Teorema dei seni e teorema del coseno
Il teorema dei seni è un teorema che – a differenza delle comuni funzioni goniometriche – vale in un triangolo qualsiasi. Ci dà una relazione tra le lunghezze dei lati e gli angoli. Anche il teorema del coseno (detto anche teorema di Carnot) vale in un triangolo qualsiasi, e un suo caso particolare è il teorema di Pitagora.
Teorema dei seni
Il teorema dei seni dice che il rapporto tra la lunghezza di ogni lato e il seno dell’angolo opposto è costante in un dato triangolo qualsiasi (!). Lo scriviamo così:
dove r è il raggio della circonferenza circoscritta e a, b e c sono le lunghezze dei lati del triangolo. L’uguaglianza precedente si può scrivere anche nella forma:
Teorema del coseno
Anche il teorema del coseno vale in un triangolo qualsiasi, proprio come il teorema dei seni. Il teorema del coseno afferma che:
Osserva che se uno degli angoli è retto, cioè misura 90 gradi, in una delle formule l’ultimo termine scompare e otteniamo la forma del teorema di Pitagora. Infatti, se α = 90°, allora cos(α) = 0 e otteniamo:
Motivazione
Consideriamo un triangolo ABC con il lato c di lunghezza |c| = 9. Le ampiezze degli angoli sono: α = 40°, β = 80°, γ = 60°. La domanda è: quali sono le lunghezze degli altri due lati? A questo punto non ci bastano più le comuni funzioni goniometriche, perché funzionano in un triangolo rettangolo, e questo di sicuro non lo è. Ecco la figura:
Dobbiamo quindi seguire un’altra strada. Una di queste è proprio il teorema dei seni. Come lo usiamo? Il teorema dei seni ci dice che:
Di questa catena conosciamo tutti gli angoli e la lunghezza del lato c. Il lato b si ricava quindi dall’uguaglianza
Qui dobbiamo isolare la lunghezza del lato b. Facciamo un’operazione equivalente sull’equazione e moltiplichiamo entrambi i membri per il seno dell’angolo beta. Otteniamo:
Tutte le espressioni a destra le conosciamo o sappiamo calcolarle. Sostituiamo quindi:
Esattamente allo stesso modo calcoliamo il lato rimanente a:
Isoliamo |a| moltiplicando l’equazione per il seno dell’angolo alfa.
Calcoliamo il risultato:
Dimostrazione del teorema dei seni
Perché l’uguaglianza dei seni è vera? Consideriamo un triangolo qualsiasi ABC, in cui tracciamo anche l’altezza relativa al lato c.
La domanda è: quanto è lungo il segmento CPc? Grazie all’altezza il triangolo ABC è diviso in due triangoli rettangoli, con i quali possiamo esprimere la lunghezza dell’altezza. Proviamo quindi a esprimere la lunghezza del segmento CPc con entrambi i triangoli. Il seno dell’angolo alfa è uguale a:
Da qui ricaviamo |CPc|:
Ora esprimiamo la lunghezza del segmento CPc con l’altro triangolo, usando l’angolo beta:
Da qui isoliamo di nuovo |CPc|:
A questo punto abbiamo la lunghezza dell’altezza espressa con due formule:
quindi otteniamo l’uguaglianza
Siamo ormai vicini a ciò che afferma il teorema dei seni. Dividiamo l’intera equazione per il prodotto del seno di alfa e del seno di beta:
Con il procedimento precedente abbiamo dimostrato una parte del teorema dei seni; la dimostrazione per le altre combinazioni di lati è identica.
Capitoli: Funzioni goniometriche, Circonferenza goniometrica, Funzioni goniometriche inverse, Proprietà di seno, coseno, tangente e cotangente, Formule goniometriche, Grafici delle funzioni goniometriche, Teorema dei seni e teorema del coseno