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.
Phổ thôngPhát biểu chính xác
Định nghĩa: Ký hiệu cạnh, góc và các đường tròn của tam giác
Trong tam giác , cạnh đối diện đỉnh , cạnh đối diện đỉnh , và cạnh đối diện đỉnh . Gọi là bán kính đường tròn ngoại tiếp (đi qua cả ba đỉnh), là bán kính đường tròn nội tiếp (tiếp xúc cả ba cạnh), và là nửa chu vi.
Đây là định lý cosin: . Ở đây là góc tại đỉnh , đối diện cạnh . Khi , và công thức thu về đúng định lý Pythagoras — định lý cosin là một tổng quát hóa đúng cho mọi góc, không chỉ góc vuông.
Đây là định lý sin: . 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 của đường tròn ngoại tiếp — một con số duy nhất nắm bắt tỉ lệ tổng thể của tam giác.
| Công thức | Cần biết |
|---|---|
| Hai cạnh và góc xen giữa | |
| Cả ba cạnh và bán kính ngoại tiếp | |
| Nửa chu vi và bán kính nội tiếp | |
| Chỉ cần cả ba cạnh (công thức Heron) |
Đại họcĐịnh lý và chứng minh
Trong mọi tam giác với các cạnh đối diện , ta có .
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 tại gốc tọa độ, đỉnh tại theo trục dương (vì ), và đỉnh tại — đây là điểm cách một khoảng (vì ) tạo với đoạn một góc .
Cạnh là khoảng cách giữa và , nên .
Khai triển bình phương: .
Vì , hai số hạng cuối gộp lại thành , còn lại , chính là . Lặp lại lập luận tương tự với đỉnh khác đặt tại gốc tọa độ cho các công thức tương tự với và .
Trong mọi tam giác nội tiếp đường tròn bán kính , ta có .
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 là tâm đường tròn ngoại tiếp và vẽ đường kính qua , cắt đường tròn lần nữa tại điểm . Vì là đường kính, góc nội tiếp chắn nửa đường tròn, nên .
Các góc nội tiếp và đều chắn cùng cung (hoặc bù nhau nếu và nằm trên hai cung đối nhau, khi đó sin của hai góc vẫn bằng nhau vì ), nên hoặc góc bù của nó, và trong cả hai trường hợp .
Trong tam giác vuông (vuông tại ), cạnh đối diện , và cạnh huyền là đường kính, nên .
Kết hợp hai bước cuối, , tức . Lặp lại cùng cách dựng với đường kính qua hoặc qua cho và , nên cả ba tỉ số đều bằng , chứng minh .
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 km theo một hướng, và tàu 2 đi km theo hướng tạo với hướng của tàu 1 một góc . Tìm khoảng cách giữa hai con tàu.
Lời giải
Cảng và hai con tàu tạo thành một tam giác với hai cạnh đã biết ( km và km) gặp nhau tại cảng với góc xen giữa đã biết () — chính xác là tình huống của định lý cosin, , với , , , và là khoảng cách chưa biết giữa hai tàu.
Thay số: .
Tính toán: , nên km.
Ví dụ: Diện tích một mảnh đất hình tam giác
Một mảnh đất hình tam giác có các cạnh m, m, và 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 là công cụ phù hợp, với nửa chu vi .
Thay số: .
Tính tích trong căn: , , và .
Vậy . Mảnh đất có diện tích m².
Một tam giác có các cạnh , , và góc xen giữa . Tìm độ dài cạnh .
Một tam giác có các cạnh , , . Điều nào sau đây đúng về góc (đối diện cạnh )?
Một tam giác có cạnh đối diện góc . Đường kính của đường tròn ngoại tiếp bằng bao nhiêu?
Một người khảo sát đo ba cạnh của một thửa ruộng hình tam giác là m, m, và m, mà không đo góc nào. Công thức nào nên dùng để tìm diện tích thửa ruộng?