Trojúhelník | |
---|---|
žebra | 3 |
symbol Schläfli | {3} |
Mediální soubory na Wikimedia Commons |
Trojúhelník (v euklidovském prostoru ) je geometrický útvar tvořený třemi segmenty , které spojují tři body, které neleží na jedné přímce . Tyto tři body se nazývají vrcholy trojúhelníku a segmenty se nazývají strany trojúhelníku. Část roviny ohraničená stranami se nazývá vnitřek trojúhelníku: často je trojúhelník uvažován společně s jeho vnitřkem (např. pro definování pojmu plocha) [1] .
Strany trojúhelníku svírají ve vrcholech trojúhelníku tři úhly , takže trojúhelník lze definovat také jako mnohoúhelník , který má právě tři úhly [2] , tzn. jako část roviny ohraničená třemi úsečkami, které spojují tři body, které neleží na jedné přímce. Trojúhelník je jedním z nejdůležitějších geometrických útvarů široce používaných ve vědě a technice, takže studium jeho vlastností bylo prováděno již od starověku.
Pojem trojúhelník připouští různá zobecnění. Tento koncept můžete definovat v neeuklidovské geometrii (například na kouli ): na takových plochách je trojúhelník definován jako tři body spojené geodetikou . V -dimenzionální geometrii je analogem trojúhelníku -th dimenzionální simplex .
Někdy se uvažuje o degenerovaném trojúhelníku, jehož tři vrcholy leží na stejné přímce. Pokud není uvedeno jinak, předpokládá se, že trojúhelník v tomto článku není zdegenerovaný.
Tradičně jsou vrcholy trojúhelníku označeny velkými písmeny latinské abecedy: a strany proti nim - stejnými malými písmeny (viz obrázek). Trojúhelník s vrcholy , a je označen jako . Strany lze také označovat písmeny jejich ohraničujících vrcholů: , , .
Trojúhelník má tyto úhly:
Hodnoty úhlů v odpovídajících vrcholech se tradičně označují řeckými písmeny ( , , ).
Vnější úhel plochého trojúhelníku v daném vrcholu je úhel sousedící s vnitřním úhlem trojúhelníku v tomto vrcholu (viz obrázek). Je-li vnitřní úhel v daném vrcholu trojúhelníku tvořen dvěma stranami vycházejícími z daného vrcholu, pak vnější úhel trojúhelníku je tvořen jednou stranou vycházející z daného vrcholu a pokračováním druhé strany vycházející z téhož vrcholu. vrchol. Vnější roh může nabývat hodnot od do .
Obvod trojúhelníku je součtem délek jeho tří stran a polovina této hodnoty se nazývá semiperimetr .
Protože v euklidovské geometrii je součet úhlů trojúhelníku , pak alespoň dva úhly v trojúhelníku musí být ostré (méně než ). Existují následující typy trojúhelníků [2] .
Medián trojúhelníku nakresleného z daného vrcholu je segment spojující tento vrchol se středem protější strany (základna mediánu). Všechny tři mediány trojúhelníku se protínají v jednom bodě. Tento průsečík se nazývá těžiště nebo těžiště trojúhelníku. Poslední název je způsoben tím, že trojúhelník vyrobený z homogenního materiálu má těžiště v průsečíku střednic. Těžiště dělí každý medián 1:2 od základny mediánu. Trojúhelník s vrcholy ve středních bodech mediánů se nazývá střední trojúhelník . Základny mediánů daného trojúhelníku tvoří tzv. komplementární trojúhelník . Délku mediánusníženou na stranulze zjistit podle vzorců:
podobně pro ostatní mediány.Výška v trojúhelníkech různých typů
Výšky se protínají v ortocentru
Výška trojúhelníku nakresleného z daného vrcholu se nazývá kolmice svržená z tohoto vrcholu na opačnou stranu nebo její pokračování. Tři výšky trojúhelníku se protínají v jednom bodě, který se nazývá ortocentrum trojúhelníku. Trojúhelník s vrcholy na základnách výšek se nazývá ortotrojúhelník .
Délku výšky snížené na stranu lze zjistit podle vzorců:
; podobné pro jiné výšky.Délky výšek se snižovaly do stran. lze nalézt také pomocí vzorců: [3] :str.64
.Osa ( bisector ) trojúhelníku nakresleného z daného vrcholu je úsečka spojující tento vrchol s bodem na opačné straně a rozdělující úhel v daném vrcholu na polovinu. Osy trojúhelníku se protínají v jednom bodě a tento bod je stejný jako střed vepsané kružnice ( incenter ).
Pokud je trojúhelník zmenšený (nikoli rovnoramenný), pak osa nakreslená z kteréhokoli z jeho vrcholů leží mezi mediánem a výškou nakreslenou ze stejného vrcholu. Další důležitá vlastnost osy: rozděluje protilehlou stranu na části úměrné stranám k ní přiléhajícím [4] .
Délku ose snížené na stranu lze zjistit jedním ze vzorců:
, kde je semiperimetr . . ; tady je výška.Výška, medián a půlka rovnoramenného trojúhelníku, sníženého k základně, jsou stejné. Platí to i naopak: jsou-li osa, medián a výška nakreslené z jednoho vrcholu stejné, pak je trojúhelník rovnoramenný.
Kružnice opsaná (viz obrázek vpravo) je kružnice procházející všemi třemi vrcholy trojúhelníku. Kružnice opsaná je vždy jedinečná, její střed se shoduje s průsečíkem kolmiček ke stranám trojúhelníku, vedených přes středy stran. V tupoúhlém trojúhelníku tento střed leží mimo trojúhelník [4] .
Vepsaná kružnice (viz obrázek vpravo) je kružnice tečnou ke všem třem stranám trojúhelníku. Ona je jediná. Střed vepsané kružnice se nazývá incenter , shoduje se s průsečíkem os trojúhelníku.
Následující vzorce umožňují vypočítat poloměry opsané a vepsané kružnice.
kde je obsah trojúhelníku a je jeho půlobvod . ,kde jsou poloměry odpovídajících kružnic
Další dva užitečné poměry:
[5] .Existuje také Carnotův vzorec [6] :
,kde , , jsou vzdálenosti od středu kružnice opsané , respektive ke stranám , , trojúhelníku, , , jsou vzdálenosti od ortocentra , respektive k vrcholům , , trojúhelníku.
Vzdálenost od středu opsané kružnice ke straně trojúhelníku je například:
;vzdálenost od ortocentra , například, k vrcholu trojúhelníku je:
.Trojúhelník na euklidovské rovině může být jednoznačně (až do kongruence ) definován následujícími trojicemi základních prvků: [7]
Značky rovnosti pravoúhlých trojúhelníků:
Další vlastnost: trojúhelníky jsou si rovny, pokud mají dvě strany a úhel opačný k větší z těchto stran [8] .
Ve sférické geometrii a v Lobačevského geometrii existuje znamení, že trojúhelníky jsou stejné ve třech úhlech.
V každém trojúhelníku leží větší úhel proti větší straně a naopak. Stejné úhly leží proti stejným stranám [8] .
Každý vnější úhel trojúhelníku je roven rozdílu mezi 180° a odpovídajícím vnitřním úhlem. Pro vnější úhel také platí věta o vnějším úhlu trojúhelníku : vnější úhel je roven součtu dvou dalších vnitřních úhlů, které s ním nesousedí [8] .
V nedegenerovaném trojúhelníku je součet délek jeho dvou stran větší než délka třetí strany, v degenerovaném je roven. Jinými slovy, délky stran nedegenerovaného trojúhelníku souvisí s následujícími nerovnostmi:
.Další vlastnost: každá strana trojúhelníku je větší než rozdíl ostatních dvou stran [8] .
Součet vnitřních úhlů trojúhelníku je vždy 180°:
.V Lobachevského geometrii je součet úhlů trojúhelníku vždy menší než 180°, zatímco na kouli je vždy větší.
kde je poloměr kružnice opsané trojúhelníku.
Jde o zobecnění Pythagorovy věty .
Zdroj: [10] .
.Jiný název: Regiomontanus formula .
Výpočet neznámých stran, úhlů a dalších charakteristik trojúhelníku ze známých se historicky nazýval „ řešení trojúhelníků “. To využívá výše uvedené obecné trigonometrické věty, stejně jako známky rovnosti a podobnosti trojúhelníků .
pro roh .
Pro oblast platí následující nerovnosti:
kde je v obou případech rovnosti dosaženo právě tehdy, je-li trojúhelník rovnostranný (pravidelný).
Vlastnosti trojúhelníku studovaného ve škole jsou až na vzácné výjimky známy již od raného starověku. Počátky trigonometrických znalostí lze nalézt v matematických rukopisech starověkého Egypta , Babylonu a staré Číny . Hlavním úspěchem tohoto období byl poměr, který později dostal název Pythagorova věta ; Van der Waerden se domnívá, že jej objevili Babyloňané v letech 2000 až 1786 před naším letopočtem. E. [osmnáct]
Obecná a poměrně úplná teorie geometrie trojúhelníků (plochých i sférických ) se objevila ve starověkém Řecku [19] . Zejména ve druhé knize „ Začátky “ je Euklidova věta 12 slovní obdobou kosinové věty pro tupé trojúhelníky [20] . Následující věta 13 je variantou kosinové věty pro ostroúhlé trojúhelníky . Vlastnosti prvků trojúhelníků (úhly, strany, osy atd.) po Euklidovi se zabývali Archimedes , Menelaos , Claudius Ptolemaios , Pappus z Alexandrie [21] .
Ve čtvrtém století, po úpadku starověké vědy, se centrum rozvoje matematiky přesunulo do Indie. Spisy indických matematiků ( siddhantas ) ukazují, že jejich autoři dobře znali díla řeckých astronomů a geometrů [22] . Indiáni se o čistou geometrii nezajímali, ale jejich přínos k aplikované astronomii a výpočetním aspektům trigonometrie je velmi významný.
V 8. století se vědci ze zemí Blízkého a Středního východu seznamovali s díly starověkých řeckých a indických matematiků a astronomů. Jejich astronomická pojednání, analogická s indickými siddhanty, se nazývala „ ziji “; typickým zij byla sbírka astronomických a trigonometrických tabulek, opatřená návodem na jejich použití a (ne vždy) shrnutím obecné teorie [23] . Srovnání zijs z období 8.-13. století ukazuje rychlý vývoj trigonometrických znalostí. Nejstarší dochovaná díla patří al-Khwarizmi a al-Marvazi (9. století).
Thabit ibn Qurra (9. století) a al-Battani (10. století) jako první objevili základní sinusovou větu pro speciální případ pravoúhlého sférického trojúhelníku . Pro libovolný sférický trojúhelník byl důkaz nalezen (různými způsoby a pravděpodobně nezávisle na sobě) Abu-l-Vafa , al-Khujandi a ibn Iraq na konci 10. století [24] . V dalším pojednání ibn Iraq formuloval a dokázal větu sinus pro plochý trojúhelník [25] .
Základní představení trigonometrie (ploché i sférické) podal perský matematik a astronom Nasir ad-Din at-Tusi v roce 1260 [26] . Jeho „Pojednání o úplném kvadripartitu“ obsahuje praktické metody řešení typických problémů, včetně těch nejobtížnějších, které řešil sám at-Tusi [27] . Tak byly do konce 13. století objeveny základní věty nutné pro praktickou práci s trojúhelníky.
V Evropě, vývoj trigonometrické teorie stal se extrémně důležitý v moderní době, primárně pro dělostřelectvo , optiku a navigaci na dálkových námořních cestách. V roce 1551 se objevily 15místné trigonometrické tabulky Rhetica , Koperníkova studenta , s krokem 10“ [28] . Potřeba složitých trigonometrických výpočtů způsobila objev logaritmů na počátku 17. století a první logaritmické tabulky Johna Napiera obsahovaly pouze logaritmy goniometrických funkcí.
Studium trojúhelníku pokračovalo i v 17. století: byla prokázána Desarguesova věta (1636), objeven Torricelliho bod (1640) a byly studovány jeho vlastnosti. Giovanni Ceva dokázal svou příčnou větu (1678). Leibniz ukázal, jak vypočítat vzdálenost od těžiště trojúhelníku k jeho dalším pozoruhodným bodům [21] . V 18. století byla objevena Eulerova linie a kružnice šesti bodů (1765).
Na počátku 19. století byl objeven Gergonnův bod . V roce 1828 byla prokázána Feuerbachova věta . Do konce 19. století patří dílo Emila Lemoina , Henriho Brocarda , Josepha Neuberga . Kruh devíti bodů byl zkoumán Ponceletem , Brianchonem a Steinerem.Byly objeveny dříve neznámé geometrické vztahy a obrazy - např. Brocardův kruh , Steinerovy a Tarryho body . V roce 1860 Schlömilch dokázal větu: tři čáry spojující středy stran trojúhelníku se středy jeho příslušných výšek se protínají v jednom bodě. V roce 1937 sovětský matematik S. I. Zetel ukázal, že tato věta platí nejen pro výšky, ale i pro jakékoli jiné ceviany . Studie výše uvedených geometrů změnily geometrii trojúhelníku na samostatnou větev matematiky [29] .
Významný příspěvek ke geometrii trojúhelníku přinesl koncem 19. a začátkem 20. století Frank Morley . Dokázal, že těžiště středů kardioidy vepsaných do trojúhelníku sestává z devíti přímek, které jsou po třech rovnoběžné se třemi stranami rovnostranného trojúhelníku. Navíc 27 bodů, ve kterých se těchto devět čar protíná, jsou průsečíky dvou trisektorů trojúhelníku, které patří stejné straně trojúhelníku. Nejznámější je speciální případ této věty: vnitřní trisektory úhlů trojúhelníku sousedícího se stejnou stranou se po dvojicích protínají ve třech vrcholech rovnostranného trojúhelníku. Zobecnění těchto prací publikoval Henri Lebesgue (1940), zavedl -sektory trojúhelníku a studoval jejich umístění v obecné formě [30] .
Od 30. let 19. století se trilineární bodové souřadnice staly široce používanými v geometrii trojúhelníku . Aktivně se rozvíjela teorie transformací - projektivní , izogonální , izotomické a další. Myšlenka zvážit problémy teorie trojúhelníků na komplexní rovině se ukázala jako užitečná . [29] .
Všechna fakta v této sekci odkazují na euklidovskou geometrii .
Níže jsou popsány 3 typy transformací: 1) Izogonální konjugace, 2) Izotomická konjugace, 3) Izokruhová transformace.
Izogonální konjugaceVezmeme -li místo symetrického cevianu cevian , jehož základna je stejně daleko od středu strany jako základna původního, pak se takové cevian také protnou v jednom bodě. Výsledná transformace se nazývá izotomická konjugace . Také mapuje čáry na opsané kuželosečky .
Při afinních transformacích přecházejí izotomicky konjugované body do izotomicky konjugovaných. S izotomickou konjugací půjde popisovaná Steinerova elipsa k přímce v nekonečnu .
Složení izogonální (nebo izotomické ) konjugace a trilineární polárníPokud jsou v úsecích odříznutých stranami trojúhelníku od opsané kružnice vepsány kružnice, které se dotýkají stran na základnách cevian protažených určitým bodem, a potom jsou styčné body těchto kružnic připojeny k opsané kružnici . kružnice s opačnými vrcholy, pak se takové čáry protnou v jednom bodě. Transformace roviny, porovnání výchozího bodu s výsledným, se nazývá izokruhová transformace [36] . Složení izogonálních a izotomických konjugací je složením izokruhové transformace se sebou samým. Tato kompozice je projektivní transformací , která ponechává strany trojúhelníku na místě a převádí osu vnějších os na přímku v nekonečnu.
( první identita pro tečny )
Poznámka . Výše uvedený vztah platí pouze tehdy, když žádný z úhlů není 90° (v takovém případě je vždy definována funkce tečny).
, [37]( druhá identita pro tečny )
,( první identita pro sinus )
, [37]( druhá identita pro sinus )
, [5]( identita pro kosiny )
( identita pro poměr poloměrů )
Poznámka . Při dělení obou částí druhé identity pro tangenty součinem se získá identita pro kotangens :
,ve formě (ale ne v obsahu) velmi podobné první identitě pro tečny .
Metrické poměry v trojúhelníku jsou dány pro :
Kde:
Konkrétně, pokud je vrchol A v počátku (0, 0) a souřadnice dalších dvou vrcholů jsou B = ( x B , y B ) a C = ( x C , y C ) , pak může být oblast vypočteno jako 1 ⁄ 2 absolutní hodnoty determinantu
Poslední vzorec pro oblast trojúhelníku se v anglické literatuře nazývá vzorec oblasti uzavřené v přerušené krajce natažené na hřebících ( vzorec tkaničky ), nebo geodetický vzorec (vzorec geodeta [39] ) nebo Gaussova oblast. vzorec.
Nechť vrcholy trojúhelníku jsou v bodech , , .
Pojďme si představit plošný vektor . Délka tohoto vektoru se rovná ploše trojúhelníku a směřuje podél normály k rovině trojúhelníku:
Nechť , kde , , jsou průměty trojúhelníku na souřadnicové roviny. V čem
a podobně
Plocha trojúhelníku je .
Alternativou je vypočítat délky stran (podle Pythagorovy věty ) a dále použít Heronův vzorec .
Označíme-li komplexní kartézské souřadnice (na komplexní rovině) vrcholů trojúhelníku , a a jejich komplexně sdružené body označíme , respektive , dostaneme vzorec:
,což je ekvivalentní vzorci plochy uzavřené uvnitř přerušované čáry tkaničky natažené přes nehty ( vzorec tkaničky ), nebo geodetickému vzorci ( vzorec geodeta [39] ), nebo Gaussově plošnému vzorci.
Vlastnosti trojúhelníku se stranami , , a úhly , , .
Součet úhlů (nedegenerovaného) trojúhelníku je přísně větší než .
Všechny podobné trojúhelníky jsou shodné.
Sinusová věta (dále jen strana sférického trojúhelníku se obvykle neměří lineární mírou, ale hodnotou středového úhlu na ní založenou ):
,Kosinové věty:
, .Pro trojúhelník se stranami , , a úhly , , .
Součet úhlů (nedegenerovaného) trojúhelníku je přísně menší než .
Stejně jako na kouli jsou všechny podobné trojúhelníky shodné.
Sinusová věta
,Kosinové věty
, .Hodnota součtu úhlů trojúhelníku ve všech třech případech (euklidovská rovina, koule, Lobačevského rovina) je důsledkem Gauss-Bonnetova vzorce
.V případě trojúhelníku je Eulerova charakteristika . Rohy jsou vnější rohy trojúhelníku. Hodnota veličiny (Gaussova křivost) je pro euklidovskou geometrii, pro kouli, pro Lobačevského rovinu.
Symbol | Unicode | název |
---|---|---|
△ | U+25B3 | bílý trojúhelník směřující nahoru |
Další články o geometrii trojúhelníku naleznete v kategoriích:
![]() |
|
---|---|
V bibliografických katalozích |
|
Trojúhelník | |
---|---|
Typy trojúhelníků | |
Nádherné linie v trojúhelníku | |
Pozoruhodné body trojúhelníku | |
Základní věty | |
Dodatečné věty | |
Zobecnění |
Polygony | |||||
---|---|---|---|---|---|
Podle počtu stran |
| ||||
opravit |
| ||||
trojúhelníky | |||||
Čtyřúhelníky | |||||
viz také |