Định lý cos

Bài này viết về Định lý cos trong hình học Euclid. Đối với định lý cos trong quang học, xem Định lý cos của Lambert.

Hình 1 – Một tam giác với các góc α (hoặc A), β (hoặc B), γ (hoặc C) lần lượt đối diện với các cạnh a, b, c.

Trong lượng giác, Định lý cos (hay công thức cosine, luật cosine hoặc Định lý al-Kashi^[1]) biểu diễn sự liên quan giữa chiều dài của các cạnh của một tam giác với cosin của góc tương ứng. Sử dụng các kí hiệu trong Hình 1, ta có thể phát biểu định lý cos dưới dạng công thức như sau:

${\displaystyle c^{2}=a^{2}+b^{2}-2ab\cos \gamma \,}$

Định lý cos được biểu diễn tương tự cho hai cạnh còn lại:

${\displaystyle a^{2}=b^{2}+c^{2}-2bc\cos \alpha \,}$

${\displaystyle b^{2}=a^{2}+c^{2}-2ac\cos \beta \,}$

Định lý cos là trường hợp tổng quát của định lý Pythagoras khi mà định lý này chỉ đúng trong tam giác vuông, khi mà góc γ là một góc vuông, từ đó dẫn tới ${\displaystyle \cos \gamma =0}$ và khiến cho định lý cos suy biến trở thành định lý Pythagoras:

${\displaystyle c^{2}=a^{2}+b^{2}}$

Định lý này được sử dụng để tính một cạnh chưa biết của tam giác - khi biết được hai cạnh còn lại và góc đối cạnh đó.

Hình 2 – Tam giác tù ABC với đường cao BH

Ứng dụng

Hình 3 – Ứng dụng của định lý cos: tìm cạnh chưa biết và góc chưa biết.

Định lý cos được dùng trong phép đạc tam giác để giải một tam giác hoặc một đường tròn. Ví dụ trong Hình 3, định lý cos được dùng để tìm:

• cạnh thứ ba của một tam giác nếu đã biết hai cạnh còn lại và góc giữa chúng:

${\displaystyle \,c={\sqrt {a^{2}+b^{2}-2ab\cos \gamma }}\,;}$

• ba góc nếu biết ba cạnh của tam giác

${\displaystyle \,\gamma =\arccos \left({\frac {a^{2}+b^{2}-c^{2}}{2ab}}\right)\,;}$

• cạnh thứ ba nếu biết hai cạnh còn lại và góc đối diện một trong hai cạnh đó:

${\displaystyle \,a=b\cos \gamma \pm {\sqrt {c^{2}-b^{2}\sin ^{2}\gamma }}\,.}$

Công thức thứ ba có được nhờ giải phương trình bậc hai a² − 2ab cos γ + b² − c² = 0 với ẩn a. Phương trình này có hai nghiệm dương nếu b sin γ < c < b, một nghiệm dương nếu c ≥ b hoặc c = b sin γ, và vô nghiệm nếu c < b sin γ.

Chứng minh

Sử dụng công thức tính khoảng cách

Trong hệ tọa độ Descartes, cho tam giác ABC có ba cạnh a, b, c và γ là góc đối diện cạnh c với tọa độ ba đỉnh lần lượt là

${\displaystyle A=(b\cos \gamma ,\ b\sin \gamma ),\ B=(a,\ 0),\ C=(0,\ 0)\,.}$

Sử dụng công thức tính khoảng cách, ta có

${\displaystyle c={\sqrt {(a-b\cos \gamma )^{2}+(0-b\sin \gamma )^{2}}}\,.}$

do đó

${\displaystyle {\begin{aligned}c^{2}&{}=(a-b\cos \gamma )^{2}+(-b\sin \gamma )^{2}\\c^{2}&{}=a^{2}-2ab\cos \gamma +b^{2}\cos ^{2}\gamma +b^{2}\sin ^{2}\gamma \\c^{2}&{}=a^{2}+b^{2}(\sin ^{2}\gamma +\cos ^{2}\gamma )-2ab\cos \gamma \\c^{2}&{}=a^{2}+b^{2}-2ab\cos \gamma \,.\end{aligned}}}$

Công thức này sử dụng được cả trường hợp tam giác nhọn và tam giác tù.

Sử dụng công thức lượng giác

Hình 4 - Tam giác nhọn và đường cao

Hạ đường cao tương ứng với cạnh c như hình 4 ta có

${\displaystyle c=a\cos \beta +b\cos \alpha \,.}$

(Công thức trên vẫn đúng nếu α hoặc β là góc tù, khi đó đường cao nằm ngoài tam giác và cos α hoặc cos β mang dấu âm). Nhân hai vế với c ta được

${\displaystyle c^{2}=ac\cos \beta +bc\cos \alpha .\,}$

Tương tự ta có

${\displaystyle a^{2}=ac\cos \beta +ab\cos \gamma ,\,}$

${\displaystyle b^{2}=bc\cos \alpha +ab\cos \gamma .\,}$

Cộng vế theo vế hai phương trình sau ta có

${\displaystyle a^{2}+b^{2}=ac\cos \beta +bc\cos \alpha +2ab\cos \gamma .\,}$

Trừ vế theo vế phương trình đầu ta có

${\displaystyle a^{2}+b^{2}-c^{2}=-ac\cos \beta -bc\cos \alpha +ac\cos \beta +bc\cos \alpha +2ab\cos \gamma \,}$

đơn giản còn

${\displaystyle c^{2}=a^{2}+b^{2}-2ab\cos \gamma .\,}$

Sử dụng định lý Pytago

Hình 5 – Tam giác tù ABC với đường cao BH

Trường hợp tam giác tù. Euclid chứng minh đinh lý bằng cách áp dụng Định lý Pytago cho hai tam giác vuông trong Hình 5. Đặt CH = d và BH = h, trong tam giác AHB ta có

${\displaystyle c^{2}=(b+d)^{2}+h^{2},\,}$

và trong tam giác CHB ta có

${\displaystyle d^{2}+h^{2}=a^{2}.\,}$

Khai triển đa thức phương trình đầu tiên:

${\displaystyle c^{2}=b^{2}+2bd+d^{2}+h^{2}.\,}$

thế phương trình thứ hai vào:

${\displaystyle c^{2}=a^{2}+b^{2}+2bd.\,}$

Đây là mệnh đề 12 của Euclid trong tập 2 của bộ Cơ sở.^[2] Chú ý rằng

${\displaystyle d=a\cos(\pi -\gamma )=-a\cos \gamma .\,}$

Trường hợp tam giác nhọn. Được chứng minh trong mệnh đề 13 của Euclid ngay sau mệnh đề 12: ông áp dụng Định lý Pytago cho hai tam giác vuông có được bằng cách kẻ đường cao tương ứng với một trong hai cạnh kề góc γ và đơn giản bằng nhị thức.

Hình 6 – Chứng minh bằng lượng giác trong trường hợp tam giác nhọn

Cách khác trong trường hợp tam giác nhọn. Dựa vào Hình 6 ta có:

${\displaystyle {\begin{aligned}c^{2}&{}=(b-a\cos \gamma )^{2}+(a\sin \gamma )^{2}\\&{}=b^{2}-2ab\cos \gamma +a^{2}\cos ^{2}\gamma +a^{2}\sin ^{2}\gamma \\&{}=b^{2}+a^{2}-2ab\cos \gamma ,\end{aligned}}}$

với lưu ý rằng

${\displaystyle \cos ^{2}\gamma +\sin ^{2}\gamma =1.\,}$

Cũng từ Hình 6 ta có:

${\displaystyle \tan \alpha ={\frac {a\sin \gamma }{b-a\cos \gamma }}}$

Công thức này được dùng để tính một góc khi biết hai cạnh và góc xen giữa hai cạnh đó.

Sử dụng định lý Ptolemy

Chứng minh định lý cos bằng định lý Ptolemy

Vẽ đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC. Dựng tam giác ABD bằng tam giác ABC với AD = BC và BD = AC. Hạ đường cao từ D và C, cắt AB lần lượt tại E và F. Ta có:

${\displaystyle {\begin{aligned}&BF=AE=BC\cos {\hat {B}}=a\cos {\hat {B}}\\\Rightarrow \ &DC=EF=AB-2BF=c-2a\cos {\hat {B}}.\end{aligned}}}$

Áp dụng định lý Ptolemy cho tứ giác nội tiếp ABCD:

${\displaystyle {\begin{aligned}&AD\times BC+AB\times DC=AC\times BD\\\Rightarrow \ &a^{2}+c(c-2a\cos {\hat {B}})=b^{2}\\\Rightarrow \ &a^{2}+c^{2}-2ac\cos {\hat {B}}=b^{2}.\end{aligned}}}$

Trong tam giác cân

Trong tam giác cân, do ${\displaystyle a=b}$ nên ${\displaystyle a^{2}+b^{2}=2a^{2}=2ab}$, định lí cos trở thành:

${\displaystyle c^{2}=2a^{2}(1-\cos \gamma ).\;}$

hay

${\displaystyle \cos \gamma =1-{\frac {c^{2}}{2a^{2}}}}$

Sự tương đồng trong hình tứ diện

Cho một tứ diện với α, β, γ, δ là diện tích bốn mặt của tứ diện đó. Ký hiệu các góc nhị diện là ${\displaystyle \scriptstyle {{\widehat {\beta \gamma }},}}$ và tương tự, ta có^[3]

${\displaystyle \alpha ^{2}=\beta ^{2}+\gamma ^{2}+\delta ^{2}-2\left(\beta \gamma \cos \left({\widehat {\beta \gamma }}\right)+\gamma \delta \cos \left({\widehat {\gamma \delta }}\right)+\delta \beta \cos \left({\widehat {\delta \beta }}\right)\right).\,}$

Định lý cos trong hình học phi Euclid

Bài chi tiết: Định luật cos (cầu) và Định luật cos (hyperbol)

Xem thêm

• Phép đạc tam giác
• Định lý sin
• Định lý tang
• Định lý cotang
• Công thức Mollweide
• Công thức nửa cạnh
• Đẳng thức lượng giác

Tham khảo

1. Pickover, Clifford A. (2009). The math book. New York, NY. ISBN 978-1-4027-5796-9. OCLC 262694306.
2. Java applet version by Prof. D E Joyce of Clark University.
3. Casey, John (1889). A Treatise on Spherical Trigonometry: And Its Application to Geodesy and Astronomy with Numerous Examples. London: Longmans, Green, & Company. tr. 133.