Эта статья входит в число добротных статей

Решение треугольников

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Решение треугольников (лат. solutio triangulorum) — исторический термин, означающий решение главной тригонометрической задачи: по известным данным о треугольнике (стороны, углы и т. д.) найти остальные его характеристики[1]. Треугольник может располагаться на плоскости или на сфере. Данная задача часто встречается в тригонометрических приложениях, например, в геодезии, астрономии, строительстве, навигации.

Содержание

Решение плоских треугольников[править | править вики-текст]

Стандартные обозначения в треугольнике

У треугольника общего вида имеется 6 основных характеристик: 3 линейные (длины сторон a, b, c) и 3 угловые (\alpha, \beta, \gamma), см. рисунок. В классической задаче плоской тригонометрии заданы 3 из этих 6 характеристик, и нужно определить 3 остальные. Очевидно, если известны только 2 или 3 угла, однозначного решения не получится, так как любой треугольник, подобный данному, тоже будет решением, поэтому будем считать, что хотя бы одна из известных величин — линейная[2].

Алгоритм решения задачи зависит от того, какие именно характеристики треугольника считаются известными. Далее будем символически обозначать заданные величины С (сторона) и У (угол). Поскольку сочетание УУУ исключено из рассмотрения, остаются 5 различных вариантов[3]:

  • Три стороны (ССС);
  • Две стороны и угол между ними (СУС);
  • Две стороны и угол напротив одной из них (УСС);
  • Сторона и два прилежащих угла (УСУ);
  • Сторона, противолежащий угол и один из прилежащих (УУС).

Основные теоремы[править | править вики-текст]

Стандартным методом решения задачи является использование нескольких фундаментальных соотношений, выполняющихся для всех плоских треугольников[4]:

Теорема косинусов
 a^2 = b^2 + c^2 - 2 b c \cos \alpha
 b^2 = a^2 + c^2 - 2 a c \cos \beta
 c^2 = a^2 + b^2 - 2 a b \cos \gamma
Теорема синусов
\frac{a}{\sin\alpha} = \frac{b}{\sin\beta} = \frac{c}{\sin\gamma}
Сумма углов треугольника
\alpha + \beta + \gamma = 180^\circ
Теорема тангенсов (применяется редко)
\frac{a-b}{a+b} = \frac{\mathrm{tg}[\frac{1}{2}(\alpha-\beta)]}{\mathrm{tg}[\frac{1}{2}(\alpha+\beta)]}.

Из других, иногда полезных на практике универсальных соотношений, следует упомянуть теорему котангенсов и формулы Мольвейде.

Замечания[править | править вики-текст]

  1. Для нахождения неизвестного угла надёжнее использовать теорему косинусов, а не синусов[5]. Причина в том, что значение синуса угла при вершине треугольника не определяет однозначно самого угла. Например, если \sin \beta = 0{,}5, то угол \beta может быть как 30^\circ, так и 150^\circ, потому что синусы этих углов совпадают. Исключением является случай, когда заранее известно, что в данном треугольнике тупых углов быть не может — например, если треугольник прямоугольный. С косинусом такие проблемы не возникают, в интервале от 0^\circ до 180^\circ значение косинуса определяет угол однозначно.
  2. Далее всюду предполагается, что взаимное расположение заданных характеристик треугольника известно; если это не так, то зеркальное отражение построенного треугольника тоже будет решением задачи. Например, три стороны однозначно определяют треугольник с точностью до отражения.
  3. Все треугольники подразумеваются невырожденными, то есть длина стороны не могут быть нулевой, а величина угла — положительное число, меньшее, чем 180^\circ.
Заданы три стороны

Три стороны[править | править вики-текст]

Пусть заданы длины всех трёх сторон a, b, c. Условие разрешимости задачи — каждая длина должна быть меньше, чем сумма двух других длин:

a < b + c; \;b < a + c; \;c < a + b

Чтобы найти углы \alpha, \beta, воспользуемся теоремой косинусов[6]:

 \alpha =  \arccos \frac{b^2 + c^2 - a^2} {2 b c}
 \beta =  \arccos \frac{a^2 + c^2 - b^2} {2 a c}

Третий угол сразу находится из правила, что сумма всех трёх углов должна быть равна 180°: ~\gamma = 180^\circ - (\alpha + \beta).

В некоторых источниках предлагается второй угол найти по теореме синусов, но, как указано в вышеприведенном замечании 1, при этом существует опасность спутать тупой угол с острым. (Этой опасности не возникнет, если первым определить, по теореме косинусов, наибольший угол, лежащий против наибольшей из сторон — два других угла точно являются острыми, и применение к ним теоремы синусов безопасно.)

Ещё один метод вычисления углов по известным сторонам: использование теоремы котангенсов.

Заданы две стороны и угол между ними

Две стороны и угол между ними[править | править вики-текст]

Пусть, для определённости, известны длины сторон a, b и угол \gamma между ними. Этот вариант задачи всегда имеет решение. Для определения длины стороны c вновь воспользуемся теоремой косинусов[7]:

c = \sqrt{a^2+b^2-2ab\cos\gamma}

Мы фактически свели задачу к предыдущему случаю. Далее воспользуемся теоремой косинусов для нахождения второго угла:

 \alpha= \arccos \frac{b^2 + c^2 - a^2} {2 b c}= \arccos \frac{b-a\cos\gamma} {\sqrt{a^2+b^2-2ab\cos\gamma}}

Третий угол находится из теоремы о сумме углов треугольника: \beta = 180^\circ - \alpha - \gamma.

Заданы две стороны и угол не между ними

Две стороны и угол напротив одной из них[править | править вики-текст]

Этот случай самый сложный и неоднозначный. Пусть, например, известны две стороны b, c и угол \beta. Уравнение для угла \gamma найдём из теоремы синусов[8]:

\sin\gamma = \frac{c}{b} \sin\beta

Для краткости обозначим ~D=\frac{c}{b} \sin\beta (правая часть уравнения). При решении уравнения возможны 4 случая[9] [10].

  1. Если D>1, такого треугольника не существует, так как сторона b «не достаёт» до линии BC. По той же причине задача не имеет решения, если угол \beta \geqslant 90^\circ и при этом b \leqslant c.
  2. Если D=1, существует единственное решение, причём треугольник прямоугольный, \gamma = 90^\circ.
Два возможных решения
  1. Если D<1, то возможны 2 варианта.
    1. Если b<c, то угол \gamma имеет два возможных значения: острый угол ~\gamma = \arcsin D и тупой угол ~\gamma' = 180^\circ - \gamma. На рисунке справа первому значению соответствуют точка C, сторона b и угол \gamma, а второму значению — точка C', сторона b' и угол \gamma'.
    2. Если b \geqslant c, то \beta \geqslant \gamma (как известно, большей стороне треугольника соответствует больший противолежащий угол). Поскольку в треугольнике не может быть двух тупых углов, тупой угол для ~\gamma исключён, и решение ~\gamma=\arcsin D единственно.

Третий угол: ~\alpha = 180^\circ - \beta - \gamma . Третью сторону можно найти по теореме синусов:

a = b\ \frac{\sin\alpha}{\sin\beta}
Заданы сторона и прилежащие к ней углы

Сторона и прилежащие к ней углы[править | править вики-текст]

Пусть задана сторона c и углы \alpha, \beta. Условие разрешимости задачи:

\alpha + \beta < 180^\circ

Вначале находим третий угол ~\gamma = 180^\circ - \alpha - \beta. Далее обе неизвестные стороны находятся по теореме синусов[11]:

a = c\ \frac{\sin\alpha}{\sin\gamma}; \quad b = c\ \frac{\sin\beta}{\sin\gamma}

Сторона, прилежащий и противолежащий углы[править | править вики-текст]

Этот случай решается так же, как предыдущий: находим третий угол и применяем теорему синусов.

Решение прямоугольных треугольников[править | править вики-текст]

Прямоугольный треугольник

В этом случае известен один из углов — он равен 90°. Необходимо знать ещё два элемента, хотя бы один из которых — сторона. Принято обозначать вершину прямого угла буквой C, а гипотенузуc. Катеты обозначаются a и b, а величины противолежащих им углов — α и β соответственно.

Расчётные формулы существенно упрощаются, так как вместо теорем синусов и косинусов можно использовать более простые соотношения — теорему Пифагора

 c^2 = a^2 + b^2

и определения синусов и косинусов:

 \sin \alpha = \cos \beta = \frac ac , \quad \cos \alpha = \sin \beta = \frac bc

Ясно также, что углы α и β — острые, так как их сумма равна 90^\circ. Поэтому любой из неизвестных углов однозначно определяется по любой из его тригонометрических функций (синусу, косинусу, тангенсу и др.) путём вычисления соответствующей обратной тригонометрической функции.

Поскольку одна из известных величин — прямой угол, случай «три стороны» (ССС) исключается из рассмотрения. Остальные случаи сводятся к следующим:

  • Две стороны и угол между ними (СУС) → два катета (КК);
  • Две стороны и угол напротив одной из них (УСС) → катет и гипотенуза (КГ);
  • Сторона и два прилежащих к ней угла (УСУ) → катет и прилежащий острый угол (К′У′′);
  • Сторона, противолежащий угол и один из прилежащих (УУС):
    • → катет и противолежащий острый угол (К′У′), если прямой угол — прилежащий;
    • → гипотенуза и острый угол (ГУ), если прямой угол — противолежащий.

При корректной постановке задачи (если известны гипотенуза и катет, то катет меньше гипотенузы; если известен один из углов помимо прямого, то он острый) решение всегда существует и единственно.

Два катета[править | править вики-текст]

Гипотенуза находится по теореме Пифагора:

 c = \sqrt{a^2 + b^2}

После этого находятся углы:

 \alpha = \arcsin \frac ac = \arccos \frac bc , \quad \beta  = \arcsin \frac bc = \arccos \frac ac

Катет и гипотенуза[править | править вики-текст]

Пусть известны катет b и гипотенуза c, тогда катет a находится из теоремы Пифагора:

 a = \sqrt{c^2 - b^2}

После этого углы определяются аналогично предыдущему случаю.

Катет и прилежащий острый угол[править | править вики-текст]

Пусть известны катет b и прилежащий к нему угол α.

Гипотенуза c находится из соотношения

 c = \frac {b} {\cos \alpha} .

Катет a может быть найден либо по теореме Пифагора аналогично предыдущему случаю, либо из соотношения

 a = b\ \mathrm{tg}\,\alpha .

Острый угол β может быть найден как

\beta = 90^\circ - \alpha .

Катет и противолежащий острый угол[править | править вики-текст]

Пусть известны катет b и противолежащий ему угол β.

Гипотенуза c находится из соотношения

 c = \frac {b} {\sin \beta} .

Катет a и второй острый угол α могут быть найдены аналогично предыдущему случаю.

Гипотенуза и острый угол[править | править вики-текст]

Пусть известны гипотенуза c и острый угол β.

Острый угол α может быть найден как

\alpha = 90^\circ - \beta .

Катеты определяются из соотношений

 a = c \sin \alpha = c \cos \beta,
 b = c \sin \beta  = c \cos \alpha.

Решение сферических треугольников[править | править вики-текст]

Сферический треугольник общего вида полностью определяется тремя из шести своих характеристик (3 стороны и 3 угла). Отметим, что стороны сферического треугольника a, b, c принято измерять не линейными единицами, а величиной опирающихся на них центральных углов.

Решение треугольников в неевклидовой сферической геометрии имеет ряд отличий от плоского случая. Например, сумма трёх углов \alpha+\beta+\gamma зависит от треугольника; кроме того, на сфере не существует неравных подобных треугольников, и поэтому задача построения треугольника по трём углам имеет единственное решение. Но базовые соотношения, используемые для решения задачи, аналогичны плоскому случаю: теоремы косинусов (сферическая геометрия) и теорема синусов (сферическая геометрия).

Из других соотношений могут оказаться полезными формулы аналогии Непера[12] и формула половины стороны[13].

Заданы три стороны

Три стороны[править | править вики-текст]

Если заданы стороны a, b, c (напомним, в угловых единицах), то углы треугольника определяются из теоремы косинусов[14]:

\alpha = \arccos\left(\frac{\cos a-\cos b\ \cos c}{\sin b\ \sin c}\right),
\beta  = \arccos\left(\frac{\cos b-\cos c\ \cos a}{\sin c\ \sin a}\right),
\gamma = \arccos\left(\frac{\cos c-\cos a\ \cos b}{\sin a\ \sin b}\right),


Заданы две стороны и угол между ними

Две стороны и угол между ними[править | править вики-текст]

Пусть заданы стороны a, b и угол \gamma между ними. Сторону c легко найти по теореме косинусов[14]:

c = \arccos \left(\cos a\cos b + \sin a\sin b\cos\gamma \right)

Углы \alpha, \beta можно найти так же, как в предыдущем варианте, можно также использовать формулы аналогии Непера:

\alpha = \operatorname{arctg}\ \frac{2\sin a}{\operatorname{tg}(\frac{\gamma}{2}) \sin (b+a) + \operatorname{ctg}(\frac{\gamma}{2})\sin(b-a)}
\beta  = \operatorname{arctg}\ \frac{2\sin b}{\operatorname{tg}(\frac{\gamma}{2}) \sin (a+b) + \operatorname{ctg}(\frac{\gamma}{2})\sin(a-b) },


Заданы две стороны и угол не между ними

Две стороны и угол не между ними[править | править вики-текст]

Пусть заданы стороны b, c и угол \beta. Чтобы решение существовало, необходимо выполнение условия:

b > \arcsin (\sin c\,\sin\beta)

Угол \gamma получается из теоремы синусов:

\gamma = \arcsin \left(\frac{\sin c\,\sin\beta}{\sin b}\right)

Здесь, аналогично плоскому случаю, при b<c получаем два решения: \gamma и ~180^\circ - \gamma.

Остальные величины можно найти из формул аналогии Непера[15]:

a = 2\operatorname{arctg} \left\{ \operatorname{tg}\left(\frac12(b-c)\right) \frac{\sin \left(\frac12(\beta+\gamma)\right)}{\sin\left(\frac12(\beta-\gamma)\right)} \right\},
\alpha = 2\operatorname{arcctg} \left\{\operatorname{tg}\left(\frac12(\beta-\gamma)\right) \frac{\sin \left(\frac12(b+c)\right)}{\sin \left(\frac12(b-c)\right)} \right\}.
Заданы сторона и прилежащие углы

Сторона и прилежащие углы[править | править вики-текст]

В этом варианте задана сторона c и углы \alpha, \beta. Найдём угол \gamma по теореме косинусов[16]:

\gamma = \arccos(\sin\alpha\sin\beta\cos c -\cos\alpha\cos\beta)\,,

Две неизвестные стороны получаем из формул аналогии Непера:

a = \operatorname{arctg}\left\{\frac{2\sin\alpha}{\operatorname{ctg}(c/2) \sin(\beta+\alpha) + \operatorname{tg}(c/2) \sin(\beta-\alpha)}\right\}
b = \operatorname{arctg}\left\{\frac{2\sin\beta} {\operatorname{ctg}(c/2) \sin(\alpha+\beta) + \operatorname{tg}(c/2)\sin(\alpha-\beta)}\right\}

или, используя вычисленный угол \gamma, по теореме косинусов:

a=\arccos\left(\frac{\cos\alpha+\cos\beta\cos\gamma}{\sin\beta\sin\gamma}\right)
b=\arccos\left(\frac{\cos\beta+\cos\gamma\cos\alpha}{\sin\gamma\sin\alpha}\right)


Заданы два угла и сторона не между ними

Два угла и сторона не между ними[править | править вики-текст]

Пусть заданы сторона a и углы \alpha, \beta. Сторону b найдём по теореме синусов[17]:

b = \arcsin \left( \frac{\sin a\,\sin \beta}{\sin \alpha} \right),

Если угол для стороны a острый и \alpha > \beta, существует второе решение:

b = \pi - \arcsin \left( \frac{\sin a\,\sin \beta}{\sin \alpha} \right)

Остальные величины определим из формул аналогии Непера:

c =  2\operatorname{arctg} \left\{ \operatorname{tg}\left(\frac12(a-b)\right) \frac{\sin\left(\frac12(\alpha+\beta)\right)}{\sin\left(\frac12(\alpha-\beta)\right)}\right\},
\gamma = 2\operatorname{arcctg} \left\{\operatorname{tg}\left(\frac12(\alpha-\beta)\right) \frac{\sin \left(\frac12(a+b)\right)}{\sin \left(\frac12(a-b)\right)} \right\},


Заданы три угла

Три угла[править | править вики-текст]

Если заданы три угла, стороны находятся по теореме косинусов:

a=\arccos\left(\frac{\cos\alpha+\cos\beta\cos\gamma}{\sin\beta\sin\gamma}\right),
b=\arccos\left(\frac{\cos\beta+\cos\gamma\cos\alpha}{\sin\gamma\sin\alpha}\right),
c=\arccos\left(\frac{\cos\gamma+\cos\alpha\cos\beta}{\sin\alpha\sin\beta}\right).

Другой вариант: использование формулы половины угла[18].

Решение прямоугольных сферических треугольников[править | править вики-текст]

Изложенные алгоритмы значительно упрощаются, если известно, что один из углов треугольника (скажем, угол C) прямой. Прямоугольный сферический треугольник полностью определяется двумя элементами, остальные три находятся при помощи мнемонического правила Непера или из нижеприведенных соотношений[19].

\sin a = \sin c \cdot \sin A = \operatorname{tg} b \cdot \operatorname{ctg} B
\sin b = \sin c \cdot \sin B = \operatorname{tg} a \cdot \operatorname{ctg} A
\cos c = \cos a \cdot \cos b = \operatorname{ctg} A \cdot \operatorname{ctg} B
\operatorname{tg} a = \sin b \cdot \operatorname{tg} A
\operatorname{tg} b = \operatorname{tg} c \cdot \cos A
\cos A = \cos a \cdot \sin B = \operatorname{tg} b \cdot \operatorname{ctg} c
\cos B = \cos b \cdot \sin A = \operatorname{tg} a \cdot \operatorname{ctg} c

Вариации и обобщения[править | править вики-текст]

Во многих практически важных задачах вместо сторон треугольника задаются другие его характеристики — например, длина медианы, высоты, биссектрисы, радиус вписанного или описанного круга и т. д. Аналогично вместо углов при вершинах треугольника в задаче могут фигурировать иные углы. Алгоритмы решения подобных задач чаще всего комбинируются из рассмотренных выше теорем тригонометрии.

Примеры:

  • Задача Региомонтана: построить треугольник, если известны одна его сторона, длина опущенной на неё высоты и противолежащий угол[20].
  • Задача Снеллиуса-Потно́ (англ.)русск.
  • Задача Томаса Финке[21]: найти углы треугольника, если известна сумма двух углов \alpha+\beta и отношение противолежащих сторон a:b.
  • Задача Ньютона: решить треугольник, если известны одна его сторона, противолежащий угол и сумма двух других сторон.

Примеры практического применения[править | править вики-текст]

Триангуляция[править | править вики-текст]

Определение расстояния с помощью триангуляции

Чтобы определить расстояние d от берега до удалённого корабля, нужно отметить на берегу две точки, расстояние l между которыми известно. Измерим углы \alpha и \beta между линией, соединяющей эти точки, и направлением на корабль. Из формул варианта «сторона и прилежащие к ней углы» несложно найти длину высоты треугольника:

d = \frac{\sin\alpha\,\sin\beta}{\sin(\alpha+\beta)} \,l = \frac{\operatorname{tg}\alpha\,\operatorname{tg}\beta}{\operatorname{tg}\alpha+\operatorname{tg}\beta} \,l

Этот метод используется в каботажном судоходстве. Углы \alpha, \beta при этом оцениваются наблюдениями с корабля известных ориентиров на земле.

Определение высоты горы

Другой пример: требуется измерить высоту h горы или высокого здания. Известны углы \alpha, \beta наблюдения вершины из двух точек, расположенных на расстоянии l. Из формул того же варианта, что и выше, получаем:

 h = \frac{\sin\alpha\,\sin\beta}{\sin(\beta-\alpha)} \,l = \frac{\operatorname{tg}\alpha\,\operatorname{tg}\beta}{\operatorname{tg}\beta-\operatorname{tg}\alpha} \,l


Расстояние между двумя точками на поверхности земного шара[править | править вики-текст]

Distance on earth.png

Надо вычислить расстояние между двумя точками на земном шаре[22]:

Точка A: широта \lambda_\mathrm{A}, долгота L_\mathrm{A},
Точка B: широта \lambda_\mathrm{B}, долгота L_\mathrm{B},

Рассмотрим сферический треугольник ABC, где C — северный полюс. Для него известны следующие величины:

a = 90^\mathrm{o} - \lambda_\mathrm{B}\,
b = 90^\mathrm{o} - \lambda_\mathrm{A}\,
\gamma = L_\mathrm{A}-L_\mathrm{B}\,

Это случай «две стороны и угол между ними». Из приведенных там формул получаем:

\mathrm{AB} = R \arccos\left\{\sin \lambda_\mathrm{A} \,\sin \lambda_\mathrm{B} + \cos \lambda_\mathrm{A} \,\cos \lambda_\mathrm{B} \,\cos \left(L_\mathrm{A}-L_\mathrm{B}\right)\right\},

Здесь Rрадиус Земли.

История[править | править вики-текст]

Зачатки тригонометрических знаний можно найти в математических рукописях древнего Египта, Вавилона и древнего Китая. Главным достижением этого периода стало соотношение, позже получившее имя теоремы Пифагора; Ван дер Варден считает, что вавилоняне открыли его между 2000 и 1786 годами до н. э.[23].

Общая постановка задачи решения треугольников (как плоских, так и сферических) появилась в древнегреческой геометрии[24]. Во второй книге «Начал» Евклида теорема 12 представляет собой словесный аналог теоремы косинусов[25]:

В тупоугольных треугольниках квадрат на стороне, стягивающей тупой угол, больше [суммы] квадратов на сторонах, содержащих тупой угол, на дважды взятый прямоугольник, заключённый между одной из сторон при тупом угле, на которую падает перпендикуляр, и отсекаемым этим перпендикуляром снаружи отрезком при тупом угле.

Следующая за ней теорема 13 — вариант теоремы косинусов для остроугольных треугольников. Аналога теоремы синусов у греков не было, это важнейшее открытие было сделано гораздо позднее[26].

Первые тригонометрические таблицы составил, вероятно, Гиппарх в середине II века до н. э. для астрономических расчётов. Позднее астроном II века Клавдий Птолемей в «Альмагесте» дополнил результаты Гиппарха. Тринадцать книг «Альмагеста» — самая значимая тригонометрическая работа всей античности. В частности, «Альмагест» содержит обширные пятизначные тригонометрические таблицы для острых и тупых углов, с шагом 30 угловых минут[1].

Параллельно с развитием тригонометрии плоскости греки, под влиянием астрономии, далеко продвинули сферическую тригонометрию[27]). Решающим этапом в развитии теории стала монография «Сферика» в трёх книгах, которую написал Менелай Александрийский (около 100 года н. э.). В первой книге он изложил теоремы о сферических треугольниках, аналогичные теоремам Евклида о плоских треугольниках (см. I книгу «Начал»). По сообщению Паппа, Менелай первым ввёл понятие сферического треугольника как фигуры, образованной отрезками больших кругов[28]. Несколько десятилетий спустя Клавдий Птолемей в своих трудах «География», «Аналемма» и «Планисферий» даёт подробное изложение тригонометрических приложений к картографии, астрономии и механике.

В IV веке, после гибели античной науки, центр развития математики переместился в Индию. Сочинения индийских математиков (сиддханты) показывают, что их авторы были хорошо знакомы с трудами греческих астрономов и геометров[29]. Чистой геометрией индийцы интересовались мало, но их вклад в прикладную астрономию и расчётные аспекты тригонометрии очень значителен. В частности, индийцы первыми ввели в использование косинус[30]. Важный вклад в развитие тригонометрии внес Брахмагупта (VII в.), открывший несколько тригонометрических соотношений, в том числе и те, которые в современной записи приняли вид[31]:

\sin^2 \alpha + \cos^2 \alpha = 1
\sin\alpha = \cos(90^\circ - \alpha)

Кроме того, индийцы знали формулы для кратных углов \sin n\varphi, \cos n\varphi для n = 2, 3, 4, 5. В «Сурья-сиддханте» и в трудах Брахмагупты при решении задач фактически используется сферический вариант теоремы синусов, однако общая формулировка этой теоремы в Индии так и не появилась[32]. В трудах другого выдающегося ученого, Бхаскары II (XII век), приводятся формулы для синуса и косинуса суммы и разности углов:

\sin (\alpha \pm \beta) = \sin\alpha \cos\beta \pm \cos\alpha \sin\beta,

а также формула для малого приращения синуса:

\sin \alpha - \sin \beta \approx (\alpha - \beta)\cos \beta

(при \alpha \approx \beta), соответствующая современному выражению для дифференциала синуса.

В VIII веке учёные стран Ближнего и Среднего Востока познакомились с трудами древнегреческих и индийских математиков и астрономов. Их астрономические трактаты, аналогичные индийским сиддхантам, назывались «зиджи»; типичный зидж представлял собой сборник астрономических и тригонометрических таблиц, снабжённый руководством по их использованию и (не всегда) изложением общей теории[33]. Сравнение зиджей периода VIII—XIII веков показывает быструю эволюцию тригонометрических знаний. Самые ранние из сохранившихся трудов принадлежат ал-Хорезми и ал-Марвази (IX век), которые рассмотрели, наряду с известными ещё индийцам синусом и косинусом, новые тригонометрические функции: тангенс, котангенс, секанс и косеканс[30].

Сабит ибн Курра (IX век) и ал-Баттани (X век) первыми открыли фундаментальную теорему синусов для частного случая прямоугольного сферического треугольника. Для произвольного сферического треугольника доказательство было найдено (разными способами и, вероятно, независимо друг от друга) Абу-л-Вафой, ал-Худжанди и ибн Ираком в конце X века[26]. В другом трактате ибн Ирака сформулирована и доказана теорема синусов для плоского треугольника[34]. Сферическая теорема косинусов в общем виде сформулирована в странах ислама не была, однако в трудах Сабита ибн Курры, ал-Баттани и других астрономов имеются эквивалентные ей утверждения[35].

Фундаментальное изложение тригонометрии как самостоятельной науки (как плоской, так и сферической) дал персидский математик и астроном Насир ад-Дин ат-Туси в 1260 году[36]. Его «Трактат о полном четырёхстороннике» содержит практические способы решения типичных задач, в том числе труднейших, решенных самим ат-Туси — например, построение сторон сферического треугольника по заданным трём углам[37]. Таким образом, к концу XIII века были открыты базовые теоремы, необходимые для эффективного решения треугольников.

В Европе развитие тригонометрической теории стало чрезвычайно важным в Новое время, в первую очередь для артиллерии, оптики и навигации при дальних морских путешествиях. В 1551 году появились 15-значные тригонометрические таблицы Ретика, ученика Коперника, с шагом 10"[38]. Потребность в сложных тригонометрических расчётах вызвала в начале XVII века открытие логарифмов, причём первые логарифмические таблицы Джона Непера содержали только логарифмы тригонометрических функций. Среди других открытий Непера — эффективный алгоритм решения сферических треугольников, получивший название «формулы аналогии Непера»[39]. Алгебраизация тригонометрии, начатая Франсуа Виетом, была завершена Леонардом Эйлером в XVIII веке, после чего алгоритмы решения треугольников приобрели современный вид.

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

Теория и алгоритмы
  • Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике. — М.: Наука, 1978.
  • Гельфанд И. М., Львовский С. М., Тоом А. Л. Тригонометрия, учебник для 10 класса. — М.: МЦНМО, 2002. — ISBN 5-94057-050-X.
  • Зайцев В. В., Рыжков В. В., Сканави М. И. Элементарная математика. Повторительный курс. — Издание третье, стереотипное. — М.: Наука, 1976. — 591 с.
  • Мензел Д. (ред.) Основные формулы физики. Глава 1. Основные математические формулы. — М.: Изд. иностранной литературы, 1957. — 658 с.
  • Основные понятия сферической геометрии и тригонометрии // Энциклопедия элементарной математики (в 5 томах). — М.: Физматгиз, 1963. — Т. 4. — С. 518-557. — 568 с.
  • Степанов Н. Н. Сферическая тригонометрия. — М.—Л.: ОГИЗ, 1948.
История
  • Глейзер Г. И. История математики в школе. VII-VIII классы. Пособие для учителей. — М.: Просвещение, 1982. — С. 76-95. — 240 с.
  • Глейзер Г. И. История математики в школе. IX-X классы. Пособие для учителей. — М.: Просвещение, 1983. — 352 с.
  • История математики под редакцией А. П. Юшкевича в трёх томах, М.: Наука.
  • Матвиевская Г. П. Очерки истории тригонометрии: Древняя Греция. Средневековый Восток. Позднее Средневековье. — Изд. 2-е. — М.: Либроком, 2012. — 160 с. — (Физико-математическое наследие: математика (история математики)). — ISBN 978-5-397-02777-9.
  • Рыбников К. А. История математики в двух томах. — М.: Изд. МГУ, 1960. — Т. I.
  • Сираждинов С. Х., Матвиевская Г. П. Абу Райхан Беруни и его математические труды. Пособие для учащихся. — М.: Просвещение, 1978. — 95 с. — (Люди науки).
  • Цейтен Г. Г. История математики в древности и в средние века. — М.-Л.: ГТТИ, 1932. — 230 с.
  • Цейтен Г. Г. История математики в XVI и XVII веках. — М.-Л.: ОНТИ, 1938. — 456 с.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Выгодский М. Я., 1978, с. 266-268.
  2. Элементарная математика, 1976, с. 487
  3. Solving Triangles. Maths is Fun. Проверено 23 июля 2014.
  4. Элементарная математика, 1976, с. 488
  5. Степанов Н. Н., 1948, с. 133.
  6. Solving SSS Triangles. Maths is Fun. Проверено 23 июля 2014. Архивировано из первоисточника 30 сентября 2012.
  7. Solving SAS Triangles. Maths is Fun. Проверено 24 июля 2014. Архивировано из первоисточника 30 сентября 2012.
  8. Solving SSA Triangles. Maths is Fun. Проверено 24 Jule 2012). Архивировано из первоисточника 30 сентября 2012.
  9. Выгодский М. Я., 1978, с. 294.
  10. Элементарная математика, 1976, с. 493—496
  11. Solving ASA Triangles. Maths is Fun. Проверено 24 июля 2014. Архивировано из первоисточника 30 сентября 2012.
  12. Степанов Н. Н., 1948, с. 87-90.
  13. Степанов Н. Н., 1948, с. 102-104.
  14. 1 2 Энциклопедия элементарной математики, 1963, с. 545.
  15. Степанов Н. Н., 1948, с. 121-128.
  16. Степанов Н. Н., 1948, с. 115-121.
  17. Степанов Н. Н., 1948, с. 128-133.
  18. Степанов Н. Н., 1948, с. 104-108.
  19. Основные формулы физики, 1957, с. 14—15.
  20. Цейтен Г. Г., 1932, с. 223-224.
  21. Цейтен Г. Г., 1938, с. 126-127.
  22. Степанов Н. Н., 1948, с. 136-137.
  23. van der Waerden, Bartel Leendert. Geometry and Algebra in Ancient Civilizations. — Springer, 1983. — ISBN 3-540-12159-5.
  24. Глейзер Г. И., 1982, с. 77.
  25. Глейзер Г. И., 1982, с. 94-95.
  26. 1 2 Матвиевская Г. П., 2012, с. 92-96.
  27. Матвиевская Г. П., 2012, с. 25-27.
  28. Матвиевская Г. П., 2012, с. 33-36.
  29. Матвиевская Г. П., 2012, с. 40-44.
  30. 1 2 Сираждинов С. Х., Матвиевская Г. П., 1978, с. 79.
  31. История математики, том I, 1970, с. 199-201.
  32. История математики в Средние века, 1961, с. 160.
  33. Матвиевская Г. П., 2012, с. 51-55.
  34. Матвиевская Г. П., 2012, с. 111.
  35. Матвиевская Г. П., 2012, с. 96-98.
  36. Туси Насирэддин. Трактат о полном четырёхстороннике. Баку, Изд. АН АзССР, 1952.
  37. Рыбников К. А., 1960, с. 105.
  38. История математики, том I, 1970, с. 320.
  39. Степанов Н. Н. §42. Формулы «аналогии Непера» // Сферическая тригонометрия. — М.—Л.: ОГИЗ, 1948. — С. 87-90. — 154 с.