Lei dos cossenos




A lei dos cossenos é uma parte da generalização do Teorema de Pitágoras, que pode ser utilizada em situações envolvendo qualquer triângulo, isto é, não necessariamente restritas a triângulos retângulos.[1] Em um triângulo ABC qualquer, para lados opostos aos ângulos internos A^,B^{displaystyle {widehat {A}},{widehat {B}}} e C^,{displaystyle {widehat {C}},} com medidas respectivamente a,b{displaystyle a,b} e c,{displaystyle c,} valem as relações:[1]


a2=b2+c2−2b⋅c⋅cosA^{displaystyle a^{2}=b^{2}+c^{2}-2bcdot ccdot cos{widehat {A}},!}

b2=a2+c2−2a⋅c⋅cosB^{displaystyle b^{2}=a^{2}+c^{2}-2acdot ccdot cos{widehat {B}},!}

c2=a2+b2−2a⋅b⋅cosC^{displaystyle c^{2}=a^{2}+b^{2}-2acdot bcdot cos{widehat {C}},!}



Índice






  • 1 Demonstração


    • 1.1 Forma Geométrica


    • 1.2 Forma Vetorial


    • 1.3 Forma Matricial




  • 2 Ver também


  • 3 Referências


  • 4 Ligações externas





Demonstração |


A seguir algumas maneiras de demonstrar a lei dos cossenos:



Forma Geométrica |


Considerando a figura, podemos observar 3 triângulos:[2]



ABC,BCD,BAD{displaystyle ABC,BCD,BAD,!}.

Demons cossenos.png

Destes, pode-se extrair as seguintes relações:


b=n+m{displaystyle b=n+m,!}

e



m=c⋅cosA^{displaystyle m=ccdot cos{widehat {A}},!}.

Usando o Teorema de Pitágoras para obter uma relação entre os lados dos triângulos, temos para BCD:[2]


a2=n2+h2{displaystyle a^{2}=n^{2}+h^{2},!}

e para BAD:


c2=m2+h2{displaystyle c^{2}=m^{2}+h^{2},!}

Substituindo:


n=b−m{displaystyle n=b-m,!}

e


h2=c2−m2{displaystyle h^{2}=c^{2}-m^{2},!}

em


a2=n2+h2{displaystyle a^{2}=n^{2}+h^{2},!}

teremos:


a2=(b−m)2+c2−m2{displaystyle a^{2}=(b-m)^{2}+c^{2}-m^{2},!}

a2=b2−2b⋅m+m2+c2−m2{displaystyle a^{2}=b^{2}-2bcdot m+m^{2}+c^{2}-m^{2},!}

a2=b2+c2−2b⋅m{displaystyle a^{2}=b^{2}+c^{2}-2bcdot m,!}

Entretanto, pode-se substituir a relação m=c⋅cosA^{displaystyle m=ccdot cos{widehat {A}},!}, do triângulo BAD{displaystyle BAD,!}, na equação acima. Dessa maneira, encontra-se uma expressão geral da Lei dos cossenos:


a2=b2+c2−2b⋅c⋅cosA^{displaystyle a^{2}=b^{2}+c^{2}-2bcdot ccdot cos{widehat {A}},!}

Da mesma forma, pode-se demonstrar as demais relações:


b2=a2+c2−2a⋅c⋅cosB^{displaystyle b^{2}=a^{2}+c^{2}-2acdot ccdot cos{widehat {B}},!}

c2=a2+b2−2a⋅b⋅cosC^{displaystyle c^{2}=a^{2}+b^{2}-2acdot bcdot cos{widehat {C}},!}


Forma Vetorial |


Outro modo de demonstrar é usando geometria analítica com vetores: definimos um vetor a→{displaystyle {vec {a}}} como sendo igual a b→c→{displaystyle {vec {b}}-{vec {c}}} temos um triângulo formado pela soma a→+c→{displaystyle {vec {a}}+{vec {c}}} e o resultante b→{displaystyle {vec {b}}}. Sabendo que u2=‖u→2{displaystyle u^{2}=|{vec {u}}|^{2}} e u→v→=‖u→v→cos(θ){displaystyle {vec {u}}cdot {vec {v}}=|{vec {u}}|cdot |{vec {v}}|cdot cos(theta )} sendo θ{displaystyle theta } o ângulo entre os vetores u→{displaystyle {vec {u}}} e v→{displaystyle {vec {v}}} temos o seguinte desenvolvimento:




Triângulo formado por vetores


a→=b→c→{displaystyle {vec {a}}={vec {b}}-{vec {c}}}


a→2=‖a→2=‖(b→c→)‖2{displaystyle {vec {a}}^{2}=|{vec {a}}|^{2}=|({vec {b}}-{vec {c}})|^{2}}


a→2=(b→c→)⋅(b→c→){displaystyle |{vec {a}}|^{2}=({vec {b}}-{vec {c}})cdot ({vec {b}}-{vec {c}})}


a→2=‖b→2+‖c→2−2b→c→{displaystyle |{vec {a}}|^{2}=|{vec {b}}|^{2}+|{vec {c}}|^{2}-2{vec {b}}cdot {vec {c}}}


A lei dos cossenos, formulada nesta notação, pode ser escrita como:


a→2=‖b→2+‖c→2−2‖b→c→cos⁡θb→c→2=‖b→2+‖c→2−2‖b→c→cos⁡θ2‖b→c→cos⁡θ=‖b→2+‖c→2−b→c→2‖b→c→cos⁡θ=‖b→2+‖c→2−(‖b→2−2b→c→+‖c→2)2‖b→c→cos⁡θ=b→c→{displaystyle {begin{aligned}Vert {vec {a}}Vert ^{2}&=Vert {vec {b}}Vert ^{2}+Vert {vec {c}}Vert ^{2}-2Vert {vec {b}}Vert Vert {vec {c}}Vert cos theta \Vert {vec {b}}-{vec {c}}Vert ^{2}&=Vert {vec {b}}Vert ^{2}+Vert {vec {c}}Vert ^{2}-2Vert {vec {b}}Vert Vert {vec {c}}Vert cos theta \2Vert {vec {b}}Vert Vert {vec {c}}Vert cos theta &=Vert {vec {b}}Vert ^{2}+Vert {vec {c}}Vert ^{2}-Vert {vec {b}}-{vec {c}}Vert ^{2}\Vert {vec {b}}Vert Vert {vec {c}}Vert cos theta &={frac {Vert {vec {b}}Vert ^{2}+Vert {vec {c}}Vert ^{2}-(Vert {vec {b}}Vert ^{2}-2{vec {b}}cdot {vec {c}}+Vert {vec {c}}Vert ^{2})}{2}}\Vert {vec {b}}Vert Vert {vec {c}}Vert cos theta &={vec {b}}cdot {vec {c}}\end{aligned}}}

Que é claramente equivalente à fórmula acima derivada da teoria dos vetores.


Já que θ{displaystyle theta } é o ângulo formado entre os vetores b→{displaystyle {vec {b}}} e c→{displaystyle {vec {c}}} e considerando que o ponto da origem de b→{displaystyle {vec {b}}} é o mesmo da origem de c→{displaystyle {vec {c}}}, dizemos que esse ponto é A, pois é oposto ao vetor a→{displaystyle {vec {a}}}, logo formando um ângulo A^{displaystyle {widehat {A}}}.



Forma Matricial |




Lei dos Cossenos


Da figura, podemos deduzir, a partir da definição de cosseno, as seguintes relações:


cos⁡α=mb→m=bcos⁡α{displaystyle cos alpha ={frac {m}{b}}to m=bcos alpha }


cos⁡β=na→n=acos⁡β{displaystyle cos beta ={frac {n}{a}}to n=acos beta }


Somando as duas equações, como m+n=c{displaystyle m+n=c}, obtêm-se a relação:
c=bcos⁡α+acos⁡β{displaystyle c=bcos alpha +acos beta } . Se fossem traçadas as alturas respectivas a cada lado do triângulo, teríam-se:


a=bcos⁡γ+ccos⁡β{displaystyle a=bcos gamma +ccos beta }


b=acos⁡γ+ccos⁡α{displaystyle b=acos gamma +ccos alpha }


c=bcos⁡α+acos⁡β{displaystyle c=bcos alpha +acos beta }


Que consistem em um Sistema Linear, cuja solução pode ser dada pela Regra de Cramer, para tanto, temos:


Matriz dos Coeficientes (M): M=[0cbc0aba0]{displaystyle M={begin{bmatrix}0&c&b\c&0&a\b&a&0end{bmatrix}}}


Matriz não Alterada na Coluna da Varíavel cos⁡α{displaystyle cos alpha } (X): X=[acbb0aca0]{displaystyle X={begin{bmatrix}a&c&b\b&0&a\c&a&0end{bmatrix}}}


Assim, é válida a igualdade cos⁡α=det[X]det[M]{displaystyle cos alpha ={frac {det[X]}{det[M]}}}
e, portanto:


cos⁡α{displaystyle cos alpha } = a(−a2+b2+c2)2abc→a2=b2+c2−2bc⋅cos⁡α{displaystyle {a(-a^{2}+b^{2}+c^{2}) over 2abc}to a^{2}=b^{2}+c^{2}-2bccdot cos alpha } e, analogamente:


b2=a2+c2−2ac⋅cos⁡β{displaystyle b^{2}=a^{2}+c^{2}-2accdot cos beta }


c2=a2+b2−2ab⋅cos⁡γ{displaystyle c^{2}=a^{2}+b^{2}-2abcdot cos gamma }



Ver também |


  • Lei dos senos


Referências




  1. ab Marcos Noé. «Lei do cosseno». R7. Brasil Escola. Consultado em 12 de maio de 2013 


  2. ab Thyago Ribeiro (03 de junho de 2008). «Lei dos Senos e dos Cossenos». InfoEscola. Consultado em 12 de maio de 2013  Verifique data em: |data= (ajuda)



Ligações externas |


  • Uma dedução simples da Lei dos Cossenos



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