Теорема синусів
~15 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань
Теорема синусів a / sin A = b / sin B = c / sin C = 2R: знаходження сторони чи кута трикутника за парою «сторона — протилежний кут» і радіуса описаного кола. Синуси тупих кутів (120°, 135°, 150°) за формулою sin(180° − α) = sin α.
Досі в курсі геометрії ти переважно мав справу з гострими кутами — їхні синуси, косинуси й тангенси ти вивчав у прямокутному трикутнику. Але в довільному трикутнику один із кутів може бути тупим (більшим за 90°). Наприклад, у трикутнику з кутами 105°, 45° і 30° перший кут тупий. Синус тупого кута так само потрібен для розв'язування трикутників, і він завжди додатний.
Формула зведення, яку ти знайдеш у довідкових матеріалах НМТ, каже:
Це означає, що синус тупого кута дорівнює синусу доповняльного до 180° гострого кута. Наприклад:
Кут 90° — не гострий і не тупий, а прямий. Його синус дорівнює 1, і це також узгоджується з формулою: .
Чому синус тупого кута додатний?
На одиничному колі синус кута — це координата y точки на колі. Для кутів від 0° до 180° ця координата невід'ємна. У трикутнику кути лежать у межах від 0° до 180° (сума кутів 180°), тому синус будь-якого кута трикутника — додатне число. Це важливо пам'ятати: коли обчислюєш синус кута 120°, ти не отримаєш від'ємного значення.
Однакові синуси — різні кути
Оскільки , один і той самий синус можуть мати два різні кути: гострий і тупий . Наприклад, . Це явище породжує неоднозначність, яку ти навчишся розв'язувати далі в цьому юніті.
Таблиця синусів опорних кутів
Для успішного застосування теореми синусів тобі потрібно швидко називати синуси таких кутів. Вивчи цю таблицю — вона буде інструментом для всіх задач юніта:
Кут | 30° | 45° | 60° |
|---|---|---|---|
sin | 1/2 | √2/2 | √3/2 |
Кут | 90° | 120° | 135° |
sin | 1 | √3/2 | √2/2 |
Кут | 150° | ||
sin | 1/2 |
Зверни увагу: sin 120° = sin 60° = √3/2, а sin 150° = sin 30° = 1/2. Це прямі наслідки формули зведення.
Теорема синусів — одне з найпотужніших тверджень планіметрії. Вона пов'язує сторони трикутника з синусами протилежних кутів і з радіусом описаного кола.
Формулювання
Для довільного трикутника ABC зі сторонами a, b, c (a лежить проти кута A, b — проти B, c — проти C) і радіусом описаного кола R виконується:
Цю формулу ти знайдеш у довідкових матеріалах НМТ. Кожен із трьох дробів дорівнює діаметру описаного кола. Рівність справджується для будь-якого трикутника — гострокутного, прямокутного чи тупокутного.
Сторони пропорційні синусам, а не кутам
Часта помилка — вважати, що сторони відносяться як кути. Це не так. Сторони відносяться як синуси протилежних кутів. Наприклад, якщо кути трикутника дорівнюють 30° і 60°, то відношення протилежних сторін дорівнює , а не 1 : 2. Проти більшого кута справді лежить більша сторона, але пряма пропорційність кутів не працює.
Радіус описаного кола через сторону й протилежний кут
З рівності одразу отримуємо спосіб знайти радіус описаного кола:
Розгляньмо кілька прикладів:
Сторона 10 лежить проти кута 30°. Тоді .
Сторона 6 лежить проти кута 120°. Маємо .
Гіпотенуза прямокутного трикутника дорівнює 8, а прямий кут 90°. Тоді . Це відома властивість: у прямокутному трикутнику радіус описаного кола дорівнює половині гіпотенузи.
Обернена задача: сторона через радіус і кут
Формулу можна переписати як . Якщо відомі радіус описаного кола й кут, протилежний шуканій стороні, то сторону знаходять множенням.
Приклад: R = 5, ∠A = 45°. Тоді .
Приклад: R = 6, ∠B = 60°. Тоді .
Теорема синусів — універсальний інструмент, але вона підходить не для всіх задач. Навчися розпізнавати ситуації, у яких вона працює, і ті, де вона безсила.
Випадок 1. Відомі два кути й сторона
Це найпростіший випадок. Знаючи два кути, завжди можна знайти третій як 180° − (A + B). Після цього маєш три кути й одну сторону — решту сторін знаходиш пропорцією.
Приклад: ∠A = 45°, ∠B = 60°, a = 6√2. Спершу знаходимо ∠C = 180° − 45° − 60° = 75°. Але нам потрібна сторона b, яка лежить проти кута B. Складаємо пропорцію:
Випадок 2. Відомі дві сторони й кут проти однієї з них
Тут треба бути обережним — можлива неоднозначність. Нехай a = 6, b = 6√2, ∠A = 30°. За теоремою синусів:
Оскільки , можливі два варіанти: ∠B = 45° або ∠B = 135°. Перевіряємо:
Якщо ∠B = 45°, то ∠C = 180° − 30° − 45° = 105° — трикутник існує.
Якщо ∠B = 135°, то ∠C = 180° − 30° − 135° = 15° — трикутник також існує.
Отже, маємо два різні трикутники — обидва задовольняють умову. Це називають «неоднозначним випадком» (або «випадком двох розв'язків»).
Інша ситуація: a = 10, b = 5, ∠A = 30°. Тоді:
∠B = arcsin(0,25) ≈ 14,5°. Тупий варіант 180° − 14,5° = 165,5° неможливий, бо 30° + 165,5° > 180°. До того ж сторона b = 5 менша за a = 10, а проти меншої сторони лежить менший кут, тому ∠B має бути меншим за ∠A = 30°. Отже, ∠B лише гострий.
Коли теорема синусів не допомагає
Якщо в умові дано дві сторони й кут між ними (наприклад, a, b і ∠C), у тебе немає жодної повної пари «сторона — протилежний кут». Ти не знаєш, який кут лежить проти a чи проти b. У цьому випадку застосовують теорему косинусів — вона є темою наступного юніта.
Так само теорема синусів не допомагає, коли відомі три сторони й потрібно знайти кути — тут теж потрібна теорема косинусів.
Розгляньмо чотири типові задачі НМТ, які охоплюють різні випадки застосування теореми синусів.
Приклад 1. Радіус описаного кола за стороною й кутом
У трикутнику ABC BC = 12, ∠A = 30°. Знайдіть радіус кола, описаного навколо трикутника.
Розв'язання. Сторона BC лежить проти кута A. За теоремою синусів . Звідси .
Відповідь: 12.
Типові помилки:
Вибір 6 — забули, що в знаменнику 2·sin A, а не просто sin A (тобто поділили 12 на 2, а не на 2·½ = 1).
Вибір 24 — знайшли 2R, а не R.
Вибір 4√3 або 6√3 — помилково використали sin 60° замість sin 30° або переплутали формулу.
Приклад 2. Сторона за двома кутами й стороною
У трикутнику ABC ∠A = 45°, ∠B = 30°, BC = 7√2. Знайдіть AC.
Розв'язання. Позначимо сторони: BC = a (проти кута A), AC = b (проти кута B). За теоремою синусів:
Відповідь: 7.
Пастка: якщо переставити синуси (взяти замість правильного співвідношення), отримаєш 14 — це невірно.
Приклад 3. Прикладна задача (тупий кут)
Щоб знайти відстань від точки A на березі до буя C, на березі відклали AB = 40 м і виміряли ∠CAB = 105°, ∠CBA = 45°. Знайдіть AC.
Розв'язання. Трикутник ABC: AB = 40 м (лежить проти кута C), шукаємо AC (лежить проти кута B). Спершу знайдемо кут C:
∠C = 180° − 105° − 45° = 30°.
Тепер за теоремою синусів:
Відповідь: 40√2 м.
Зверни увагу: ∠CAB = 105° — тупий кут, але в пропорції використано кут C = 30°, який гострий. Синус тупого кута 105° знадобився б, якби ми шукали сторону BC. Тут ми його уникнули, обчисливши третій кут.
Дистрактори: 20√2 м (поділили на 2 зайвий раз), 80 м (знайшли AB / sin 30° = 2R = 80 і забули помножити на sin 45°), 40√3 м (переплутали sin 60° і sin 45°), 20√6 м (комбінація кількох помилок).
Приклад 4. Радіус через третій кут
Два кути трикутника дорівнюють 75° і 60°, а сторона, що лежить проти третього кута, дорівнює 10√2. Знайдіть радіус описаного кола.
Розв'язання. Третій кут: 180° − 75° − 60° = 45°. Сторона a = 10√2 лежить проти кута A = 45°. За теоремою синусів:
Звідси R = 20 / 2 = 10.
Відповідь: 10.
Пастка: якщо зупинитися на 2R = 20 і записати 20, відповідь буде неправильною і ти втратиш обидва бали: часткових балів за коротку відповідь не нараховують. Уважно читай, що саме питають — R, а не 2R.
Розгляньмо найпоширеніші помилки, які трапляються в задачах на теорему синусів. Знаючи їх, ти зможеш свідомо їх уникати.
Беруть кут, прилеглий до сторони, а не протилежний. У теоремі синусів кожна сторона ділиться на синус протилежного кута, а не прилеглого. Наприклад, для сторони BC потрібен ∠A, а не ∠B чи ∠C. Завжди підписуй на рисунку, який кут проти якої сторони лежить.
Вважають a / sin A рівним R, а не 2R. Формула каже, що дріб дорівнює діаметру (2R), а не радіусу. Якщо ти знайшов 2R = 20, не забудь поділити на 2, щоб отримати R = 10.
Вважають, що сторони відносяться як кути. Наприклад, при кутах 30° і 60° вважають, що сторони відносяться як 1 : 2. Насправді відношення дорівнює sin 30° : sin 60° = 1/2 : √3/2 = 1 : √3.
Для тупого кута беруть неправильний синус. Поширені помилки: sin 120° = −√3/2 (синус тупого кута в трикутнику завжди додатний!) або sin 120° = 1/2 (плутають із sin 150°). Користуйся формулою зведення: sin 120° = sin 60° = √3/2.
Знаходячи кут за синусом, пропускають тупий розв'язок або не відкидають неможливий. Якщо sin B = 1/2, то B = 30° або B = 150°. Обидва варіанти треба перевірити: сума з відомим кутом не має перевищувати 180°. Якщо A = 50°, то B = 150° неможливий (50° + 150° > 180°). Якщо A = 20°, то обидва кути можливі.
Застосовують теорему синусів, коли відомі дві сторони й кут між ними. У цій ситуації немає пари «сторона — протилежний кут» з двома відомими. Потрібна теорема косинусів.
Теорема синусів входить до теми «Трикутники» програми НМТ (рівень стандарту). Уміння, яке перевіряють, — розв'язувати трикутники, тобто знаходити невідомі сторони, кути та радіус описаного кола.
Довідкові матеріали
На НМТ ти отримаєш довідку, у якій теорему синусів подано разом із 2R:
Там само буде формула зведення sin(180° − α) = sin α і таблиця значень синуса для кутів 30°, 45°, 60°, 90°. Значення для 120°, 135°, 150° ти виводитимеш за формулою зведення. Отже, на тесті ти не мусиш пам'ятати всі значення напам'ять — достатньо вміти швидко скористатися довідкою.
Форми завдань
У цьому юніті ти зустрінеш завдання двох форматів:
Вибір однієї відповіді з п'яти (завдання 1–15, 0 або 1 бал). Тобі запропонують п'ять варіантів (А–Д), з яких лише один правильний. Уважно перевіряй обчислення — дистрактори часто побудовані на типових помилках.
Коротка відповідь (завдання 19–22, 0 або 2 бали). Відповідь записують лише десятковим дробом (наприклад, 7 або 10). Якщо в розв'язку з'являється корінь, він має скоротитися — інакше це не завдання на коротку відповідь. Саме тому в прикладі 2 відповідь 7, а в прикладі 4 — 10, хоча проміжні обчислення містили √2.
Стратегія розв'язання
Ось робочий алгоритм, який варто застосувати до будь-якої задачі на теорему синусів:
Познач на рисунку (або уяви) сторони й протилежні їм кути: a проти A, b проти B, c проти C.
Знайди пару «сторона — протилежний кут», де відомі обидва елементи. Саме від цієї пари будуватимеш пропорцію.
Склади пропорцію з двох дробів (або скористайся рівністю 2R) і розв'яжи рівняння.
Перевір, чи не потрібно додатково знайти третій кут (сума 180°), і чи не виникає неоднозначність із тупим кутом.
Як зрозуміти, що задачу розв'язують саме теоремою синусів?
Теорему синусів застосовують, коли у трикутнику відома хоча б одна пара «сторона — протилежний кут» (обидва числа). Якщо до цього додається ще один кут або ще одна сторона — можна скласти пропорцію. Ключовий сигнал: в умові згадано радіус описаного кола або сторона й кут, що лежить навпроти.
Чому синус тупого кута додатний?
Синус кута в трикутнику — це координата y точки на одиничному колі. Для всіх кутів від 0° до 180° ця координата невід'ємна. У трикутнику кути завжди менші за 180°, а їхня сума дорівнює 180°, тому жоден кут не може бути 180° чи більше. Отже, синус будь-якого кута трикутника — додатний.
Що означає 2R у теоремі синусів?
2R — це діаметр кола, описаного навколо трикутника. R — радіус цього кола. Кожен із дробів a / sin A, b / sin B, c / sin C дорівнює тому самому числу — діаметру описаного кола. Тому якщо знаєш сторону й протилежний кут, можеш одразу знайти радіус: R = a / (2 sin A).
Що робити, якщо за синусом вийшло два можливі кути?
Спочатку запиши обидва варіанти: гострий кут α і тупий 180° − α. Потім перевір, чи сума кожного з них з уже відомим кутом (або кутами) не перевищує 180°. Якщо сума більша за 180° — такий варіант неможливий. Якщо обидва варіанти дають суму менш як 180° — трикутник існує в обох випадках (це називають неоднозначним випадком). Додаткова підказка: якщо сторона, проти якої лежить шуканий кут, не найбільша, то кут — гострий.
Чи можна теоремою синусів знайти третю сторону за двома сторонами й кутом між ними?
Ні. У цьому випадку ти не маєш пари «сторона — протилежний кут» з двома відомими. Наприклад, знаючи a, b і кут C між ними, ти не знаєш, який кут лежить проти a чи b. Для такої задачі потрібна теорема косинусів — вона спеціально створена для випадку «дві сторони й кут між ними».
Теорема синусів: — формула є в довідці НМТ.
Пропорцію складають з пар «сторона — протилежний кут». Не переплутай, який кут проти якої сторони.
Радіус описаного кола: . Обернено: .
Синус тупого кута: . Значення: sin 120° = √3/2, sin 135° = √2/2, sin 150° = 1/2. Синус будь-якого кута трикутника додатний.
Коли застосовувати: два кути й сторона — так, теорема синусів; дві сторони й кут між ними — ні, потрібна теорема косинусів (наступний юніт).
Неоднозначність: якщо sin B = k, то B = α або B = 180° − α. Перевіряй, чи існує трикутник із таким кутом.