем как можно вычислить расстояние от доступной точки A до некоторой недоступной точки B . Для вычисления расстояния AB выбирают вторую доступную точку C , из которой видны точки A и B . Измеряют расстояние AC и углы CAB и ACB (рисунок 4). Решая треугольник ABC по стороне AC и двум углам и , находят сторону AB . 3.6.* Разберем, как можно вычислить расстояние между двумя недоступными точками A и B. Для этого выбирают две доступные точки C и D , из которых видны A и B . Измеряют расстояние CD и углы ADC , BDC , ACD , BCD (рисунок 5). Решая треугольник ACD по стороне CD и углам , и треугольник BCD (по стороне CD и углам , ), находят стороны AC и BC . Решая треугольник ABC по двум сторонам AC и BC и углу между ними , находят расстояние AB . 3.7.** Разберем, как можно на местности вычислить расстояние между двумя далекими точками A и B . Вычисление ведут способом триангуляции, который состоит в следующем. Соединяют точки A и B сетью треугольников AA1 A2 , A1 A2 A3 , A2 A3 A4 , A3 A4 A5 , A4 A5 B (рисунок 6), а, возможно и большим числом треугольников. Вершины треугольников выбирают так, чтобы из каждой вершины треугольника были видны две другие его вершины, а первый треугольник AA1 A2 выбирают так, чтобы сторона AA1 была доступна непосредственному измерению. Измерив сторону AA1 и углы AA1 A2 и A1 AA2 , находят, как в примере из пункта 4.5, стороны AA2 и A1 A2 у треугольника AA1 A2 . Затем, зная сторону A1 A2 следующего треугольника A1 A2 A3 и измерив его углы при вершинах A1 и A2 , вычисляют другие его стороны и так далее. Найдя все стороны сети треугольников AA1 A2 , A1 A2 A3 ,..., A4 A5 B , переходят к рассмотрению сети вспомогательных треугольников AA2 A3 , AA3 A4 , AA4 A5 , AA5 B . В треугольнике AA2 A3 по найденным сторонам AA2 и A2 A3 и углу AA2 A3 , который равен сумме AA2 A1 A1 A2 A3 , находят сторону AA3 и угол AA3 A2 . Аналогично, в треугольнике AA3 A4 по сторонам AA3 , A3 A4 и углу AA3 A4 , который равен сумме AA3 A2 A2 A3 A4 , находят сторону AA4 и угол AA4 A3 и так далее. Решая таким образом один за другим вспомогательные треугольники, находят, наконец, сторону AB последнего из этих треугольников (на рисунке 6 – треугольника AA5 B ). Задачи и упражнения 1. Решите треугольник, если даны: а) a 20 , 75 , 60 ; б) a 7 , b 23 , 130 ; в) a 27 , b 9 , 138 ; г) a 7 ; b 2 , c 8 . 2.* Выразите площадь параллелограмма через его стороны m , n и острый угол между его диагоналями. 3. В треугольнике ABC проведены биссектрисы BD и AE . Найдите отношение площадей треугольников ABC и BDE , если AB 5 , BC 8 , AC 13 . 4. Треугольный участок земли ABC был обмерен так называемым полярным способом. Из точки O , выбранной внутри участка, были измерены расстояния OA , OB , OC и углы AOB , BOC . Найдите длину изгороди для ограждения участка при OA 28 м, OB 43 м, OC 50 м, AOB 152 , BOC 94 . 5.* Найдите неизвестные стороны четырехугольника ABCD , если известно, что: а) AB 3 , BC 4 , CD 5 , ABC 110 , BCD 130 ; б) AB 5 , CD 6 , BAC 40 , ABD 50 , ACD 60 . 6. В окружность радиуса R вписана трапеция. Одно основание совпадает с диаметром окружности, а другое стягивает дугу с центральным углом в 120 . Найдите площадь трапеции. §4. Скалярное произведение векторов 4.1. В восьмом классе мы начали изучение векторов на плоскости. Напомним, что с помощью прямоугольной системы координат по простым правилам определяются операции сложения векторов и умножения вектора на число. А именно, если a ( x1; y1 ), b ( x2 ; y2 ) и t - действительное число, то a b ( x1 x2 ; y1 y2 ); ta (tx1; ty1 ). Геометрический смысл этих операций удается использовать при решении некоторых задач планиметрии. 4.2. Для более широкого применения векторов помимо сложения векторов и умножения вектора на число вводится новая операция - скалярное произведение векторов}. Определим эту операцию через координаты векторов в прямоугольной системе координат. Скалярным произведением двух векторов a ( x1; y1 ), и b ( x2 ; y2 ) называется число, равное x1 x2 y1 y2 . Скалярное произведение векторов a и b обозначается a b . Таким образом, если a (m; n), , b ( p; q), то a b mp nq . Пример 1. Пусть в прямоугольной системе координат с началом O точки и N имеют координаты M(-2;3), N(2;1) (рисунок 1). Тогда OM (2;3), ON (2;1) и OM ON (2) 2 3 1 1. Обратим внимание на следующее отличие скалярного произведения векторов от суммы векторов. А именно, если сумма векторов есть также вектор, то скалярное произведение векторов - это не вектор, а число. Поэтому при действиях с векторами следует четко различать, где появляются векторы, а где - числа. 4.3. Скалярное произведение векторов имеет следующие основные свойства. 1. a b b a ; 2. (ta ) b t (a b ) ; 3. a (b c ) a b a c . Эти свойства нетрудно доказать. Например, докажем третье свойство. Пусть a (m; n), b ( x1; y1 ) , c ( x2 ; y2 ) . Тогда b c ( x1 x2 ; y1 y2 ) и a (b c ) m( x1 x2 ) n( y1 y2 ). С другой стороны, a b mx1 ny1 , a c mx2 ny2 , откуда a b a c (mx1 ny1 ) (mx2 ny2 ) m( x1 x2 ) n( y1 y2 ). Таким образом, равенство a (b c ) a b a c доказано. 4.4. Основные свойства скалярного произведения позволяют преобразования, частично похожие на действия с числами. Пример 2. Докажем, что (a b ) (a b ) a a 2((a b ) b b ). производить Доказательство. Разность a b можно представить в виде a (1) b . Поэтому (a b ) (a b ) (a (1) b ) (a (1) b ). Далее имеем (a (1) b ) (a (1) b ) (по третьему свойству) (a (1) b ) a (a (1) b ) ((1) b ) (по первому свойству) a (a (1) b ) ((1) b ) (a (1) b ) (по второму свойству) a (a (1) b ) b (a (1) b ) (по третьему свойству) a a a ((1) b ) b a (b ((1) b ) (по второму и первому свойствам) a a (a b ) (a b ) b b a a 2(a b ) b b . 4.5. Скалярное произведение векторов имеет большое значение благодаря своим геометрическим свойствам. Сначала рассмотрим свойства скалярного произведения векторов, связанных с одной точкой. В этом пункте рассмотрим скалярное произведение вектора на себя. Пусть a AB , где A(m;n), B(p;q). Тогда вектор a имеет координаты (p-m;q-n). Отсюда по определению скалярного произведения a a ( p m) ( p m) (q n) (q n) ( p m) 2 (q n) 2 . Вспомним, что длина вектора a , равная длине отрезка AB, вычисляется по формуле | a | ( p m) 2 (q n) 2 Возведя обе части этого равенства в квадрат, получаем | a | ( p m)2 (q n)2 a a, откуда a a | a |2 . Таким образом, скалярное произведение a a - это число, равное квадрату длины вектора a . Иногда скалярное произведение a a для краткости обозначают как a 2 . Это позволяет, например, записать равенство a a a 2 | a |2 . Пример 3. В координатной плоскости треугольник ABC имеет вершины A(-3;-2), B(6;1), C(-2;5). Точка D расположена на стороне BC, причем BD:DC=1:3. Найти длину отрезка AD. 1 1 Решение. Из условия следует, что BD BC . Поэтому BD BC . Отсюда 4 4 1 AD AB BD AB BC . Зная координаты точек A, B, C можно вычислить координаты 4 вектора AD , а затем с помощью скалярного произведения и длину вектора AD : AB (6;1) (3; 2) (9;3), BC (2;5) (6;1) (8; 4), 1 1 AD AB BC (9;3) (8; 4) (9;3) (2;1) (7; 4), 4 4 2 AD 7 2 42 65. 2 Так как AB | AD |2 , то | AD |2 65 . Ответ: | AD |2 65 . 4.6. Прежде чем установить геометрический смысл скалярного произведения введем понятие угла между ненулевыми векторами, связанными с одной точкой. Углом между ненулевыми векторами AB и AC называется угол между лучами AB и AC.} В частности, когда векторы AB и AC сонаправлены, точки B и C лежат на одном луче с началом A. Поэтому угол между такими векторами имеет величину 0 . В случае, когда векторы AB и AC противоположно направлены, лучи AB и AC образуют развернутый угол. Величина угла между такими векторами равна 180 . В остальных случаях величина угла между двумя ненулевыми векторами принимает значение из промежутка (0 ;180 ) . 4.7. Пусть точки A, B, C не лежат на одной прямой. Рассмотрим треугольник ABC (рисунок 3) и по теореме косинусов запишем равенство BC 2 AB 2 AC 2 2 AB AC cos BAC. (1) После этого рассмотрим векторы a AB , b AC и c b a. Тогда AB | AB || a | , AC | AC || b | , BC | BC || b a | . Поэтому равенство (1) можно записать в виде | b a |2 | a |2 | b |2 2 | a | | b | cos , (2) где BAC есть угол между векторами a и b . Так как | b a |2 (b a ) 2 то используя равенство из пункта 1.4. получаем | b a |2 (b a ) 2 b 2 2b a a 2 a 2 b 2 2a b | a |2 | b |2 2a b . (3) Из равенств (2) и (3) следует | a |2 | b |2 2 | a | | b | cos | a |2 | b |2 2a b , откуда 2 | a | | b | cos 2a b , или a b | a | | b | cos . Таким образом, мы доказали, что когда a AB , b AC неколлинеарны, скалярное произведение векторов a и b равно произведению длин этих векторов на косинус угла между ними. Пусть теперь ненулевые векторы a AB , b AC коллинеарны, то есть b ta , где t соответствующее число. При t>0 векторы a и b сонаправлены, величина угла между ними равна 0 и a b a (ta ) t (a a ) t | a |2 | a | (t | a |) | a | | b || a | | b | cos 0 . При t<0 векторы a и b противоположно направлены, величина угла между ними равна 180 и a b a (ta ) t (a a ) t | a |2 (1) | a | (t | a |) (1) | a | | b || a | | b | cos180. В результате рассмотрены все возможные случаи и доказана следующая теорема. Скалярное произведение двух ненулевых векторов равно произведению длин этих векторов на косинус угла между ними. Пример 4. В координатной плоскости треугольник ABC имеет вершины A(-3;4), B(2;1), C(1;-4) (рисунок 5). Найти косинус угла ABC. Решение. Обозначим a BA (3; 4) (2;1) (5;3), b BC (3; 4) (2;1) (1; 5), ABC - угол между векторами a и b . Тогда | a |2 a 2 (5) 2 32 34, |a | 34, | b |2 b 2 (1) 2 (5) 2 26, |b | 26, a b (5) (1) 3 (5) 10. Так как a b | a | | b | cos , то 10 34 26 , откуда 10 5 5 cos . 34 26 17 13 221 5 Ответ: cos . 221 4.8.* Равные векторы имеют равные координаты. Это свойство позволяет определить скалярное произведение двух векторов, связанных с различными точками. Скалярным произведением векторов a AB и b CD называется скалярное произведение равных им векторов, связанных с одной точкой. Для того, чтобы придать скалярному произведению геометрический смысл, определяют величину угла между произвольными ненулевыми векторами. Величиной угла между двумя ненулевыми векторами a AB и b CD называется величина угла между равными им векторами, связанными с одной точкой. Иногда величину угла между векторами a и b будем обозначать через (a , b ) . Из независимости скалярного произведения от выбора начала для векторов, равных заданным, вытекает и независимость величины угла от выбора начала. Пример 5. В координатной плоскости треугольник ABC имеет вершины A(2;4), B(4;2), C(-6;0). Найти косинус угла между медианами BK и CL треугольника ABC (рисунок 6). 26 40 ; Решение. Точка K - середина отрезка AC. Поэтому K имеет координаты 2 2 или (-2;2). Отсюда m BK (2; 2) (4; 2) (6; 4). 24 42 ; Аналогично, середина L отрезка AB имеет координаты или (3;1), откуда 2 2 n CL (3;1) (6;0) (9;1). Далее находим: m 2 (6) 2 42 52, | m | 52, n 2 92 12 82, | n | 82, . m n (6) 9 4 1 50. Пусть - величина угла между векторами m и n . Тогда m n | m | | n | cos откуда mn 50 25 cos . | m|| n | 52 82 26 41 Так как cos 0 , то угол между векторами m и n - тупой, а поэтому дополняет до 180 угол между прямыми BK и CL, то есть 180 .Отсюда 180 и 25 25 . cos cos(180 ) cos 26 41 1066 25 Ответ: cos . 1066 4.9. В геометрии важную роль играет понятие перпендикулярности. В связи с этим большое значение имеет связь между перпендикулярностью двух векторов и их скалярным произведением. Два ненулевых вектора перпендикулярны тогда и только тогда, когда их скалярное произведение равно нулю. Доказательство. Пусть a 0 , b 0 и — величина угла между векторами a и b . Тогда a 0 , b 0 и a b a b cos . Отсюда следует, что если 90 , то a b 0 , а если a b 0 , то cos 0 , а поэтому 90 . Тем самым данное свойство доказано. Пример 6. В квадрате ABCD точка M — середина стороны AB , точка K лежит на диагонали AC и AK 34 AC . Доказать, что угол MKD прямой. Решение. Обозначим через a длину стороны квадрата. Введем прямоугольную систему координат с началом A , направив ось Ox вдоль AD , ось Oy вдоль AB . Тогда A(0 0) , B(0 a) , C (a a) , D ( a 0) . Так как AM 12 AB , то M 0 a2 ; так как AK 34 AC , то K 34 a 34 a . Следовательно, a a 3 3 3 KM 0 a a a 4 2 4 4 4 3 3 a 3 KD (a 0) a a a 4 4 4 4 Поэтому KM KD 34 a a4 a4 34 a 0 . Так как скалярное произведение векторов KM и KD равно нулю, то эти векторы перпендикулярны, а значит MKD 90 . Задачи и упражнения 1. На координатной плоскости заданы точки A и B и точка C лежит на отрезке AB . Найдите координаты точки C , если: а) A(3 5) , B (6 2) и AC CB 3 2 ; б) A(1 7) , B (3 1) и AC AB 3 7 ; в) A(52) , B(14) и BC AC 1 5 ; г) A(4 2) , B(28) и AC CB 5 7 . 2. На координатной плоскости заданы точки A , B и C . Найдите координаты точки пересечения медиан треугольника ABC , если: а) A(5 2) , B ( 1 3) , C (2 7) ; б) A(41) , B(33) , C (11 5) . 3. * На координатной плоскости заданы точки A( 21) , B (4 4) , C (1 3) . Точка N — середина отрезка AC , точка M на отрезке AB расположена так, что AM MB 2 1. Найдите координаты точки пересечения отрезков CM и BN . 4.* На координатной плоскости заданы точки A(1 2) , B (1 4) , C (31) . Точка M на продолжении отрезка AB и N на продолжении отрезка BC расположены так, что BM AB , CN 12 BC . Найдите координаты точки пересечения прямых AC и MN . 5. Вычислите скалярное произведение векторов a и b : а) a ( 34 12 ) , b ( 23 3) ; б) a ( 3 1 2 3) , b ( 3 1 2 3) ; в) a (2 2 3 5 3 2) , b (5 3 2 2 2 3) ; г) a (1 3 2 3 4 1 3 3) , b ( 3 2 11 3 3 3 9) . 6. * Докажите, что: а) (a b ) (a b ) a 2 b 2 ; б) a b 14 (a b )2 (a b )2 ; (a b c ) 2 a 2 b 2 c 2 2a b 2a c 2b c . A(1 2) , B (5 4) , C (32) . Найдите 7. Вершины треугольника имеют координаты длины медиан треугольника. 8. Вершины треугольника ABC имеют координаты A(5 3) , B (1 2) , C (7 8) . Найдите расстояния от вершин треугольника до его точки пересечения медиан. 9. Вершины треугольника ABC имеют координаты A(1 2) , B (4 3) , C (2 6) . Точки M и N на стороне BC расположены так, что BM MN NC . Найдите AM и AN . 10. ** Вершины треугольника ABC имеют координаты A(31) , B (52) , C (2 8) . На сторонах AB , BC и AC выбраны соответственно точки M , N и K так, что AM MB BN NC CK KA 1 2 Отрезки AN и BK пересекаются в точке P , отрезки BK и CM — в точке Q , отрезки CM и AN — в точке R . Найдите стороны треугольника PQR . 11. В треугольнике ABC найдите косинус угла ACB , если: а) A(2 3) , B(31) , C (1 5) ; б) A(3 3) , B(51) , C (21) ; в) A(11) , B(81) , C (4 2) ; г) A(31) , B(11) , C (5 2) . 12. Вершины треугольника ABC имеют координаты A( 1 5) , B (11) , C (5 3) . Найдите косинусы углов между медианой AM и сторонами AB и AC . 13. Вершины треугольника ABC имеют координаты A( 21) , B ( 1 5) , C (33) . Точки M и N на стороне BC расположены так, что BM CN 14 BC . Найдите косинус угла MAN . 14. * Вершины треугольника ABC имеют координаты A(2 6) , B(8 4) , C (42) . Найдите косинус угла между медианой AM и стороной BC . 15.** Известно, что a 3 , b 4 и угол между векторами a и b равен 120 . Найдите угол между векторами m 3a 2b и n a 2b . 16. ** Внутри прямоугольника ABCD со сторонами AB 2 3 , BC 1 точка M выбрана так, что треугольник AMD равносторонний. Найдите косинус угла AMB . 17.** Внутри квадрата ABCD точка P bap‘m‘ так, что AP BP CP 1 2 3 . Докажите что APB 135 . 18. Известно, что векторы a , b неколлинеарны и a b . Докажите, что векторы m a b и n a b перпендикулярны. 19.* Известно, что векторы m (1 x) и n (4 y ) имеют равную длину и перпендикулярны. Найдите значения x и y . 20.* В квадрате ABCD со стороной a на сторонах AB , BC , CD , AD выбраны соответственно точки M , N , K , L так, что AM CK BN DL 12 a . Докажите, что отрезки MK и NL перпендикулярны. 21.* Из точки A к прямой BC проводится перпендикуляр AH . Найдите координаты основания H перпендикуляра, если: а) A(2 3) , B(12) , C (1 4) ; б) A(41) , B(31) , C (5 5) ; в) A(2 4) , B(15) , C (11) ; г) A(41) , B(42) , C (03) .