15.3 Zastosowanie twierdzenia sinusów i twierdzenia cosinusów do rozwiązywania zadań
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Rozwiąż trójkąt równoramienny \(ABC\), w którym ramiona \(|AC| = |BC|\), podstawa \(|AB| = 12\), a promień okręgu opisanego na tym trójkącie jest równy \(10\). Kąty podaj w pełnych stopniach.
Zadanie ma dwa rozwiązania:
- Trójkąt ostrokątny: ramiona \(|AC| = |BC| = 6\sqrt{10}\), kąty przy podstawie \(\alpha = \beta \approx 72^\circ\), kąt przy wierzchołku \(\gamma \approx 37^\circ\).
- Trójkąt rozwartokątny: ramiona \(|AC| = |BC| = 2\sqrt{10}\), kąty przy podstawie \(\alpha = \beta \approx 18^\circ\), kąt przy wierzchołku \(\gamma \approx 143^\circ\).
Wskazówki:
- Środek okręgu opisanego na trójkącie równoramiennym leży na symetralnej jego podstawy, która zawiera również wysokość opuszczoną z wierzchołka \(C\).
- Z twierdzenia sinusów zachodzi zależność \(\dfrac{|AB|}{\sin\gamma} = 2R\). Równanie \(\sin\gamma = 0{,}6\) w przedziale \((0^\circ, 180^\circ)\) posiada dwa rozwiązania: kąt ostry lub kąt rozwarty.
- Rozważ dwa możliwe położenia środka okręgu: wewnątrz trójkąta (trójkąt ostrokątny, \(h = R + d\)) oraz na zewnątrz trójkąta (trójkąt rozwartokątny, \(h = R - d\)).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Wyznaczenie odległości środka okręgu opisanego od podstawy trójkąta:
Niech punkt \(D\) będzie środkiem podstawy \(AB\). Wówczas odcinek \(AD\) ma długość równą połowie podstawy: $$|AD| = \dfrac{|AB|}{2} = \dfrac{12}{2} = 6$$ Środek okręgu opisanego \(O\) leży na symetralnej odcinka \(AB\). Trójkąt \(ADO\) jest prostokątny z przeciwprostokątną równą promieniowi okręgu \(|AO| = R = 10\). Odległość \(d = |OD|\) obliczamy z twierdzenia Pitagorasa: $$ \begin{aligned} d^2 + |AD|^2 &= R^2 \\ d^2 + 6^2 &= 10^2 \\ d^2 + 36 &= 100 \\ d^2 &= 64 \implies d = 8 \end{aligned} $$ -
Wyznaczenie miary kąta przy wierzchołku \(C\) z twierdzenia sinusów:
Stosujemy twierdzenie sinusów dla boku \(AB\) i kąta leżącego naprzeciwko niemu (\(\gamma = \angle ACB\)): $$ \begin{aligned} \dfrac{|AB|}{\sin\gamma} &= 2R \\ \sin\gamma &= \dfrac{|AB|}{2R} \\ \sin\gamma &= \dfrac{12}{2 \cdot 10} = \dfrac{12}{20} = 0{,}6 \end{aligned} $$ Dla kątów w trójkącie (\(\gamma \in (0^\circ, 180^\circ)\)) istnieją dwie możliwości:- Przypadek I (kąt ostry): \(\gamma \approx 36{,}87^\circ \approx 37^\circ\), co oznacza, że środek okręgu leży wewnątrz trójkąta.
- Przypadek II (kąt rozwarty): \(\gamma = 180^\circ - 36{,}87^\circ = 143{,}13^\circ \approx 143^\circ\), co oznacza, że środek okręgu leży na zewnątrz trójkąta.
-
Przypadek I – trójkąt ostrokątny (\(\gamma \approx 37^\circ\)):
Gdy środek okręgu leży wewnątrz trójkąta, wysokość \(h_1 = |CD|\) jest sumą promienia \(R\) i odległości \(d\): $$h_1 = R + d = 10 + 8 = 18$$ Długość ramienia \(b_1 = |AC| = |BC|\) obliczamy z twierdzenia Pitagorasa w trójkącie prostokątnym \(ADC\): $$ \begin{aligned} b_1 &= \sqrt{h_1^2 + |AD|^2} \\ &= \sqrt{18^2 + 6^2} \\ &= \sqrt{324 + 36} \\ &= \sqrt{360} = 6\sqrt{10} \end{aligned} $$ Kąty przy podstawie \(\alpha\) i \(\beta\) są równe: $$ \alpha = \beta = \dfrac{180^\circ - 36{,}87^\circ}{2} = 71{,}57^\circ \approx 72^\circ $$ -
Przypadek II – trójkąt rozwartokątny (\(\gamma \approx 143^\circ\)):
Gdy środek okręgu leży na zewnątrz trójkąta, wierzchołek \(C\) leży na krótszym łuku okręgu, a wysokość \(h_2 = |CD|\) jest różnicą promienia \(R\) i odległości \(d\): $$h_2 = R - d = 10 - 8 = 2$$ Długość ramienia \(b_2 = |AC| = |BC|\) obliczamy z twierdzenia Pitagorasa w trójkącie prostokątnym \(ADC\): $$ \begin{aligned} b_2 &= \sqrt{h_2^2 + |AD|^2} \\ &= \sqrt{2^2 + 6^2} \\ &= \sqrt{4 + 36} \\ &= \sqrt{40} = 2\sqrt{10} \end{aligned} $$ Kąty przy podstawie \(\alpha\) i \(\beta\) wynoszą wówczas: $$ \alpha = \beta = \dfrac{180^\circ - 143{,}13^\circ}{2} = 18{,}43^\circ \approx 18^\circ $$
Odpowiedź:
1. Wariant ostrokątny: \(|AC| = |BC| = 6\sqrt{10}\), kąty: \(72^\circ\), \(72^\circ\), \(37^\circ\).
2. Wariant rozwartokątny: \(|AC| = |BC| = 2\sqrt{10}\), kąty: \(18^\circ\), \(18^\circ\), \(143^\circ\).
1. Wariant ostrokątny: \(|AC| = |BC| = 6\sqrt{10}\), kąty: \(72^\circ\), \(72^\circ\), \(37^\circ\).
2. Wariant rozwartokątny: \(|AC| = |BC| = 2\sqrt{10}\), kąty: \(18^\circ\), \(18^\circ\), \(143^\circ\).
Zadanie 2 (3 pkt)
Rozwiąż trójkąt \(ABC\), w którym:
$$|AC| = 72, \quad |BC| = 73, \quad |\angle A| = 49^\circ$$
\(|\angle B| \approx 48^\circ\), \(|\angle C| \approx 83^\circ\), \(|AB| \approx 96\)
(z dokładnością do jednego miejsca po przecinku: \(|\angle B| \approx 48{,}1^\circ\), \(|\angle C| \approx 82{,}9^\circ\), \(|AB| \approx 96{,}0\)).
(z dokładnością do jednego miejsca po przecinku: \(|\angle B| \approx 48{,}1^\circ\), \(|\angle C| \approx 82{,}9^\circ\), \(|AB| \approx 96{,}0\)).
Wskazówki:
- Wykorzystaj twierdzenie sinusów, łączące stosunki długości boków z sinusami kątów leżących naprzeciwko nich: \(\dfrac{|BC|}{\sin(\angle A)} = \dfrac{|AC|}{\sin(\angle B)}\).
- Zwróć uwagę na relację długości boków: skoro \(|BC| > |AC|\), to naprzeciwko dłuższego boku leży większy kąt (\(|\angle A| > |\angle B|\)). Z tego powodu kąt \(\angle B\) musi być kątem ostrym, co wyklucza drugie (rozwartokątne) rozwiązanie.
- Miarę trzeciego kąta oblicz z sumy miar kątów w trójkącie (\(180^\circ\)), a brakujący bok \(|AB|\) wyznacz ponownie z twierdzenia sinusów.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Wyznaczenie miary kąta \(B\) z twierdzenia sinusów:
Zapisujemy zależność wynikającą z twierdzenia sinusów dla boków \(BC\) oraz \(AC\): $$ \begin{aligned} \dfrac{|BC|}{\sin(\angle A)} &= \dfrac{|AC|}{\sin(\angle B)} \\ \sin(\angle B) &= \dfrac{|AC| \cdot \sin(\angle A)}{|BC|} \end{aligned} $$ Wstawiamy dane liczbowe (\(|AC| = 72\), \(|BC| = 73\), \(\sin 49^\circ \approx 0{,}7547\)): $$ \begin{aligned} \sin(\angle B) &= \dfrac{72 \cdot \sin 49^\circ}{73} \\ &\approx \dfrac{72 \cdot 0{,}7547}{73} \\ &\approx \dfrac{54{,}339}{73} \approx 0{,}7444 \end{aligned} $$ Ponieważ \(|BC| > |AC|\) (\(73 > 72\)), naprzeciwko dłuższego boku leży większy kąt, skąd wynika, że \(|\angle A| > |\angle B|\). Kąt \(\angle B\) musi być mniejszy niż \(49^\circ\), co oznacza, że jest kątem ostrym: $$|\angle B| \approx 48{,}1^\circ \approx 48^\circ$$ -
Obliczenie miary kąta \(C\) z sumy kątów w trójkącie:
Suma miar kątów w trójkącie wynosi \(180^\circ\), zatem kąt przy wierzchołku \(C\) ma miarę: $$ \begin{aligned} |\angle C| &= 180^\circ - (|\angle A| + |\angle B|) \\ &\approx 180^\circ - (49^\circ + 48{,}1^\circ) \\ &= 180^\circ - 97{,}1^\circ = 82{,}9^\circ \approx 83^\circ \end{aligned} $$ -
Wyznaczenie długości boku \(|AB|\):
Stosujemy ponownie twierdzenie sinusów dla pary boków \(AB\) i \(BC\): $$ \begin{aligned} \dfrac{|AB|}{\sin(\angle C)} &= \dfrac{|BC|}{\sin(\angle A)} \\ |AB| &= \dfrac{|BC| \cdot \sin(\angle C)}{\sin(\angle A)} \end{aligned} $$ Podstawiamy wyznaczoną wartość kąta \(|\angle C| \approx 82{,}9^\circ\) (\(\sin 82{,}9^\circ \approx 0{,}9923\)): $$ \begin{aligned} |AB| &\approx \dfrac{73 \cdot \sin 82{,}9^\circ}{\sin 49^\circ} \\ &\approx \dfrac{73 \cdot 0{,}9923}{0{,}7547} \\ &\approx \dfrac{72{,}438}{0{,}7547} \approx 95{,}98 \approx 96 \end{aligned} $$
Odpowiedź: Trójkąt \(ABC\) ma elementy o miarach: \(|\angle B| \approx 48^\circ\), \(|\angle C| \approx 83^\circ\) oraz bok \(|AB| \approx 96\).
Zadanie 3 (3 pkt)
Wykaż, że nie istnieje trójkąt \(ABC\), w którym \(|BC| = 121\), \(|AC| = 60\), \(|\angle B| = 30^\circ\).
Trójkąt nie istnieje, ponieważ z twierdzenia sinusów wynika sprzeczność \(\sin(\angle A) = \dfrac{121}{120} > 1\) (lub równoważnie: odcinek \(|AC| = 60\) jest krótszy od wysokości opuszczonej z wierzchołka \(C\), która wynosi \(h_c = 60{,}5\)).
Wskazówki:
- Twierdzenie sinusów: W trójkącie stosunek boku do sinusa kąta leżącego naprzeciw niego jest stały: \(\dfrac{|AC|}{\sin(\angle B)} = \dfrac{|BC|}{\sin(\angle A)}\).
- Zbiór wartości funkcji sinus: Dla każdego kąta wewnętrznego trójkąta zachodzi warunek \(0 < \sin \alpha \le 1\). Jeśli z obliczeń otrzymamy wartość większą od \(1\), oznacza to, że taki kąt (a tym samym trójkąt) nie istnieje.
- Interpretacja geometryczna (wysokość trójkąta): Najkrótszą odległością wierzchołka \(C\) od prostej zawierającej podstawę jest wysokość \(h_c = |BC| \cdot \sin 30^\circ\). Aby bok \(AC\) mógł dosięgnąć tej prostej i zamknąć trójkąt, jego długość musi wynosić co najmniej \(h_c\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Sposób I – Zastosowanie twierdzenia sinusów (dowód algebraiczny):
W trójkącie \(ABC\) kąt \(B\) leży naprzeciw boku \(AC\), natomiast kąt \(A\) leży naprzeciw boku \(BC\). Zakładamy nie wprost, że trójkąt o podanych wielkościach istnieje. Zgodnie z twierdzeniem sinusów zachodzi proporcja: $$ \dfrac{|AC|}{\sin(\angle B)} = \dfrac{|BC|}{\sin(\angle A)} $$ Wyznaczamy z powyższego równania \(\sin(\angle A)\): $$ \sin(\angle A) = \dfrac{|BC| \cdot \sin(\angle B)}{|AC|} $$ Podstawiamy dane z treści zadania (\(|BC| = 121\), \(|AC| = 60\) oraz \(\sin 30^\circ = \dfrac{1}{2}\)): $$ \begin{aligned} \sin(\angle A) &= \dfrac{121 \cdot \dfrac{1}{2}}{60} \\[8pt] &= \dfrac{\dfrac{121}{2}}{60} \\[8pt] &= \dfrac{121}{120} = 1\dfrac{1}{120} \end{aligned} $$ Ponieważ dla dowolnego kąta rzeczywistego funkcja sinus przyjmuje wartości z przedziału \([-1, 1]\), a dla kąta trójkąta zachodzi warunek: $$ 0 < \sin(\angle A) \le 1 $$ otrzymana wartość \(\sin(\angle A) = \dfrac{121}{120} > 1\) prowadzi do sprzeczności. Kąt \(A\) o takim sinusie nie istnieje, co dowodzi, że trójkąt \(ABC\) spełniający warunki zadania nie istnieje. -
Sposób II – Analiza geometryczna za pomocą wysokości trójkąta (dowód syntetyczny):
Rozważmy półprostą wychodzącą z wierzchołka \(B\) pod kątem \(30^\circ\) do prostej zawierającej bok \(BC\). Wyznaczmy odległość wierzchołka \(C\) od prostej zawierającej ramię \(AB\) (czyli wysokość trójkąta \(h_c\)): $$ \begin{aligned} h_c &= |BC| \cdot \sin 30^\circ \\[8pt] &= 121 \cdot \dfrac{1}{2} = 60{,}5 \end{aligned} $$Najkrótszym możliwym odcinkiem łączącym wierzchołek \(C\) z prostą \(AB\) jest prostopadła do tej prostej, która ma długość \(60{,}5\). Dowolny odcinek łączący punkt \(C\) z prostą \(AB\) musi mieć długość nie mniejszą niż \(h_c\): $$ |AC| \ge h_c = 60{,}5 $$ Z treści zadania wynika natomiast, że \(|AC| = 60 < 60{,}5\). Oznacza to, że odcinek o długości \(60\) wyprowadzony z wierzchołka \(C\) jest zbyt krótki, aby przeciąć prostą \(AB\). Wierzchołek \(A\) nie może istnieć, co kończy dowód.
Odpowiedź:
Wykazano, że trójkąt \(ABC\) nie istnieje, ponieważ z twierdzenia sinusów wynika sprzeczność \(\sin(\angle A) = \dfrac{121}{120} > 1\) (oraz geometrycznie bok \(|AC| = 60\) jest mniejszy od wysokości \(h_c = 60{,}5\)).
Wykazano, że trójkąt \(ABC\) nie istnieje, ponieważ z twierdzenia sinusów wynika sprzeczność \(\sin(\angle A) = \dfrac{121}{120} > 1\) (oraz geometrycznie bok \(|AC| = 60\) jest mniejszy od wysokości \(h_c = 60{,}5\)).
Zadanie 4 (3 pkt)
Boki trójkąta mają długość \(a, b, c\), kąty są odpowiednio równe \(\alpha, \beta, \gamma\), a \(R\) jest promieniem okręgu opisanego na tym trójkącie. Rozwiąż ten trójkąt, jeśli:
$$b = 3\sqrt{2}, \quad c = 3, \quad \gamma = 30^\circ$$
Zadanie ma dwa rozwiązania (dwa trójkąty spełniające warunki zadania):
Przypadek I:
\(R = 3\), \(\beta = 45^\circ\), \(\alpha = 105^\circ\), \(a = \dfrac{3(\sqrt{6} + \sqrt{2})}{2}\)
Przypadek II:
\(R = 3\), \(\beta = 135^\circ\), \(\alpha = 15^\circ\), \(a = \dfrac{3(\sqrt{6} - \sqrt{2})}{2}\)
Przypadek I:
\(R = 3\), \(\beta = 45^\circ\), \(\alpha = 105^\circ\), \(a = \dfrac{3(\sqrt{6} + \sqrt{2})}{2}\)
Przypadek II:
\(R = 3\), \(\beta = 135^\circ\), \(\alpha = 15^\circ\), \(a = \dfrac{3(\sqrt{6} - \sqrt{2})}{2}\)
Wskazówki:
- Wykorzystaj twierdzenie sinusów: \(\dfrac{c}{\sin\gamma} = 2R\), aby wyznaczyć promień okręgu opisanego \(R\).
- Zastosuj ponownie twierdzenie sinusów do wyznaczenia \(\sin\beta\). Pamiętaj, że w przedziale \((0^\circ, 180^\circ)\) równanie trygonometryczne \(\sin\beta = \dfrac{\sqrt{2}}{2}\) posiada dwa rozwiązania: kąt ostry oraz kąt rozwarty.
- Sprawdź warunek sumy kątów trójkąta dla obu wartości \(\beta\). Jeśli suma ze znanym kątem \(\gamma\) jest mniejsza od \(180^\circ\), otrzymujesz dwa poprawne przypadki geometryczne.
- Brakujący bok \(a\) wyznacz z twierdzenia sinusów dla kąta \(\alpha\), korzystając ze wzorów na sinus sumy lub różnicy kątów: \(\sin(60^\circ \pm 45^\circ)\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Obliczenie promienia okręgu opisanego \(R\):
Zgodnie z twierdzeniem sinusów stosunek długości boku trójkąta do sinusa przeciwległego kąta jest równy podwojonemu promieniowi okręgu opisanego na tym trójkącie: $$ \dfrac{c}{\sin\gamma} = 2R $$ Podstawiamy dane z treści zadania \(c = 3\) oraz \(\gamma = 30^\circ\): $$ \begin{aligned} 2R &= \dfrac{3}{\sin 30^\circ} \\ &= \dfrac{3}{\frac{1}{2}} \\ &= 6 \end{aligned} $$ Dzieląc obustronnie przez \(2\), otrzymujemy: $$ R = 3 $$ -
Wyznaczenie miary kąta \(\beta\):
Korzystamy z twierdzenia sinusów dla pary bok \(b\) i kąt \(\beta\): $$ \dfrac{b}{\sin\beta} = 2R $$ Przekształcamy wzór, aby wyznaczyć \(\sin\beta\), i wstawiamy \(b = 3\sqrt{2}\) oraz \(2R = 6\): $$ \begin{aligned} \sin\beta &= \dfrac{b}{2R} \\ &= \dfrac{3\sqrt{2}}{6} \\ &= \dfrac{\sqrt{2}}{2} \end{aligned} $$ Kąt \(\beta\) jest kątem wewnętrznym trójkąta, czyli \(\beta \in (0^\circ, 180^\circ)\). W tym przedziale funkcja sinus przyjmuje wartość \(\dfrac{\sqrt{2}}{2}\) dla dwóch różnych kątów: $$ \beta_1 = 45^\circ \quad \text{oraz} \quad \beta_2 = 180^\circ - 45^\circ = 135^\circ $$ Sprawdzamy, czy w obu przypadkach można zbudować trójkąt przy danym kącie \(\gamma = 30^\circ\):
- Dla \(\beta_1 = 45^\circ\): \(\beta_1 + \gamma = 45^\circ + 30^\circ = 75^\circ < 180^\circ\) (warunek spełniony),
- Dla \(\beta_2 = 135^\circ\): \(\beta_2 + \gamma = 135^\circ + 30^\circ = 165^\circ < 180^\circ\) (warunek spełniony).
Oznacza to, że dane zadania opisują dwa różne trójkąty. Rozpatrujemy oba przypadki osobno. -
Przypadek I – gdy kąt \(\beta\) jest ostry (\(\beta_1 = 45^\circ\)):
Wyznaczamy miarę trzeciego kąta trójkąta \(\alpha_1\): $$ \begin{aligned} \alpha_1 &= 180^\circ - (\beta_1 + \gamma) \\ &= 180^\circ - (45^\circ + 30^\circ) \\ &= 180^\circ - 75^\circ \\ &= 105^\circ \end{aligned} $$ Obliczamy wartość \(\sin 105^\circ\), stosując wzór na sinus sumy kątów: $$ \begin{aligned} \sin 105^\circ &= \sin(60^\circ + 45^\circ) \\ &= \sin 60^\circ \cos 45^\circ + \cos 60^\circ \sin 45^\circ \\ &= \dfrac{\sqrt{3}}{2} \cdot \dfrac{\sqrt{2}}{2} + \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{\sqrt{2}}{2} \\ &= \dfrac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4} \end{aligned} $$ Długość boku \(a_1\) obliczamy z twierdzenia sinusów: $$ \begin{aligned} \dfrac{a_1}{\sin\alpha_1} &= 2R \\ a_1 &= 2R \cdot \sin 105^\circ \\ &= 6 \cdot \dfrac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4} \\ &= \dfrac{3(\sqrt{6} + \sqrt{2})}{2} \end{aligned} $$ -
Przypadek II – gdy kąt \(\beta\) jest rozwarty (\(\beta_2 = 135^\circ\)):
Wyznaczamy miarę kąta \(\alpha_2\): $$ \begin{aligned} \alpha_2 &= 180^\circ - (\beta_2 + \gamma) \\ &= 180^\circ - (135^\circ + 30^\circ) \\ &= 180^\circ - 165^\circ \\ &= 15^\circ \end{aligned} $$ Obliczamy wartość \(\sin 15^\circ\), stosując wzór na sinus różnicy kątów: $$ \begin{aligned} \sin 15^\circ &= \sin(45^\circ - 30^\circ) \\ &= \sin 45^\circ \cos 30^\circ - \cos 45^\circ \sin 30^\circ \\ &= \dfrac{\sqrt{2}}{2} \cdot \dfrac{\sqrt{3}}{2} - \dfrac{\sqrt{2}}{2} \cdot \dfrac{1}{2} \\ &= \dfrac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4} \end{aligned} $$ Długość boku \(a_2\) obliczamy z twierdzenia sinusów: $$ \begin{aligned} \dfrac{a_2}{\sin\alpha_2} &= 2R \\ a_2 &= 2R \cdot \sin 15^\circ \\ &= 6 \cdot \dfrac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4} \\ &= \dfrac{3(\sqrt{6} - \sqrt{2})}{2} \end{aligned} $$
Odpowiedź: Trójkąt posiada dwa rozwiązania:
1) \(R = 3\), \(\beta = 45^\circ\), \(\alpha = 105^\circ\), \(a = \dfrac{3(\sqrt{6} + \sqrt{2})}{2}\)
2) \(R = 3\), \(\beta = 135^\circ\), \(\alpha = 15^\circ\), \(a = \dfrac{3(\sqrt{6} - \sqrt{2})}{2}\)
1) \(R = 3\), \(\beta = 45^\circ\), \(\alpha = 105^\circ\), \(a = \dfrac{3(\sqrt{6} + \sqrt{2})}{2}\)
2) \(R = 3\), \(\beta = 135^\circ\), \(\alpha = 15^\circ\), \(a = \dfrac{3(\sqrt{6} - \sqrt{2})}{2}\)
Zadanie 5 (3 pkt)
Boki trójkąta mają długość \(a, b, c\), a kąty leżące naprzeciw nich to odpowiednio \(\alpha, \beta, \gamma\). Wykaż, że jeśli stosunek boków wynosi \(a : b : c = 2 : 3 : 4\), to \(4 \cos \gamma + 1 = 0\).
Przeprowadzono dowód tożsamości z wykorzystaniem twierdzenia cosinusów: wykazano, że \(\cos \gamma = -\dfrac{1}{4}\), co jest równoważne warunkowi \(4 \cos \gamma + 1 = 0\).
Wskazówki:
- Wprowadź dodatni współczynnik proporcjonalności \(x > 0\), aby wyrazić długości wszystkich trzech boków za pomocą jednej zmiennej.
- Skorzystaj z twierdzenia cosinusów dla boku \(c\), który leży naprzeciwko kąta \(\gamma\).
- Wyznacz wartość \(\cos \gamma\), a następnie przekształć otrzymane wyrażenie do postaci podanej w tezie.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Wprowadzenie oznaczeń i zapisanie długości boków trójkąta:
Stosunek boków wynosi \(a : b : c = 2 : 3 : 4\). Oznacza to, że istnieje taka liczba \(x > 0\), dla której długości boków wynoszą odpowiednio: $$ \begin{aligned} a &= 2x \\ b &= 3x \\ c &= 4x \end{aligned} $$ -
Zastosowanie twierdzenia cosinusów dla boku \(c\):
Kąt \(\gamma\) leży naprzeciwko boku o długości \(c\). Zgodnie z twierdzeniem cosinusów zachodzi równość: $$c^2 = a^2 + b^2 - 2ab \cos \gamma$$ Podstawiamy wyrażenia z parametrem \(x\): $$ \begin{aligned} (4x)^2 &= (2x)^2 + (3x)^2 - 2 \cdot (2x) \cdot (3x) \cdot \cos \gamma \\ 16x^2 &= 4x^2 + 9x^2 - 12x^2 \cos \gamma \\ 16x^2 &= 13x^2 - 12x^2 \cos \gamma \end{aligned} $$ -
Wyznaczenie wartości \(\cos \gamma\):
Grupujemy wyrazy z \(x^2\) po lewej stronie równania: $$ \begin{aligned} 16x^2 - 13x^2 &= -12x^2 \cos \gamma \\ 3x^2 &= -12x^2 \cos \gamma \end{aligned} $$ Ponieważ \(x > 0\), to \(x^2 > 0\). Możemy zatem obustronnie podzielić równanie przez \(x^2\): $$3 = -12 \cos \gamma$$ Dzielimy obie strony równania przez \(-12\): $$\cos \gamma = -\dfrac{3}{12} = -\dfrac{1}{4}$$ -
Wykazanie równości z tezy:
Mnożymy obie strony równości \(\cos \gamma = -\dfrac{1}{4}\) przez \(4\): $$4 \cos \gamma = -1$$ Dodajemy \(1\) do obu stron równania: $$4 \cos \gamma + 1 = 0$$ Co należało wykazać.
Wniosek: Równość \(4 \cos \gamma + 1 = 0\) jest prawdziwa.
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
W trójkącie równoramiennym $ABC$ podstawa $\left| AB \right|$ ma długość $8$, a promień okręgu opisanego na tym trójkącie wynosi $5$. Rozwiąż ten trójkąt, zaokrąglając kąty do pełnych stopni.
Przypadek I: boki $8; 8,94; 8,94$, kąty $64^{\circ}, 63^{\circ}, 53^{\circ}$.
Przypadek II: boki $8; 4,46; 4,46$, kąty $27^{\circ}, 26^{\circ}, 127^{\circ}$.
Zadanie 2 (3 pkt)
Rozwiąż trójkąt $ABC$, w którym dane są:
$|AC| = 50, |BC| = 35, |\angle A| = 30^\circ$
$|\angle B| \approx 46^\circ, |\angle C| \approx 104^\circ, |AB| \approx 67,9$
Zadanie 3 (3 pkt)
Wykaż, że nie istnieje trójkąt $ABC$, w którym $|BC| = 51$, $|AC| = 25\sqrt{2}$, $|\angle B| = 45^{\circ}$.
Trójkąt nie istnieje, ponieważ obliczony $\sin \alpha = 1,02$ przekracza maksymalną wartość funkcji sinus równą $1$.
Zadanie 4 (3 pkt)
Boki trójkąta mają długość $a, b, c$, kąty są odpowiednio równe $\alpha, \beta, \gamma$, a $R$ jest promieniem okręgu opisanego na tym trójkącie. Rozwiąż ten trójkąt, jeśli: $a=4, c=4\sqrt{2}, \alpha=30^\circ$
Rozwiązaniem są dwa trójkąty:
1. $\gamma = 45^\circ, \beta = 105^\circ, b = 2\left( \sqrt{6} + \sqrt{2} \right), R = 4$
2. $\gamma = 135^\circ, \beta = 15^\circ, b = 2\left( \sqrt{6} - \sqrt{2} \right), R = 4$
Zadanie 5 (3 pkt)
Boki trójkąta $a, b, c$ są w stosunku $a:b:c = 3:5:7$. Wykaż, że kąt $\gamma$ leżący naprzeciw boku $c$ ma miarę $120^{\circ}$.
Wykazano, że kąt $\gamma$ ma miarę $120^{\circ}$.
