Например, длина отрезка от точки (–2, 3) до точки (5, 8) равна
Доказательство: Возьмем две точки (x1, y1) и (x2, y2). Начертим прямоугольный треугольник, гипотенузой которого будет отрезок, соединяющий эти точки. На рисунке выше длина основания равна x2 – x1, а высота – y2 – y1. Следовательно, согласно теореме Пифагора, гипотенуза L равна
L² = (x2 – x1)² + (y2 – y1)²
то есть
что и требовалось доказать.
Отступление
Чему будет равна диагональ в коробке размером a × b × c? Возьмем прямоугольник, образующий дно этой коробки, и обозначим пару противоположных его углов буквами O и P. Длина и ширина при этом будут равны соответственно a и b, а диагональ OP – √(a² + b²).
Теперь проложим линию c от точки P к точке Q, образующей угол, противолежащий O. Чтобы найти расстояние от O до Q, нам понадобятся длины катетов прямоугольного треугольника
и c. Применим к ним теорему Пифагора и получим, что длина диагонали OQ равна
Ну а теперь собственно тождество – столь же полезное, сколь и красивое. Доказательство может показаться несколько запутанным, поэтому можете смело его пропускать (хотя я все же советую вам в нем разобраться – оно ляжет в основу доказательства других тождеств).
Теорема: Для любых углов A и B
cos(A – B) = cos A cos B + sin A sin B
Доказательство: На единичной окружности, центром которой является точка O, расположены точки P (cos A, sin A) и Q (cos B, sin B). Предположим, что длина отрезка PQ равна с. Что можно сказать о ней?
В треугольнике OPQ отрезки OP и OQ являются радиусами единичной окружности, а значит, их длина равна 1, а ∠POQ может быть измерен как A – B. Следовательно, согласно закону косинусов,
c² = 1² + 1² – 2(1)(1) cos (A – B) = 2 – 2 cos (A – B)
С другой стороны, формула расстояния приводит нас к уравнению
c² = (x2 – x1)² + (y2 – y1)²
поэтому расстояние c от точки P = (cos A, sin A) до точки Q = (cos B, sin B) соответствует
c² = (cos B – cos A)² + (sin B – sin A)² = cos² B – 2 cos A cos B + cos² A + sin² B – 2 sin A sin B + sin² A = 2 – 2 cos A cos B – 2 sin A sin B
где последнее представление основывается на уравнениях cos² B + sin² B = 1 и cos² A + sin² A = 1.
Соединив эти уравнения для c², получаем
2 – 2 cos (A – B) = 2 – 2 cos A cos B – 2 sin A sin B
Вычтем из обеих частей 2, разделим их на –2 и получим
cos (A – B) = cos A cos B + sin A sin B
что и требовалось доказать.◻
Отступление
Формула для cos (A – B) основывается на законе косинусов и исходит из того, что 0° < A – B < 180°. Но ту же теорему можно доказать и выйдя за рамки подобных ограничений. Если переместить треугольник POQ по часовой стрелке на B градусов, мы получим конгруэнтный ему треугольник P'OQ', в котором Q' будет располагаться на оси x в координатах (1, 0).
Так как ∠P'OQ' = A – B, P' = (cos (A – B), sin (A – B)). Согласно формуле расстояния для P'Q' будет верно следующее:
c² = (cos (A – B) – 1)² + (sin (A – B) – 0)² = cos² (A – B) – 2 cos (A – B) + 1 + sin² (A – B) = 2 – 2 cos (A – B)
Из этого можно заключить, что c² = 2 – 2 cos (A – B), при этом нам не нужны ни теорема косинусов, ни предположение об угле A – B. Ну а дальнейшее доказательство можно скопировать с предыдущего.
Обратите внимание, что при A = 90° формула для cos (A – B) утверждает следующее:
