Решение прямоугольных треугольников
Вы уже знаете синус, косинус и тангенс острого угла, значения для углов 30°, 45° и 60° и теорему Пифагора. В этом уроке соберем их в один способ: по двум известным элементам прямоугольного треугольника найдем все остальные стороны и углы. Разберем четыре случая, главную ошибку при выборе функции и задачи в формате ОГЭ.
Решить треугольник — значит найти все его стороны и углы
Лестница длиной $5$ м приставлена к вертикальной стене и образует с горизонтальной землей угол $60^\circ$. На какой высоте ее верхний конец? Рулетка до верха не достает, но два элемента треугольника уже известны: длина лестницы и угол у земли.
Стена, земля и лестница образуют прямоугольный треугольник $ABC$ с прямым углом $C$. Встаньте мысленно в вершину $A$, у основания лестницы. Одна сторона треугольника — напротив вас (стена $BC$), другая — рядом (земля $AC$), третья — сама лестница $AB$, гипотенуза. Этот «вид из угла» и подскажет, какую функцию брать в каждой задаче урока.
Определение
Решить прямоугольный треугольник — значит по данным элементам найти все его стороны и острые углы. У треугольника $ABC$ с $\angle C=90^\circ$ неизвестны пять элементов: стороны $AB$, $BC$, $AC$ и углы $A$ и $B$. Чтобы найти остальные, достаточно знать два из них, и хотя бы один должен быть стороной.
Почему одних углов мало? Если известны только острые углы, треугольник можно увеличить в два раза: углы не изменятся, а стороны станут другими. Длину задает хотя бы одна известная сторона.
Правило
В прямоугольном треугольнике сумма острых углов равна $90^\circ$. Если $\angle C=90^\circ$, то
Это следует из того, что сумма углов треугольника равна $180^\circ$, а на прямой угол из них приходится $90^\circ$. Если известен один острый угол, второй находят вычитанием из $90^\circ$ сразу. Если даны две стороны, сначала находят один угол по отношению сторон (об этом — в разделе «Если даны две стороны, сначала находят угол»).
$$\angle B=90^\circ-\angle A$$
Функцию выбирает место стороны относительно угла
В треугольнике $ABC$ с $\angle C=90^\circ$ из вершины $A$ видно: катет $BC$ лежит против угла $A$, катет $AC$ прилежит к нему, $AB$ — гипотенуза. По определению из урока о синусе, косинусе и тангенсе каждая функция связывает ровно две стороны.
Например, известна гипотенуза $AB=20$, угол $A=30^\circ$, нужен катет $BC$. Из вершины $A$ видно: $BC$ лежит напротив, $AB$ — гипотенуза, значит, их связывает синус. Если бы нужен был катет $AC$, который прилежит к углу $A$, связывал бы косинус. Обобщим этот выбор.
Правило
Выпишите две стороны: ту, что известна, и ту, что нужно найти. Посмотрите на них из вершины данного угла:
- противолежащий катет и гипотенуза — синус;
- прилежащий катет и гипотенуза — косинус;
- два катета — тангенс.
$$\sin A=\frac{BC}{AB},\quad \cos A=\frac{AC}{AB},\quad \operatorname{tg} A=\frac{BC}{AC}$$
| Известна и нужна (для угла $A$) | Функция | Равенство |
|---|---|---|
| $AB$ и $BC$ | синус | $\sin A=\frac{BC}{AB}$ |
| $AB$ и $AC$ | косинус | $\cos A=\frac{AC}{AB}$ |
| $AC$ и $BC$ | тангенс | $\operatorname{tg} A=\frac{BC}{AC}$ |
Алгоритм
Дано: $\angle C=90^\circ$, сторона и острый угол $A$.
- Найдите второй острый угол: $\angle B=90^\circ-\angle A$.
- Определите, где известная и искомая стороны относительно угла $A$, и выберите функцию.
- Запишите равенство и выразите из него неизвестную сторону.
- Третью сторону найдите так же или по теореме Пифагора и проверьте: гипотенуза — наибольшая сторона, $BC^2+AC^2=AB^2$.
Пример 1
В треугольнике $ABC$ угол $C$ равен $90^\circ$, $AB=16$, $\angle A=30^\circ$. Решите треугольник.
Решение. 1) $\angle B=90^\circ-30^\circ=60^\circ$.
2) Выбор функции. Катет $BC$ лежит против угла $A$, гипотенуза $AB$ известна — синус: $\sin 30^\circ=\frac{BC}{16}$.
3) Выражаем и считаем: $BC=16 \cdot \sin 30^\circ=16 \cdot \frac12=8$.
4) Третья сторона и проверка. Катет $AC$ прилежит к углу $A$ — косинус: $AC=16 \cdot \cos 30^\circ=16 \cdot \frac{\sqrt3}{2}=8\sqrt3\approx13{,}9$. Проверка: $8^2+(8\sqrt3)^2=64+192=256=16^2$. Еще одна проверка: катет против угла $30^\circ$ равен половине гипотенузы, $8=16:2$, и лежит он против $A$, а не против $B$.
Ответ: $\angle B=60^\circ$, $BC=8$, $AC=8\sqrt3$.
Ошибка
Решавр — наш условный ученик, который иногда ошибается. Он решал ту же задачу ($AB=16$, $\angle A=30^\circ$) и записал: «$BC=8$, $AC=8\sqrt3$». Правильные числа, но он остановился.
Проверка на определении: решить треугольник — найти все стороны и острые углы. Стороны найдены, угол $B$ нет.
Где сломалось: пропущен шаг 1 алгоритма. Недостающий результат: $\angle B=90^\circ-30^\circ=60^\circ$. Перед ответом сверьте список: три стороны и два угла, ничего не осталось со знаком вопроса.
Когда неизвестна гипотенуза, на функцию делят
В примере 1 гипотенуза была известна, и катет получался умножением. Теперь известен катет, а гипотенуза стоит в знаменателе дроби.
Пример 2
В треугольнике $ABC$ угол $C$ равен $90^\circ$, $AC=6$, $\angle A=60^\circ$. Решите треугольник.
Решение. 1) $\angle B=90^\circ-60^\circ=30^\circ$.
2) Катет $AC$ прилежит к углу $A$, нужна гипотенуза $AB$ — косинус: $\cos A=\frac{AC}{AB}$. Умножим обе части на $AB$: $AC=AB \cdot \cos A$. Разделим на $\cos A$: $AB=\frac{AC}{\cos A}=6:\frac12=12$.
3) $BC$ и $AC$ — два катета, тангенс: $BC=AC \cdot \operatorname{tg} 60^\circ=6\sqrt3\approx10{,}4$.
4) Проверка: $6^2+(6\sqrt3)^2=36+108=144=12^2$; против большего угла $60^\circ$ лежит больший катет $BC$.
Ответ: $\angle B=30^\circ$, $AB=12$, $BC=6\sqrt3$.
Ошибка
Из $\cos A=\frac{AC}{AB}$ пишут $AB=AC \cdot \cos A=6 \cdot \frac12=3$.
Проверка на числах: гипотенуза $3$ короче катета $6$. Так не бывает: гипотенуза — наибольшая сторона прямоугольного треугольника.
Где сломалось: произведение $AC \cdot \cos A$ не равно $AB$. Из равенства $AC=AB \cdot \cos A$ гипотенузу получают делением на $\cos A$.
Обратите внимание
Неизвестная сторона в числителе — умножайте, в знаменателе — делите. Катет равен гипотенузе, умноженной на синус или косинус; гипотенуза равна катету, деленному на синус или косинус.
Чаще всего ошибаются в выборе катета
Самая частая ошибка — запомнить «синус — для вертикального катета» или «косинус — для $BC$». Функцию выбирает не положение катета на рисунке, а то, как он расположен относительно данного угла. Сменили угол — катеты поменялись ролями.
Ошибка
Решавр решал задачу: $\angle C=90^\circ$, $AB=20$, $\angle A=60^\circ$, найти $BC$. Он написал $BC=20 \cdot \cos 60^\circ=10$.
Проверка на числах: $\angle B=90^\circ-60^\circ=30^\circ$. Катет против угла $30^\circ$ равен половине гипотенузы, то есть $10$. Против угла $B$ лежит $AC$, значит, $AC=10$. Катет $BC$ лежит против большего угла $60^\circ$ и должен быть больше $10$. Решавр нашел не тот катет.
Где сломалось: из вершины $A$ катет $BC$ виден напротив, а косинус связывает гипотенузу с прилежащим катетом. Верно: $BC=20 \cdot \sin 60^\circ=10\sqrt3\approx17{,}3$.
Перед выбором функции проговорите вслух: «из вершины $A$ сторона $BC$ — напротив». Если задача про угол $B$, встаньте в вершину $B$: теперь напротив $AC$, рядом $BC$, и $\sin B=\frac{AC}{AB}$.
Если даны две стороны, сначала находят угол
Иногда угол не дан, а известны две стороны. Тогда «вид из угла» работает в обратную сторону: по двум сторонам находим значение функции, а по нему — угол. В задачах этого урока значение всегда совпадает с табличным для $30^\circ$, $45^\circ$ или $60^\circ$; угол по нему находят по таблице из урока о значениях.
Пример. Катеты $BC=5$ и $AC=5\sqrt3$. Из вершины $A$ они стоят как «напротив» и «рядом», значит, $\operatorname{tg} A=\frac{5}{5\sqrt3}=\frac{1}{\sqrt3}=\frac{\sqrt3}{3}$. Это тангенс угла $30^\circ$, поэтому $\angle A=30^\circ$, $\angle B=60^\circ$, а гипотенуза $AB=\sqrt{25+75}=10$. Теперь соберем такие случаи в таблицу.
| Дано | Первый шаг | Дальше |
|---|---|---|
| гипотенуза и острый угол | второй угол; катеты через $\sin$ и $\cos$ | проверка по теореме Пифагора |
| катет и острый угол | второй угол; гипотенуза делением на $\sin$ или $\cos$ | второй катет через $\operatorname{tg}$ |
| два катета | $\operatorname{tg} A$ и угол по таблице | гипотенуза по теореме Пифагора |
| катет и гипотенуза | $\sin A$ или $\cos A$ и угол по таблице | второй катет по теореме Пифагора |
Пример 3
В треугольнике $ABC$ угол $C$ равен $90^\circ$, $AB=10$, $AC=5$. Решите треугольник.
Решение. 1) Катет $AC$ прилежит к углу $A$, $AB$ — гипотенуза: $\cos A=\frac{5}{10}=\frac12$. Косинус равен $\frac12$ у угла $60^\circ$, значит, $\angle A=60^\circ$.
2) $\angle B=90^\circ-60^\circ=30^\circ$.
3) По теореме Пифагора $BC=\sqrt{10^2-5^2}=\sqrt{75}=5\sqrt3\approx8{,}7$.
4) Проверка: $BC=10 \cdot \sin 60^\circ=10 \cdot \frac{\sqrt3}{2}=5\sqrt3$ — совпало.
Ответ: $\angle A=60^\circ$, $\angle B=30^\circ$, $BC=5\sqrt3$.
В задачах прямоугольный треугольник сначала надо увидеть
В задачах ОГЭ готового треугольника $ABC$ с прямым углом $C$ обычно нет. Его выделяют на чертеже:
- высота равнобедренного треугольника, проведенная к основанию, делит его на два прямоугольных треугольника, боковая сторона в каждом — гипотенуза;
- диагональ прямоугольника вместе с двумя его сторонами образует прямоугольный треугольник, диагональ — гипотенуза;
- дерево или столб стоит вертикально на горизонтальной земле: высота и тень — катеты, луч солнца — гипотенуза.
Дальше работает тот же алгоритм. Только прямой угол может оказаться при другой вершине, поэтому гипотенузу находят каждый раз заново: она лежит напротив прямого угла.
Пример 4
В прямоугольнике $ABCD$ диагональ $AC=16$ образует со стороной $AD$ угол $60^\circ$. Найдите стороны прямоугольника.
Решение. Треугольник $ACD$ прямоугольный, $\angle D=90^\circ$, гипотенуза — диагональ $AC$. Сторона $CD$ лежит против угла $CAD$, сторона $AD$ прилежит к нему.
$AD=16 \cdot \cos 60^\circ=16 \cdot \frac12=8$; $CD=16 \cdot \sin 60^\circ=16 \cdot \frac{\sqrt3}{2}=8\sqrt3\approx13{,}9$.
Проверка: $8^2+(8\sqrt3)^2=64+192=256=16^2$.
Ответ: $8$ и $8\sqrt3$.
Задача о лестнице
Вернемся к лестнице. Гипотенуза $AB=5$ м, угол у земли $\angle A=60^\circ$, высота $BC$ лежит против этого угла — синус:
$BC=5 \cdot \sin 60^\circ=\frac{5\sqrt3}{2}\approx4{,}3$ м. Основание лестницы отстоит от стены на $AC=5 \cdot \cos 60^\circ=2{,}5$ м.
Проверка: $\left(\frac{5\sqrt3}{2}\right)^2+2{,}5^2=18{,}75+6{,}25=25=5^2$.
Ответ: примерно $4{,}3$ м.
Вывод
Решение прямоугольного треугольника встречается в задачах на высоту, расстояние и длину, которую нельзя измерить напрямую, и в заданиях ОГЭ по геометрии. Главное — «вид из угла»: встаньте в вершину данного угла, назовите стороны «напротив», «рядом» и «гипотенуза», и функция выберется сама.
Часто задаваемые вопросы
Нет. Когда две стороны уже известны, третью удобно найти по теореме Пифагора. Вторым способом полезно проверить вычисления. Но совпадение результатов не исключает перепутанных катетов: например, при $AB=16$, $\angle A=30^\circ$ значения $16\sin30^\circ=8$ и $16\cos30^\circ=8\sqrt3$ в сумме квадратов дают $256$ при любом назначении катетов: теорема Пифагора не отличает $BC$ от $AC$. Поэтому положение катетов проверяют отдельно: напротив угла $30^\circ$ должен лежать катет, равный половине гипотенузы.
Тогда значение функции дают в условии, например $\operatorname{tg} 37^\circ=0{,}75$, или его берут из таблицы приближенно. Алгоритм от этого не меняется: меняется только число, на которое умножают или делят.
Углы задают форму треугольника, но не его размер. Треугольник можно увеличить в любое число раз, и углы останутся прежними. Нужна хотя бы одна сторона.
Против большего острого угла лежит больший катет. Если угол $A$ больше $45^\circ$, катет $BC$ должен получиться длиннее $AC$. Не вышло — функция выбрана для другого угла.
Дальше: тест урока
- Тест к уроку «Решение прямоугольных треугольников» — проверьте, как вы усвоили тему
Следующий урок: Тест модуля «Теорема Пифагора и начала тригонометрии» — следующий шаг, он появится на сайте позже.
Повторите: Соотношение между сторонами и углами прямоугольного треугольника; Значения синуса, косинуса и тангенса для углов 30°, 45° и 60°
Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.
- Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
- Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
- Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий