قانون سینوس‌ها

در مثلثات، قانون سینوس‌ها معادله‌ای است که میان طول ضلع هر مثلث دلخواه و زاویهٔ مقابل آن ضلع رابطه برقرار می‌کند؛ این قانون عبارت است از:

{\frac {a}{\sin(\alpha )}}={\frac {b}{\sin(\beta )}}={\frac {c}{\sin(\gamma )}}

که a و b و c به ترتیب ضلع‌های مثلث و $\alpha$ و $\beta$ و $\gamma$ به ترتیب زاویه‌های مقابل به هر ضلع‌اند. هنگامی که دو زاویه و یک ضلع مثلث را داشته باشیم از قانون سینوس‌ها استفاده می‌کنیم تا طول ضلع‌های دیگر مثلث را بدست آوریم.

پیشینه

قانون کروی سینوس‌ها در قرن ۱۰ میلادی کشف شد. این قانون را بیشتر به ابومحمود حامدبن خضر خجندی، ابوالوفای بوزجانی، خواجه نصیر طوسی و ابونصر منصور^[۱] نسبت می‌دهند.

الجیانی در قرن ۱۱ میلادی کتابی نوشت با عنوان «کتاب کمان‌های ناشناخته در کره» (به انگلیسی: The book of unknown arcs of a sphere) و در آن به معرفی کلی قانون سینوس‌ها پرداخت.^[۲] پس از او در قرن ۱۳ میلادی خواجه نصیر الدین طوسی به بیان این قانون میان صفحه‌ها پرداخت. او در کتابی با عنوان انگلیسی On the Sector Figure قانون سینوس‌ها را برای صفحه‌ها و مثلث‌های کروی بیان کرد و برای قانونش اثبات‌هایی را ارائه کرد.^[۳]

نمونه

در ادامه روش استفاده از قانون سینوس‌ها برای حل یک مسئله گفته شده‌است.

نمونه

اگر فرض کنیم: ضلع‌های a = 20 و c = 24 و زاویهٔ C = 40° باشد، با استفاده از قانون سینوس‌ها می‌توان نتیجه گرفت که:

{\frac {\sin A}{20}}={\frac {\sin 40^{\circ }}{24}}.

A=\arcsin \left({\frac {20\sin 40^{\circ }}{24}}\right)\cong 32.39^{\circ }.

رابطه با دایرهٔ محیطی مثلث

اگر داشته باشیم:

\,{\frac {a}{\sin \alpha }}={\frac {b}{\sin \beta }}={\frac {c}{\sin \gamma }}={\frac {abc}{2S}}=2R

،

مقدار تک تک کسرهایی که در قانون سینوس‌ها نوشته می‌شود برابر است با قطر دایرهٔ محیطی مثلث می‌توان نشان داد که این مقدار خود برابر است با:

{\begin{aligned}{\frac {abc}{2S}}&{}={\frac {abc}{2{\sqrt {p(p-a)(p-b)(p-c)}}}}\\[6pt]&{}={\frac {2abc}{\sqrt {(a^{2}+b^{2}+c^{2})^{2}-2(a^{4}+b^{4}+c^{4})}}},\end{aligned}}

که در آن S مساحت مثلث است و p برابر با نصف محیط $p={\frac {a+b+c}{2}}$ می‌باشد. همچنین رابطهٔ $S={\sqrt {p(p-a)(p-b)(p-c)}}$ فرمول هرون بود که از آن در بالا استفاده شد.

حالت مبهم برای مثلث

وقتی از قانون سینوس‌ها استفاده می‌کنیم تا زاویه‌های یک مثلث را بدست آوریم، حالت‌هایی وجود دارند که ابهام برانگیزند و ما به جای یک جواب به دو جواب (دو مثلث) می‌رسیم.

اگر ABC یک مثلث دلخواه باشد اگر شرایط زیر اتفاق افتد:

اطلاعات ما دربارهٔ مثلث تنها زاویهٔ A و ضلع‌های a و b باشد.
زاویهٔ A یک زاویهٔ تند باشد (کوچکتر از ۹۰ درجه).
ضلع a کوچکتر از ضلع b باشد (a <b).
ضلع a بزرگتر از ارتفاع مثلث راست‌گوشه با زاویهٔ A و وتر b باشد (a> b sin A).

اگر تمام شرط‌های بالا برقرار باشد، بسته به اینکه زاویهٔ B تند است یا باز، یکی از جواب‌های بدست آمده درست خواهد بود.

B=\arcsin {b\sin A \over a}

یا

B=180^{\circ }-\arcsin {b\sin A \over a}

اثبات

بنابر شکل بالا و با استفاده از قانون مساحت مثلثات، داریم:

حالت کلی در فضای اقلیدوسی

چهاروجهی A_۱A_۲A_۳A_۴ را در فضای اقلیدوسی در نظر بگیرید. در شکل مقابل اطلاعات مربوط به زاویه‌ها و ضلع مقابل به هر گوشه نشان داده شده‌است:

$\,\mathrm {S} _{k}$ ضلع مقابل به گوشهٔ $\,\mathrm {A} _{k}$ .
$\,\Delta _{k}$ صفحه‌ای که $\,\mathrm {S} _{k}$ بر روی آن قرار دارد.
$\,\theta _{ij}$ زاویهٔ میان دو سطح ${\widehat {(\Delta _{i},\Delta _{j})}}$ .

سینوس زاویهٔ دو سطحی که بوسیلهٔ گوشهٔ A_۱ به وجود آمده به روش زیر بدست می‌آید:

$\sin A_{1}={\frac {\sqrt {1-\cos ^{2}\theta _{23}-\cos ^{2}\theta _{24}-\cos ^{2}\theta _{34}-2\cos \theta _{23}\cos \theta _{24}\cos \theta _{34}}}{\sin \theta _{23}\sin \theta _{24}\sin \theta _{34}}}$ ;