Risolvere un triangolo

In geometria , la risoluzione di un triangolo consiste nel determinare i diversi elementi di un triangolo ( lunghezze dei lati, misura degli angoli , area ) da alcuni altri. Storicamente, la risoluzione dei triangoli è stata motivata

Oggi, la risoluzione dei triangoli continua ad essere utilizzata in un gran numero di problemi che coinvolgono la triangolazione ( architettura , rilievi catastali , visione binoculare ) e, più in generale, la trigonometria ( astronomia , cartografia ).

Nella geometria euclidea, i dati di tre degli elementi dei triangoli, compreso almeno un lato, sono necessari e sufficienti per la risoluzione del triangolo, uno dei casi di risoluzione potendo ammettere due soluzioni. Nella geometria sferica o iperbolica, anche i dati dei tre angoli sono sufficienti. La risoluzione coinvolge la trigonometria , in particolare alcune relazioni classiche nel triangolo come il teorema di Al-Kashi , la legge dei seni , la legge delle tangenti e la somma dei suoi angoli .

Storia

Caso di risoluzione nella geometria euclidea

La risoluzione di un triangolo nella geometria euclidea utilizza una serie di relazioni tra gli elementi del triangolo. I più usati sono

sebbene sia anche possibile utilizzare altre relazioni per arrivare a una soluzione.

Di seguito sono elencate le diverse casistiche secondo i tre elementi noti tra i tre angoli e i tre lati. Formule analitiche sono date per i lati e / o angoli sconosciuti e l'area S . Devono essere adattati per una determinazione numerica perché, presi come tali, danno errori importanti per i triangoli "spillo", cioè uno dei lati è piccolo rispetto agli altri e triangoli "quasi retti". » , Vale a dire che uno degli angoli è di circa 90 °.

I tre lati

Consideriamo un triangolo i cui tre lati un , b e c sono noti. Gli angoli sono dedotti dal teorema di Al-Kashi e l'area ( S ) dalla formula di Heron  :

Ciascuno dei fattori nell'espressione di S è positivo, in base alla disuguaglianza triangolare .

Un angolo e i due lati adiacenti

Consideriamo un triangolo di cui si conosce l' angolo γ , così come i due lati adiacenti a e b . L'ultimo lato si ottiene grazie al teorema di Al-Kashi , i due angoli mancanti dalla legge delle tangenti e il complemento a π , e l'area dalla formula del prodotto incrociato  :

Un angolo, il lato opposto e un lato adiacente

Consideriamo un triangolo per il quale è noto un angolo β , così come un lato adiacente di questo angolo ce il lato opposto b . Il secondo angolo γ è ottenuto dalla legge dei seni , l'ultimo angolo α dal complemento a π e l'ultimo lato dalla legge dei seni:

Se β è acuto eb < c , c'è una seconda soluzione:

La risoluzione non è possibile per tutti i valori dei parametri. La seguente condizione deve essere soddisfatta:

.

Due angoli e il lato comune

Consideriamo un triangolo di cui sono noti un lato ce i due angoli α e β che lo delimitano. L'ultimo angolo è ottenuto per complemento a π e gli altri due lati dalla legge dei seni  :

Due angoli e un lato insolito

Consideriamo un triangolo di cui si conoscono due angoli α e β , nonché un lato non comune a questi due angoli a . L'ultimo angolo è ottenuto per complemento a π e gli altri due lati dalla legge dei seni  :

Caso di risoluzione nella geometria sferica

La risoluzione di un triangolo in geometria sferica ( geometria non euclidea ) è leggermente diversa dal caso euclideo, perché la legge del seno non consente di ottenere un lato in modo univoco - solo il suo seno. Inoltre, un triangolo sferico di cui si conoscono tre angoli è solubile, a differenza di un triangolo del piano euclideo e la soluzione è unica.

Le formule utilizzate per risolvere un triangolo sferico sono:

I tre lati

Risolvi triangolo sferico con ab c.png

In un triangolo i cui tre lati un , b e c sono noti, gli angoli sono ottenuti generalizzazione del teorema di Al-Kashi e la zona teorema di Huilier  :

Un angolo e i due lati adiacenti

Risolvi il triangolo sferico con ab gamma.png

In un triangolo in cui due lati una e B e l'angolo formano γ sono noti, l'ultimo lato si ottiene il generalizzata teorema Al-Kashi e due angoli rimanenti dalle analogie Napier:

Un angolo, il lato opposto e un lato adiacente

Risolvi il triangolo sferico con bc beta.png

Consideriamo un triangolo di cui sono noti un angolo β , un lato adiacente ce il lato opposto b . L'angolo γ è ottenuto dalla legge dei seni e gli elementi rimanenti dalle analogie di Napier. C'è solo una soluzione se

.

Allora

Un'altra soluzione esiste quando b > c e γ è acuta:

Due angoli e il lato comune

Risolvi il triangolo sferico con c alpha beta.png

In un triangolo dove sono noti due angoli α e β , così come il lato comune a questi angoli c , l'ultimo angolo è ottenuto dalla formula di al-Kashi e gli ultimi due lati dalle analogie di Napier. Le formule per l'angolo e i lati mancanti assomigliano a quelle per il caso di risoluzione complementare ( un angolo e i due lati adiacenti noti ):

Due angoli e un lato insolito

Risolvi il triangolo sferico con un alpha beta.png

Consideriamo un triangolo in cui sono noti due angoli α e β , nonché un lato opposto a uno di questi angoli a . Il lato b si trova dalla legge dei seni e gli elementi rimanenti dalle analogie di Napier. Nota la somiglianza tra le equazioni seguenti e il caso di risoluzione complementare ( un angolo, il lato opposto e un lato adiacente ):

Se a è acuto e α > β , c'è un'altra soluzione:

I tre angoli

Risolvi il triangolo sferico con alpha beta gamma.png

Nel caso in cui siano noti i tre angoli, i lati sono ottenuti da una variante del teorema di Al-Kashi per gli angoli. Le formule che danno i lati sono simili a quelle del caso di risoluzione complementare ( i tre lati noti ):

Esempi di applicazione

Triangolazione

La figura 1 a fianco indica un metodo per determinare la distanza di un'imbarcazione mediante triangolazione: da due punti di cui si conosce la distanza l , se ne misura la direzione, sia che si tratti dell'azimut mediante una bussola , sia degli angoli α e β con la linea che congiunge la due punti. Dalle misurazioni effettuate è possibile dedurre graficamente la distanza tracciando gli elementi noti su un grafico con scala adeguata. Una formula analitica può essere trovata anche risolvendo il triangolo di cui conosciamo due angoli e il lato comune  :

.

Una variante è utilizzata nella navigazione costiera  : gli angoli sono stimati utilizzando gli azimut dei punti di riferimento (punti di riferimento a terra) visti dalla nave.

Un'altra possibilità è misurare l'altezza h di una collina o di una montagna da una valle misurando la sua altezza angolare α e β in due punti di distanza l nota . La figura 2 a fianco mostra un caso semplificato in cui i punti di misura e la proiezione del piano a terra sono allineati. L'altezza della montagna può essere determinata graficamente o analiticamente risolvendo il triangolo ( stesso caso di cui sopra ):

.

In pratica, il metodo di risoluzione incontra alcune difficoltà: il terreno non è necessariamente pianeggiante, il che richiede una stima della pendenza tra i due punti; la vetta reale non è necessariamente osservabile dal piano e il punto più alto in quanto osservato varia di posizione tra i due punti di osservazione per effetto di tangenza; i diversi elementi del rilievo devono essere triangolati passo dopo passo dalle nervature, accumulando errori di misura. Pertanto, la mappatura satellitare ha modificato i valori tradizionali stimati di alcuni picchi di diversi metri. Nonostante queste difficoltà, il XIX °  secolo , Friedrich Georg Wilhelm von Struve ha costruito l' Arco geodetico di Struve , una catena di marcatori di indagine in tutta Europa circa 2800  km a dalla Norvegia al Mar Nero e lo scopo era quello di misurare le dimensioni e la forma di la terra: nel 1853 , lo scienziato ottenne la misura di un arco del meridiano terrestre al più vicino 188  m (2 × 10 -5 ) e dell'appiattimento della terra al più vicino 1%.

Distanza tra due punti del globo

Distanza sulla terra.png

Consideriamo due punti del globo A e B delle rispettive latitudini lambda A e λ B , e longitudini L A e L B . Per determinare la loro distanza consideriamo il triangolo ABC, dove C è il polo nord. In questo triangolo sono noti:

La risoluzione del triangolo nel caso in cui siano noti un angolo ed i due lati adiacenti permette di dedurlo

,

dove R è il raggio della Terra . Le coordinate devono essere convertite in radianti per l' applicazione numerica , a meno che la calcolatrice non accetti i gradi nelle funzioni trigonometriche .

Note e riferimenti

  1. Infatti, come ci ricorda don Boscovich : "i tre lati non sono determinati dai tre angoli perché la loro somma è sempre uguale a due angoli retti, la determinazione dei tre angoli non dà altro che la determinazione solo due" (Opera Pertinentia ad Opticam e Astronomiam, volume 4, 1785, p.  316 )
  2. (in) JR Smith, The Struve Geodesic Arc

Vedi anche

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link esterno

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