משפט הקוסינוסים

מתוך המכלול, האנציקלופדיה היהודית
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש
המחשת משפט הקוסינוסים

משפט הקוסינוסים הוא משפט טריגונומטרי שמציין את הקשר בין צלעות משולש לאחת מזוויותיו. המשפט הוא הכללה של משפט פיתגורס למשולש כלשהו.

עבור משולש שצלעותיו הן והזווית שמול היא , משפט הקוסינוסים קובע:

משפט פיתגורס מתקבל במקרה הפרטי שבו ולכן .

היסטוריה

משפט הקוסינוסים במשולש חד-זווית

משפט הקוסינוסים מופיע כבר בספר 'יסודות' של אוקלידס מהמאה ה-3 לפנה"ס. הספר מכיל גרסה גאומטרית, ללא שימוש בפונקציות טריגונומטריות (כיוון שטרם הוגדרו). המשפט מופיע בכרך 2 של ה'יסודות' כמשפט 12 עבור משולש קהה-זווית וכמשפט 13 עבור משולש חד-זווית.

בציור משמאל, גרסת המשפט עבור משולש חד-זווית: .

מכיוון ש- מתקבל משפט הקוסינוסים בגרסתו המוכרת. גרסה זו נוסחה בימי הביניים בעקבות פיתוחו של ענף הטריגונומטריה על ידי מתמטיקאים מוסלמים.

בתחילת המאה ה-10 האסטרונום והמתמטיקאי המוסלמי אל-בתאני הכליל את המשפט לגאומטריה ספירית. הכללה זו אפשרה לו לחשב את המרחק הזוויתי בין כוכבים.

המתמטיקאי ג'משיד אל-קאשי מסמרקנד בן המאה ה-15 חישב ערכים של פונקציות טריגונומטריות. חישוביו הפכו את משפט הקוסינוסים ממשפט תאורטי למשפט שימושי. בצרפתית משפט הקוסינוסים נקרא משפט אל-קאשי.

הוכחות

הוכחה טריגונומטרית

הוכחה טריגונומטרית במשולש חד-זווית
  1. נעביר גובה לצלע (ראו ציור משמאל)
    (השוויון נכון גם עבור משולש קהה זווית. שם האנך חותך את מחוץ למשולש וקוסינוס הזווית הקהה הוא שלילי).
  2. נכפיל את השוויון הקודם ב- ונקבל .
  3. באותו אופן מקבלים .
  4. מחיבור שתי המשוואות הנ"ל נקבל .
  5. לאחר העברת אגפים נקבלל .
  6. לפי השלב השני בהוכחה, אגף שמאל של המשוואה האחרונה שווה ל- ומתקבל משפט הקוסינוסים: .

הוכחה זו כאמור, נכונה עבור משולש כלשהו. בהוכחות רבות הנעזרות בטריגונומטריה, נעשית הפרדה בין משולשים חדי-זווית למשולשים קהי-זווית.

שימוש במשפט פיתגורס

Law of cosines proof.png

ניקח משולש בעל צלעות ובעל זוויות ממול לכל צלע בהתאמה. נוריד גובה מקודקוד הזווית לצלע . את המשוואה נקבל באמצעות משפט פיתגורס על המשולש ישר הזווית השמאלי:

היות ש: .

שימוש במשפט תלמי

Ptolemy cos.svg

את שצלעותיו , נחסום במעגל, כפי שניתן לראות בשרטוט משמאל.

נבנה החופף למשולש המקורי: . מהקודקודים נעביר גבהים החותכים את הצלע בנקודות בהתאמה.

כעת, ממשפט תלמי נקבל:

שימוש באנליזה וקטורית

איור להוכחה

את המשפט קל להוכיח באמצעות חשבון וקטורים. וקטור הוא גודל לינארי מופשט הקיים במרחב וקטורי. על וקטורים במישור ניתן לחשוב כעל חצים בעלי אורך וכיוון, ובאמצעותם לייצג צורות גאומטריות, ובפרט מצולעים כגון משולש.

קל לראות מהאיור כי .

נשתמש במכפלה סקלרית ונקבל:

שכן הזווית שמול הצלע במשולש שווה לזווית בין הווקטורים (שכן הן זוויות בין ישרים מקבילים הנוצרים מהעתקה מקבילה של הווקטור ).

ראו גם

קישורים חיצוניים

Logo hamichlol 3.png
הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0