Przejdź do treści

Twierdzenie sinusów - wzór, dowód i przykłady

Twierdzenie sinusów

W każdym trójkącie o bokach aa, bb, cc i kątach α\alpha, β\beta, γ\gamma leżących naprzeciw tych boków:

asin⁡α=bsin⁡β=csin⁡γ=2R,\frac{a}{\sin\alpha} = \frac{b}{\sin\beta} = \frac{c}{\sin\gamma} = 2R,

gdzie RR jest promieniem okręgu opisanego na trójkącie.

Co mówi twierdzenie

Twierdzenie sinusów mówi, że w każdym trójkącie stosunek długości boku do sinusa kąta leżącego naprzeciw niego jest taki sam dla wszystkich trzech boków i równy średnicy okręgu opisanego. Innymi słowy: boki trójkąta są proporcjonalne do sinusów przeciwległych kątów - naprzeciw większego kąta leży dłuższy bok.

Twierdzenie pozwala rozwiązać trójkąt, gdy znamy bok i dwa kąty albo dwa boki i kąt naprzeciw jednego z nich. Gdy znamy dwa boki i kąt między nimi albo trzy boki, stosuje się twierdzenie cosinusów.

AB CD O
Dowód przez okrąg opisany: BD jest średnicą, więc kąt BCD jest prosty, a kąt przy D równa się kątowi α (oba są wpisane i oparte na łuku BC). Stąd a = 2R · sin α.

Założenia

Dowód przez wysokość

Pokaż dowódUkryj dowód

Opuśćmy wysokość hh z wierzchołka CC na prostą ABAB. Powstają dwa trójkąty prostokątne, w których hh jest przyprostokątną:

h=bsin⁡αorazh=asin⁡β.h = b \sin\alpha \qquad \text{oraz} \qquad h = a \sin\beta.

Stąd bsin⁡α=asin⁡βb \sin\alpha = a \sin\beta, czyli asin⁡α=bsin⁡β\frac{a}{\sin\alpha} = \frac{b}{\sin\beta}. Opuszczając wysokość z innego wierzchołka, tak samo dostajemy równość z trzecim bokiem. Gdy kąt α\alpha jest rozwarty, spodek wysokości leży na przedłużeniu boku, a zamiast sin⁡α\sin\alpha pojawia się sin⁡(180∘−α)\sin(180^\circ - \alpha) - czyli ta sama liczba. ■\blacksquare

Dowód przez okrąg opisany

Pokaż dowódUkryj dowód

Niech OO będzie środkiem okręgu opisanego na trójkącie ABCABC, a BDBD - średnicą tego okręgu (rysunek wyżej).

Krok 1. Kąt BCDBCD jest oparty na średnicy, więc jest prosty (twierdzenie Talesa o kącie wpisanym).

Krok 2. Kąty BDCBDC i BACBAC są wpisane i oparte na tym samym łuku BCBC, więc są równe: ∠BDC=α\angle BDC = \alpha.

Krok 3. W trójkącie prostokątnym BCDBCD przeciwprostokątna to ∣BD∣=2R|BD| = 2R, a przyprostokątna naprzeciw kąta α\alpha to ∣BC∣=a|BC| = a. Zatem sin⁡α=a2R\sin\alpha = \frac{a}{2R}, czyli asin⁡α=2R\frac{a}{\sin\alpha} = 2R.

To samo rozumowanie dla pozostałych boków daje pełne twierdzenie. (Dla kąta rozwartego punkt DD wypada po drugiej stronie cięciwy i kąt przy DD wynosi 180∘−α180^\circ - \alpha - sinus jest ten sam.) ■\blacksquare

Przykład

W trójkącie dane są bok a=10a = 10 oraz kąty α=30∘\alpha = 30^\circ i β=45∘\beta = 45^\circ. Obliczmy pozostałe elementy.

Krok 1. Trzeci kąt. γ=180∘−30∘−45∘=105∘\gamma = 180^\circ - 30^\circ - 45^\circ = 105^\circ.

Krok 2. Bok bb. bsin⁡45∘=10sin⁡30∘=20\frac{b}{\sin 45^\circ} = \frac{10}{\sin 30^\circ} = 20, więc b=20⋅22=102≈14,14b = 20 \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} = 10\sqrt{2} \approx 14{,}14.

Krok 3. Bok cc. c=20sin⁡105∘=20⋅6+24=5(6+2)≈19,32c = 20 \sin 105^\circ = 20 \cdot \frac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4} = 5(\sqrt{6} + \sqrt{2}) \approx 19{,}32.

Krok 4. Promień okręgu opisanego. 2R=202R = 20, więc R=10R = 10.

Kiedy są dwa rozwiązania, a kiedy żadne

Gdy dane są dwa boki i kąt naprzeciw jednego z nich, zadanie może mieć dwa rozwiązania, jedno albo żadnego - bo sinus przyjmuje tę samą wartość dla kątów β\beta i 180∘−β180^\circ - \beta.

Przykład. a=6a = 6, b=8b = 8, α=30∘\alpha = 30^\circ. Z twierdzenia sinusów sin⁡β=8sin⁡30∘6=23\sin\beta = \frac{8 \sin 30^\circ}{6} = \frac{2}{3}, więc β≈41,81∘\beta \approx 41{,}81^\circ albo β≈138,19∘\beta \approx 138{,}19^\circ. Oba kąty mieszczą się w trójkącie (30∘+138,19∘<180∘30^\circ + 138{,}19^\circ < 180^\circ), więc istnieją dwa różne trójkąty - z trzecim bokiem c≈11,40c \approx 11{,}40 albo c≈2,46c \approx 2{,}46.

Dla a=3a = 3, b=8b = 8, α=30∘\alpha = 30^\circ wychodzi sin⁡β=43>1\sin\beta = \frac{4}{3} > 1 - takiego trójkąta nie ma.

Po co to komu

Kto i kiedy

Wersję sferyczną twierdzenia znali uczeni świata islamu w X wieku (m.in. Abu al-Wafa). Dla trójkątów płaskich jasno sformułował je i udowodnił Nasir ad-Din at-Tusi w XIII wieku, a w Europie upowszechnił je Regiomontanus w dziele „De triangulis omnimodis” (napisanym w 1464 roku, wydanym w 1533).

Najczęstsze pytania

Jak brzmi twierdzenie sinusów? W każdym trójkącie stosunek boku do sinusa przeciwległego kąta jest stały i równy średnicy okręgu opisanego: asin⁡α=bsin⁡β=csin⁡γ=2R\frac{a}{\sin\alpha} = \frac{b}{\sin\beta} = \frac{c}{\sin\gamma} = 2R.

Kiedy stosować twierdzenie sinusów, a kiedy cosinusów? Sinusów - gdy znasz bok i dwa kąty albo dwa boki i kąt naprzeciw jednego z nich. Cosinusów - gdy znasz dwa boki i kąt między nimi albo wszystkie trzy boki.

Jak obliczyć promień okręgu opisanego na trójkącie? Z twierdzenia sinusów: R=a2sin⁡αR = \frac{a}{2\sin\alpha} - wystarczy jeden bok i kąt naprzeciw niego.

Czy twierdzenie sinusów działa w trójkącie rozwartokątnym? Tak. Sinus kąta rozwartego jest dodatni i równy sinusowi kąta 180∘−α180^\circ - \alpha, więc wzór wygląda identycznie. Trzeba tylko pamiętać, że sin⁡β=s\sin\beta = s daje dwa kandydaty na kąt: β\beta i 180∘−β180^\circ - \beta.

Dlaczego czasem wychodzą dwa trójkąty? Gdy dane są dwa boki i kąt naprzeciw krótszego z nich, obliczony sinus odpowiada dwóm kątom - ostremu i rozwartemu. Jeśli oba mieszczą się w sumie 180∘180^\circ, istnieją dwa różne trójkąty.

Podsumowanie