MathLabs

Lớp 10

Hệ thức lượng trong tam giác

Định lý sin và định lý cosin, liên kết độ dài các cạnh với các góc của tam giác.

Trực giácTrực giác hình ảnh

Một tam giác có sáu số đo — ba cạnh và ba góc — nhưng chúng không độc lập với nhau: biết một số trong đó sẽ xác định toàn bộ phần còn lại. Nếu biết hai cạnh và góc xen giữa, định lý cosin cho ngay cạnh thứ ba, tổng quát hóa định lý Pythagoras cho cả những tam giác không vuông. Nếu thay vào đó biết một cạnh và góc đối diện nó, định lý sin cho phép mở rộng quan hệ đó sang mọi cặp cạnh-góc khác, thậm chí còn cho biết bán kính đường tròn đi qua cả ba đỉnh.

Đường tròn đơn vị tương tác với góc theta có thể điều chỉnh, dùng để dựng vị trí đỉnh đằng sau định lý cosin.
Tam giác nội tiếp đường tròn ngoại tiếp bán kính R=aR = a: theo định lý sin, mỗi cạnh bằng 2Rsin⁡2R\sin của góc đối diện.

Phổ thôngPhát biểu chính xác

Định nghĩa: Ký hiệu cạnh, góc và các đường tròn của tam giác

Trong tam giác ABCABC, cạnh a=BCa = BC đối diện đỉnh AA, cạnh b=CAb = CA đối diện đỉnh BB, và cạnh c=ABc = AB đối diện đỉnh CC. Gọi RR là bán kính đường tròn ngoại tiếp (đi qua cả ba đỉnh), rr là bán kính đường tròn nội tiếp (tiếp xúc cả ba cạnh), và p=a+b+c2p = \frac{a+b+c}{2} là nửa chu vi.

c2=a2+b2−2abcos⁡Cc^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos C

Đây là định lý cosin: c2=a2+b2−2abcos⁡Cc^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos C. Ở đây CC là góc tại đỉnh CC, đối diện cạnh cc. Khi C=90°C = 90°, cos⁡C=0\cos C = 0 và công thức thu về đúng định lý Pythagoras c2=a2+b2c^2 = a^2+b^2 — định lý cosin là một tổng quát hóa đúng cho mọi góc, không chỉ góc vuông.

asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C=2R\frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C} = 2R

Đây là định lý sin: asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C=2R\frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C} = 2R. Nó nói rằng tỉ số giữa một cạnh và sin của góc đối diện là như nhau cho cả ba cạnh, và giá trị chung đó chính bằng đường kính 2R2R của đường tròn ngoại tiếp — một con số duy nhất nắm bắt tỉ lệ tổng thể của tam giác.

Bốn cách tính diện tích tam giác
Công thứcCần biết
S=12absin⁡CS = \frac{1}{2}ab\sin CHai cạnh và góc xen giữa
S=abc4RS = \frac{abc}{4R}Cả ba cạnh và bán kính ngoại tiếp RR
S=prS = prNửa chu vi pp và bán kính nội tiếp rr
S=p(p−a)(p−b)(p−c)S = \sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}Chỉ cần cả ba cạnh (công thức Heron)

Đại họcĐịnh lý và chứng minh

Định lý: Định lý cosin

Trong mọi tam giác ABCABC với các cạnh a,b,ca,b,c đối diện A,B,CA,B,C, ta có c2=a2+b2−2abcos⁡Cc^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos C.

Vì sao đúng?

Đặt tam giác trong hệ tọa độ với góc đã biết tại gốc tọa độ biến cạnh chưa biết thành công thức khoảng cách, và khai triển công thức khoảng cách đó tự động sinh ra số hạng cosin thêm vào ngoài tổng kiểu Pythagoras.

Chứng minh

Đặt đỉnh CC tại gốc tọa độ, đỉnh AA tại (b,0)(b, 0) theo trục xx dương (vì CA=bCA = b), và đỉnh BB tại (acos⁡C,asin⁡C)(a\cos C, a\sin C) — đây là điểm cách CC một khoảng aa (vì CB=aCB = a) tạo với đoạn CACA một góc CC.

Cạnh c=ABc = AB là khoảng cách giữa A=(b,0)A=(b,0) và B=(acos⁡C,asin⁡C)B=(a\cos C, a\sin C), nên c2=(b−acos⁡C)2+(asin⁡C)2c^2 = (b - a\cos C)^2 + (a\sin C)^2.

Khai triển bình phương: c2=b2−2abcos⁡C+a2cos⁡2C+a2sin⁡2Cc^2 = b^2 - 2ab\cos C + a^2\cos^2 C + a^2\sin^2 C.

Vì cos⁡2C+sin⁡2C=1\cos^2 C + \sin^2 C = 1, hai số hạng cuối gộp lại thành a2a^2, còn lại c2=a2+b2−2abcos⁡Cc^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos C, chính là c2=a2+b2−2abcos⁡Cc^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos C. Lặp lại lập luận tương tự với đỉnh khác đặt tại gốc tọa độ cho các công thức tương tự với a2a^2 và b2b^2.

Định lý: Định lý sin

Trong mọi tam giác ABCABC nội tiếp đường tròn bán kính RR, ta có asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C=2R\frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C} = 2R.

Vì sao đúng?

Mọi góc nội tiếp chắn cùng một cung thì bằng nhau, nên thay một góc bằng góc bằng nó tại một điểm được chọn khéo léo sẽ biến tam giác thành một tam giác vuông bên trong đường tròn, nơi sin chỉ đơn giản là tỉ số giữa một dây cung và đường kính.

Chứng minh

Gọi OO là tâm đường tròn ngoại tiếp và vẽ đường kính qua BB, cắt đường tròn lần nữa tại điểm B′B'. Vì BB′BB' là đường kính, góc nội tiếp ∠BCB′\angle BCB' chắn nửa đường tròn, nên ∠BCB′=90°\angle BCB' = 90°.

Các góc nội tiếp ∠BAC\angle BAC và ∠BB′C\angle BB'C đều chắn cùng cung BCBC (hoặc bù nhau nếu AA và B′B' nằm trên hai cung đối nhau, khi đó sin của hai góc vẫn bằng nhau vì sin⁡(180°−x)=sin⁡x\sin(180°-x)=\sin x), nên ∠BB′C=A\angle BB'C = A hoặc góc bù của nó, và trong cả hai trường hợp sin⁡(∠BB′C)=sin⁡A\sin(\angle BB'C) = \sin A.

Trong tam giác vuông BCB′BCB' (vuông tại CC), cạnh BC=aBC = a đối diện ∠BB′C\angle BB'C, và cạnh huyền BB′=2RBB' = 2R là đường kính, nên sin⁡(∠BB′C)=a2R\sin(\angle BB'C) = \dfrac{a}{2R}.

Kết hợp hai bước cuối, sin⁡A=a2R\sin A = \dfrac{a}{2R}, tức asin⁡A=2R\dfrac{a}{\sin A} = 2R. Lặp lại cùng cách dựng với đường kính qua AA hoặc qua CC cho bsin⁡B=2R\dfrac{b}{\sin B} = 2R và csin⁡C=2R\dfrac{c}{\sin C} = 2R, nên cả ba tỉ số đều bằng 2R2R, chứng minh asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C=2R\frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C} = 2R.

Đại họcỨng dụng thực tiễn và Ví dụ minh họa

Hai định lý này là xương sống của phép tam giác đạc — kỹ thuật tìm khoảng cách hoặc vị trí chưa biết từ các góc đã biết và một cạnh đã biết. Người đi biển và người đo đạc dùng định lý cosin để tính khoảng cách giữa hai con tàu hoặc hai mốc mà phương vị và khoảng cách tới một điểm chung đã biết, còn định vị GPS và trạm phát sóng di động dựa vào cùng hình học tam giác đó để xác định vị trí máy thu từ các tín hiệu có góc hoặc thời gian đã biết. Kỹ sư xây dựng dùng định lý sin để tìm các độ dài không đo trực tiếp được trong giàn kèo và khung mái, còn người đo đạc đất dùng công thức Heron để tính diện tích một mảnh đất không đều chỉ từ ba (hoặc nhiều hơn, bằng cách tam giác hóa) độ dài cạnh, mà không cần đo trực tiếp bất kỳ góc nào.

Ví dụ: Khoảng cách giữa hai con tàu

Hai con tàu cùng rời một cảng. Tàu 1 đi 3030 km theo một hướng, và tàu 2 đi 4040 km theo hướng tạo với hướng của tàu 1 một góc 60°60°. Tìm khoảng cách giữa hai con tàu.

Lời giải

Cảng và hai con tàu tạo thành một tam giác với hai cạnh đã biết (3030 km và 4040 km) gặp nhau tại cảng với góc xen giữa đã biết (60°60°) — chính xác là tình huống của định lý cosin, c2=a2+b2−2abcos⁡Cc^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos C, với a=30a=30, b=40b=40, C=60°C=60°, và cc là khoảng cách chưa biết giữa hai tàu.

Thay số: c2=302+402−2⋅30⋅40⋅cos⁡60°=900+1600−2400⋅12c^2 = 30^2 + 40^2 - 2\cdot30\cdot40\cdot\cos 60°= 900+1600-2400\cdot\frac{1}{2}.

Tính toán: c2=2500−1200=1300c^2 = 2500 - 1200 = 1300, nên c=1300≈36.1c = \sqrt{1300}\approx 36.1 km.

Ví dụ: Diện tích một mảnh đất hình tam giác

Một mảnh đất hình tam giác có các cạnh 1313 m, 1414 m, và 1515 m. Tìm diện tích của nó.

Lời giải

Chỉ biết ba độ dài cạnh và không đo trực tiếp góc nào, nên công thức Heron S=p(p−a)(p−b)(p−c)S = \sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)} là công cụ phù hợp, với nửa chu vi p=13+14+152=21p = \frac{13+14+15}{2} = 21.

Thay số: S=21(21−13)(21−14)(21−15)=21⋅8⋅7⋅6S = \sqrt{21(21-13)(21-14)(21-15)} = \sqrt{21\cdot 8\cdot 7\cdot 6}.

Tính tích trong căn: 21⋅8=16821\cdot 8 = 168, 7⋅6=427\cdot 6=42, và 168⋅42=7056168\cdot 42 = 7056.

Vậy S=7056=84S = \sqrt{7056} = 84. Mảnh đất có diện tích 8484 m².

Một tam giác có các cạnh a=8a = 8, b=5b = 5, và góc xen giữa C=60°C = 60°. Tìm độ dài cạnh cc.

Một tam giác có các cạnh a=5a=5, b=12b=12, c=13c=13. Điều nào sau đây đúng về góc CC (đối diện cạnh cc)?

Một tam giác có cạnh a=10a = 10 đối diện góc A=30°A = 30°. Đường kính 2R2R của đường tròn ngoại tiếp bằng bao nhiêu?

Một người khảo sát đo ba cạnh của một thửa ruộng hình tam giác là 99 m, 1010 m, và 1717 m, mà không đo góc nào. Công thức nào nên dùng để tìm diện tích thửa ruộng?