კოსინუსების თეორემა

კოსინუსების თეორემა — ტრიგონომეტრიის ერთ-ერთი თეორემა, რომლის თანახმადაც სამკუთხედის გვერდის კვადრატი უდრის დანარჩენი ორი გვერდის კვადრატების ჯამს ამ გვერდისა და მათ შორის მდებარე კუთხის კოსინუსის გაორკეცებული ნამრავლის გამოკლებით. c 2 = a 2 + b 2 − 2 a b cos ⁡ γ {\displaystyle c^{2}=a^{2}+b^{2}-2ab\cos \gamma \,} b 2 = c 2 + a 2 − 2 c a cos ⁡ β {\displaystyle b^{2}=c^{2}+a^{2}-2ca\cos \beta \,} a 2 = b 2 + c 2 − 2 b c cos ⁡ α {\displaystyle a^{2}=b^{2}+c^{2}-2bc\cos \alpha \,} ბერძენი მათემატიკოსის, გეომეტრიის ფუძემდებლად წოდებული ევკლიდეს, „საწყისებში“, რომელიც ქრ.შ-მდე III საუკუნით თარიღდება, განხილულია კოსინუსების თეორემა ბლაგვკუთხა და მახვილკუთხა სამკუთხედებისთვის. ევკლიდეს დებულება შეიძლება, ნახაზიდან გამომდინარე, ასე გადმოვცეთ: A B 2 = C A 2 − C B 2 + 2 ⋅ C A ⋅ C H {\displaystyle AB^{2}=CA^{2}-CB^{2}+2\cdot CA\cdot CH\,} ეს ფორმულა შეიძლება ჩაიწეროს, როგორც კოსინუსების თეორემა, რადგან C H = C B cos ⁡ ( 180 ∘ − γ ) = − C B cos ⁡ γ {\displaystyle CH=CB\cos(180^{\circ }-\gamma )=-CB\cos \gamma \,} ევკლიდე ანალოგიურ დებულებას გადმოგვცემს მახვილკუთხა სამკუთხედებისთვისაც. საინტერესოა ის, რომ ევკლიდეს დროს არ იყო შესწავლილი ალგებრა (კერძოდ, უარყოფითი რიცხვები) და ტრიგონომეტრიული ფუნქციები, ამიტომაც ევკლიდეს დებულებებს გეომეტრიული ელფერი დაჰკრავთ. დასავლეთს კოსინუსების თეორემა ფრანსუა ვიეტმა გააცნო, რომელიც მან სავარაუდოდ დამოუკიდებლად აღმოაჩინა. თეორემამ დღევანდელი სახე XIX საუკუნის დასაწყისში მიიღო. ვთქვათ, ABC სამკუთხედში B წვეროდან AC გვერდის მიმართ გავლებულია სიმაღლე BD. სიმაღლე შეიძლება მდებარეობდეს როგორც სამკუთხედის შიგნით (შემთხვევა 1), ისე ემთხვეოდეს მის გვერდს (შემთხვევა 2), ან მდებარეობდეს სამკუთხედის გარეთ (შემთხვევა 3): შემთხვევა 1: D წერტილი A და C წერტილებს შორისაა. BCD სამკუთხედიდან B C 2 = B D 2 + D C 2 {\displaystyle BC^{2}=BD^{2}+DC^{2}\,} ABD სამკუთხედიდან B D 2 = A B 2 − A D 2 {\displaystyle BD^{2}=AB^{2}-AD^{2}\,} მაშინ B C 2 = A B 2 − A D 2 + D C 2 = A B 2 − A D 2 + ( A C − A D ) 2 = A B 2 − A D 2 + A C 2 − 2 A C ⋅ A D + A D 2 = A B 2 + A C 2 − 2 A C ⋅ A D {\displaystyle BC^{2}=AB^{2}-AD^{2}+DC^{2}=AB^{2}-AD^{2}+(AC-AD)^{2}=AB^{2}-AD^{2}+AC^{2}-2AC\cdot AD+AD^{2}=AB^{2}+AC^{2}-2AC\cdot AD\,} იმის გათვალისწინებით, რომ A D = A B cos ⁡ A {\displaystyle AD=AB\cos A\,} მიიღება: B C 2 = A B 2 + A C 2 − 2 A B ⋅ A C cos ⁡ A {\displaystyle BC^{2}=AB^{2}+AC^{2}-2AB\cdot AC\cos A\,} შემთხვევა 2: BD სიმაღლე ერთ-ერთ გვერდს ემთხვევა (ABC სამკუთხედი მართკუთხაა). მაშინ, პითაგორას თეორემის თანახმად, B C 2 = A B 2 + A C 2 {\displaystyle BC^{2}=AB^{2}+AC^{2}\,} რადგან cos ⁡ 90 ∘ = 0 {\displaystyle \cos 90^{\circ }=0} ეს ტოლობა ასეც შეიძლება ჩაიწეროს: B C 2 = A B 2 + A C 2 − 2 A B ⋅ A C cos ⁡ A {\displaystyle BC^{2}=AB^{2}+AC^{2}-2AB\cdot AC\cos A\,} შემთხვევა 3: C წერტილი A და D წერტილებს შორისაა. CBD სამკუთხედიდან: B C 2 = B D 2 + C D 2 {\displaystyle BC^{2}=BD^{2}+CD^{2}\,} ABD სამკუთხედიდან B D 2 = A B 2 − A D 2 {\displaystyle BD^{2}=AB^{2}-AD^{2}\,} მაშინ B C 2 = A B 2 − A D 2 + C D 2 = A B 2 − A D 2 + ( A D − A C ) 2 = A B 2 − A D 2 + A D 2 − 2 A D ⋅ A C + A C 2 = A B 2 + A C 2 − 2 A D ⋅ A C {\displaystyle BC^{2}=AB^{2}-AD^{2}+CD^{2}=AB^{2}-AD^{2}+(AD-AC)^{2}=AB^{2}-AD^{2}+AD^{2}-2AD\cdot AC+AC^{2}=AB^{2}+AC^{2}-2AD\cdot AC\,} იმის გათვალისწინებით, რომ A D = A B cos ⁡ A {\displaystyle AD=AB\cos A\,} მიიღება: B C 2 = A B 2 + A C 2 − 2 A B ⋅ A C cos ⁡ A {\displaystyle BC^{2}=AB^{2}+AC^{2}-2AB\cdot AC\cos A\,} თეორემა დამტკიცებულია ყველა შესაძლო შემთხვევისთვის. კოსინუსების თეორემა გამოიყენება სამკუთხედების ამოხსნისას (მისი ყველა ელემენტის პოვნისას). მაგალითად, როდესაც მოცემულია სამკუთხედის ყველა გვერდი, შეგვიძლია ვიპოვოთ მისი ყველა კუთხე. კოსინუსების თეორემიდან ვიღებთ, რომ cos ⁡ α = b 2 + c 2 − a 2 2 b c {\displaystyle \cos \alpha ={b^{2}+c^{2}-a^{2} \over 2bc}} cos ⁡ β = a 2 + c 2 − b 2 2 a c {\displaystyle \cos \beta ={a^{2}+c^{2}-b^{2} \over 2ac}} cos ⁡ γ = a 2 + b 2 − c 2 2 a b {\displaystyle \cos \gamma ={a^{2}+b^{2}-c^{2} \over 2ab}} ცხადია, კოსინუსების თეორემას ვიყენებთ მაშინაც, როდესაც ცნობილია სამკუთხედის ორი გვერდი და მათ შორის მდებარე კუთხე. ამ დროს მესამე გვერდი იქნება: c = a 2 + b 2 − 2 a b cos ⁡ γ {\displaystyle c={\sqrt {a^{2}+b^{2}-2ab\cos \gamma }}} როცა a=b, ანუ როდესაც სამკუთხედი ტოლფერდაა, სამკუთხედის წვეროს პოვნის ფორმულა მნიშვნელოვანწილად მარტივდება. როგორც ვიცით cos ⁡ γ = a 2 + b 2 − c 2 2 a b {\displaystyle \cos \gamma ={a^{2}+b^{2}-c^{2} \over 2ab}} რადგან a 2 + b 2 = 2 a 2 = 2 a b {\displaystyle a^{2}+b^{2}=2a^{2}=2ab\,} მაშინ cos ⁡ γ = 2 a b − c 2 2 a b = 1 − c 2 2 a b = 1 − c 2 2 a 2 {\displaystyle \cos \gamma ={2ab-c^{2} \over 2ab}=1-{c^{2} \over 2ab}=1-{c^{2} \over 2a^{2}}} სინუსების თეორემა ტანგესების თეორემა ქართული საბჭოთა ენციკლოპედია, ტ. 5, თბ., 1980. — გვ. 683.