Первая и вторая сферические теоремы косинусов устанавливают соотношения между сторонами и противолежащими им углами сферического треугольника.
Формулировка
Теоремы косинусов для сферического треугольника со сторонами a, b, c и углами A, B, C имеют следующий вид:
cos c = cos a cos b + sin a sin b cos C , {displaystyle cos c=cos acos b+sin asin bcos C,} cos A = − cos B cos C + sin B sin C cos a . {displaystyle cos A=-cos Bcos C+sin Bsin Ccos a.}Эти две теоремы двойственны по отношению друг к другу, поскольку углы и стороны всякого сферического треугольника дополняются до развёрнутого угла сторонами и углами соответствующего полярного треугольника. Поэтому достаточно доказать одну из них.
ДоказательствоДоказательство проведём с помощью проекций. На рисунке показан сферический треугольник ABC на сфере радиуса R с центром в точке O. BP — перпендикуляр к плоскости большого круга, проходящего через сторону b, BM — перпендикуляр к OC, BN — перпендикуляр к OA. По утверждению, обратному теореме о трёх перпендикулярах, PM — перпендикуляр к OC, PN — перпендикуляр к OA. Заметим, что угол PMB равен π - C, кроме того, ON = R cos c и OM = R cos a. Далее, проецируем ломаную OMPN на прямую, содержащую ON.
pr O N = pr O M + pr M P + pr P N {displaystyle {mbox{pr }}ON={mbox{pr }}OM+{mbox{pr }}MP+{mbox{pr }}PN} , P N ⊥ O A ⇒ pr P N = 0 {displaystyle PNperp OARightarrow {mbox{pr }}PN=0} , pr O M = O M cos b = R cos a cos b {displaystyle {mbox{pr }}OM=OMcos b=Rcos acos b} , pr M P = P M cos ( π − ( π 2 − ∠ M P N ) ) = P M ( − sin ∠ M P N ) {displaystyle {mbox{pr }}MP=PMcos(pi -({frac {pi }{2}}-angle MPN))=PM(-sin angle MPN)} = B M cos ∠ P M B ( − sin b ) = B M cos ( π − C ) ( − sin b ) = R sin b sin a cos C {displaystyle =BMcos angle PMB(-sin b)=BMcos(pi -C)(-sin b)=Rsin bsin acos C} .Подставляем три последних выражения и указанное выше выражение ON = R cos c в первое выражение и получаем:
cos c = cos a cos b + sin a sin b cos C {displaystyle cos c=cos acos b+sin asin bcos C} .Теоремы косинусов для двух других сторон, то есть теорему для cos a и теорему для cos b, получаем аналогично, их также можно получить сразу из формулы для стороны c при помощи круговой перестановки букв:
a → b → c → a , A → B → C → A {displaystyle a ightarrow b ightarrow c ightarrow a,A ightarrow B ightarrow C ightarrow A}
Следствия и применение
Если угол C — прямой, первая теорема косинусов переходит в сферическую теорему Пифагора:
cos c = cos a cos b . {displaystyle cos c=cos acos b.}Хотя для решения косоугольных сферических треугольников обычно используются более удобные формулы, с помощью теоремы косинусов выводится важная для геодезии формула длины ортодромии — кратчайшего расстояния между точками на земной поверхности с известными координатами (в предположении сферичности Земли). Обозначим географические широты двух данных точек φ A {displaystyle varphi _{A}} и φ B {displaystyle varphi _{B}} , разность долгот — Δ λ A B {displaystyle Delta lambda _{AB}} , кратчайшее расстояние между ними обозначим d, длину дуги в 1 градус — a. Тогда формула длины ортодромии:
cos ( d a ) = sin φ A ⋅ sin φ B + cos φ A ⋅ cos φ B ⋅ cos Δ λ A B {displaystyle cos left({frac {d}{a}} ight)=sin varphi _{A}cdot sin varphi _{B}+cos varphi _{A}cdot cos varphi _{B}cdot cos Delta lambda _{AB}}Эта формула сразу получается применением теоремы косинусов к стороне AB сферического треугольника PnAB. Подобная формула справедлива для любой сферической поверхности и поэтому её можно применять также для определения углового расстояния между звёздами по известным их экваториальным координатам.
Пример 1: определение углового расстояния между двумя светилами на небесной сфереОпределим угловое расстояние (x) между звездой δ Цефея (экваториальные координаты: α1=22ч 29м, δ1=+58° 25′) и галактикой Туманность Андромеды (α2=0ч 43м, δ2=+41° 16′) на небесной сфере. Выражаем α1 в градусах и долях градуса:
α 1 = ( 22 + 29 60 ) ⋅ 360 24 = 337 ∘ , 25 {displaystyle alpha _{1}=left(22+{frac {29}{60}} ight)cdot {frac {360}{24}}=337^{circ },25}Аналогично получаем, что α2=10°,75. Выражаем δ1 в градусах и долях градуса:
δ 1 = 58 + 25 60 = 58 ∘ , 42 {displaystyle delta _{1}=58+{frac {25}{60}}=58^{circ },42}Аналогично δ2=41°,27. Применяем теорему косинусов:
cos x = cos ( 90 ∘ − δ 1 ) ⋅ cos ( 90 ∘ − δ 2 ) + sin ( 90 ∘ − δ 1 ) ⋅ sin ( 90 ∘ − δ 2 ) ⋅ cos ( α 1 − α 2 ) = sin 58 ∘ , 42 ⋅ sin 41 ∘ , 27 + cos 58 ∘ , 42 ⋅ cos 41 ∘ , 27 ⋅ cos ( 337 ∘ , 25 − 10 ∘ , 75 ) = 0 , 89 {displaystyle {egin{aligned}cos x&=cos(90^{circ }-delta _{1})cdot cos(90^{circ }-delta _{2})+sin(90^{circ }-delta _{1})cdot sin(90^{circ }-delta _{2})cdot cos(alpha _{1}-alpha _{2})&=sin 58^{circ },42cdot sin 41^{circ },27+cos 58^{circ },42cdot cos 41^{circ },27cdot cos(337^{circ },25-10^{circ },75)&=0,89end{aligned}}}
Отсюда x=27°,11.
Теорема косинусов в её втором виде (соотношение между тремя углами и стороной) может быть применена для вычисления взаимного наклонения двух орбит при известном наклонении каждой орбиты к какой-то другой плоскости. Например, по этой формуле можно вычислить наклонение орбиты Плутона к орбите Нептуна, используя наклонения их орбит к эклиптике и долготы их восходящих узлов.
Пример 2: определение взаимного наклонения орбит небесных телОпределим взаимное наклонение (x) орбит Плутона (наклонение орбиты к эклиптике — 17°,14, долгота восходящего узла — 110°,30) и Нептуна (наклонение орбиты к эклиптике — 1°,77, долгота восходящего узла — 131°,79). В соответствующем сферическом треугольнике известны два угла: один равен наклонению орбиты Плутона к эклиптике, другой — дополнению наклонения орбиты Нептуна к эклиптике до 180 градусов. Известна также прилегающая к этим углам сторона, равная разности долгот восходящих узлов Плутона и Нептуна. Осталось применить второй вариант теоремы косинусов — для углов:
cos x = − cos ( 17 ∘ , 14 ) ⋅ cos ( 180 ∘ − 1 ∘ , 77 ) + sin ( 17 ∘ , 14 ) ⋅ sin ( 180 ∘ − 1 ∘ , 77 ) ⋅ cos ( 131 ∘ , 79 − 110 ∘ , 30 ) ≈ 0 , 9636 {displaystyle {egin{aligned}cos x&=-cos(17^{circ },14)cdot cos(180^{circ }-1^{circ },77)+sin(17^{circ },14)cdot sin(180^{circ }-1^{circ },77)cdot cos(131^{circ },79-110^{circ },30)&approx 0,9636end{aligned}}}
Отсюда x≈15°,51.
История
Математики средневекового Востока использовали утверждение, равносильное сферической теореме косинусов, при решении конкретных астрономических задач. Эти соотношения, используемые при определении высоты Солнца, встречаются в сочинениях Сабита ибн Корры, ал-Махани, ал-Баттани, Ибн Юниса, ал-Бируни.
Первая явная формулировка теоремы дана в XV веке Региомонтаном, который назвал её «теоремой Альбатегния» (по латинизированному имени ал-Баттани).
- Авиагородок (микрорайон Перми)
- Дети меньшего бога (фильм)
- Как выбрать напольное покрытие?
- Архитектурная шумоизоляция — эффективное новшество эстетического типа
- Brabham BT46
- Геллат, Карл Петрович
- Константино-Еленинский собор (Астана)
- Джоконда (опера)
- Компрессорное оборудование БУ: виды и особенности
- Масленниково (Московская область)