LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRIA ESFERICA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. LA ESFERA. ELEMENTOS DE LA ESFERA. FORMULAS DE LOS SENOS. FORMULAS DE LOS COSENOS. FORMULAS DE BESSEL. FORMULAS DE LAS COTANGENTES. FORMULAS DE BORDA. ANALOGIAS DE DELAMBRE. ANALOGIAS DE NEPER. ---OO0OO--- MARCHENA DICIEMBRE 2002 0 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA 1. LA ESFERA. ELEMENTOS DE LA ESFERA: La esfera: Una esfera E, de centro en el punto (a,b,c) y radio k, es el dominio de R3 definido por { E = (x , y , z ) ∈ R 3 / (x − a ) + (y − b ) + (z − c ) ≤ k 2 2 2 2 } Superficie de la esfera: Se llama superficie de una esfera de centro en el punto (a,b,c) y radio k, al dominio de R3 definido por { E = (x , y , z ) ∈ R 3 / (x − a ) + (y − b ) + (z − c ) = k 2 2 2 2 } Círculos máximos: Se llaman círculos máximos de una esfera de radio k a las circunferencias de radio k. Los círculos máximos están contenidos en la superficie de la esfera. Se llama ángulo barrido sobre un círculo máximo comprendido entre dos punto A y B del mismo al ángulo AOB, siendo O el centro matemático de la esfera. MARCHENA DICIEMBRE 2002 1 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA Propiedades elementales: a) 4 puntos del espacio euclídeo R3 definen una esfera, y solo una. b) Por un punto P de la superficie de una esfera pasan infinitos círculos máximos. Por dos puntos P y Q de la superficie de una esfera pasa un círculo máximo y solo uno. c) Si la longitud de arco desde A a B es a y el radio de la esfera es k, el ángulo sobre el círculo máximo es @ = a/k. Volumen y superficie de la esfera: El volumen de una esfera es el volumen de revolución engendrado por un recinto circular que gira alrededor del diámetro. La superficie es la superficie lateral de un cuerpo de revolución. Si consideramos a la esfera centrada en el origen, se tiene: Para el volumen: MARCHENA k k 0 0 V = 2π ∫ y 2.dx , Para la superficie: S = 4π ∫ y. 1 + y ' 2 .dx DICIEMBRE 2002 2 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA Cálculos: ( ) k k 4 V = 2π ∫ y 2 .dx =2π ∫ k 2 − x 2 .dx = π.k 3 0 0 3 k k S = 4π ∫0 y. 1 + y ' .dx = 4π∫0 2 2 k − x k y. 1 + .dx = 4π∫0 y. .dx = 4π.k 2 y y Dominio sobre la superficie esférica: Un dominio de superficie esférica es un recinto o área sobre la superficie de la esfera limitado por curvas contenidas en dicha superficie. Triángulo esférico: Un triángulo esférico de vértices A, B y C, es el dominio de superficie esférica limitado por tres círculos máximos que se cortan en A, B y C. Los lados, a, b y c, son respectivamente, los arcos de círculo máximo opuestos a A, B y C. En todo triángulo esférico de lados a, b y c, y de vértices A, B y C, sobre una superficie esférica de radio k, se pueden distinguir 6 ángulos: A, B y C: son los ángulos diedros que definen los círculos máximos que se cortan en dichos MARCHENA DICIEMBRE 2002 3 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA puntos. a/k, b/k, c/k son los ángulos centrales (con vértice en el centro de la esfera) barridos por cada uno de los lados a, b y c. Las razones trigonométricas seno, coseno, tangente, cotangente, secante y cosecante de cada uno de estos ángulos son también el seno, coseno, tangente, cotangente, secante y cosecante del ángulo plano de igual amplitud. Esto quiere decir que son validas las fórmulas de la trigonometría plana para cada ángulo, esto es: Relaciones elementales: cos2 a + sen2 a = 1, tg2 a = sen2 a , cos2 a sen2 a = tg 2 a , 1 + tg2 a cos2 a = 1 1 + tg 2 a Ángulo suma/diferencia: sen(a ± b) = sena. cos b ± cos a.senb cos(a ± b) = cos a. cos b m sena.senb tga ± tgb tg( a ± b) = 1 m tga.tgb Ángulo doble: sen2 A = 2.senA. cos A, cos 2 A = cos A − sen A, 2 2 2.tg2 A tg2 A = 1 − tg 2 A Ángulo mitad: cos2 A 1 + cos A = , 2 2 sen2 A 1 − cos A = , 2 2 tg 2 A 1 − cos A = 2 1 + cos A Factorización de suma/diferencia de senos y de suma/diferencia de cosenos: p + q p − q senp + senq = 2.sen . cos 2 2 p + q p − q senp − senq = 2. cos .sen 2 2 p + q p − q cos p − cos q = −2.sen .sen 2 2 p + q p − q cos p + cos q = 2. cos . cos 2 2 MARCHENA DICIEMBRE 2002 4 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA Triángulo polar: Se llama triángulo polar relativo al triángulo esférico de vértices A,B y C, y lados a, b y c, al triángulo de vértices A', B' y C', y lados a', b' y c', definido por: A' = 180 - a/k, B' = 180 - b/k, C' = 180 - c/k a'/k = 180 - A, b'/k = 180 - B, c'/k = 180 - C Esfera trigonométrica: Llamaremos esfera trigonométrica a una esfera de radio unidad. Los ángulos centrales coinciden en esta esfera con los lados del triángulo. MARCHENA DICIEMBRE 2002 5 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA 2. FORMULAS DE LOS SENOS: Sea el triángulo esférico ABC sobre una esfera de radio k y centro en el punto O(0,0,0). Tracemos la normal AD al plano OBC. Por el punto D tracemos ahora la normal DF a la recta OB y la normal DE a la recta OC. La paralela por F a DE corta a OC en el punto G y la paralela a OC por D corta a OB en el punto H. Analicemos los triángulos planos que se forman al efectuar el trazado de las anteriores rectas al objeto de obtener una relación entre los senos de los ángulos que aparecen en el triángulo esférico. Si consideramos el triángulo rectángulo plano AFD y también que el ángulo de vértice en F coincide con el ángulo B del triángulo esférico se tiene: AD = AF .sen B = AO. sen c / k. sen B Análogamente, podemos considerar el triángulo plano AED y que el ángulo de vértice en E coincide con el ángulo C del triángulo esférico: AD = AE.sen C = AO. sen b / k . sen C al identificar: AO. sen c / k . sen B = AO.sen b / k . sen C o sea: sen b / k sen c / k = sen B sen C Haciendo lo mismo con los otros vértices B y C (normales desde B y desde C), se tienen las formulas de los senos: MARCHENA DICIEMBRE 2002 6 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA a b c sen sen sen k = k = k sen A sen B sen C que, si se trata de la esfera trigonométrica (k = 1) se puede escribir: sen a sen b sen c = = sen A sen B sen C Fórmulas que guardan una cierta analogía con las fórmulas del mismo nombre de la trigonometría plana. En definitiva: En un triángulo esférico se verifica siempre que el ángulo central que barre cada uno de los lados es proporcional al seno del ángulo diedro opuesto. MARCHENA DICIEMBRE 2002 7 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA 3. FORMULAS DE LOS COSENOS: Para deducir ciertas relaciones básicas entre los cosenos de los ángulos del triángulo esférico, volvemos a utilizar la figura del apartado anterior. Podemos partir de la relación: OE = OG + GE obtenemos la expresión de cada uno de estos tres términos: Si consideramos el triángulo plano ADE, vemos que está situado en un plano perpendicular al segmento OC, por lo que el lado AE es perpendicular a OC. Se verifica, entonces, que OE = OA. cos b / k = k. cos b / k Análogamente, se obtienen: OG = OF. cos a / k = k. cos c / k. cos a / k GE = FD.sen a / k = AF . cos B.sen a / k = k.sen c / k. cos B.sen a / k Por tanto, se verifica que: k. cos b / k = k. cos c / k. cos a / k + k.sen c / k. cos B.sen a / k es decir: cos b / k = cos c / k . cos a / k + sen c / k . cos B.sen a / k Análogamente se obtienen, proyectando los otros dos vértices del triángulo esférico, fórmulas análogas. Se tiene, en definitiva, el sistema de fórmulas conocido como las formulas de los cosenos: cos a / k = cos b / k. cos c / k + sen b / k. sen c / k . cos A MARCHENA DICIEMBRE 2002 8 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA cos b / k = cos c / k. cos a / k + sen c / k. sen a / k . cos B cos c / k = cos a / k. cos b / k + sen a / k . sen b / k. cos C O sea: En un triángulo esférico, el coseno del ángulo central barrido por un lado es igual al producto de los cosenos de los ángulos barridos por los otros dos lados más el producto de los senos por el coseno del ángulo diedro opuesto. Si se trata de la esfera trigonométrica, se tiene: cos a = cos b. cos c + sen b. sen c. cos A cos b = cos c. cos a + sen c. sen a. cos B cos c = cos a. cos b + sen a. sen b. cos C MARCHENA DICIEMBRE 2002 9 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA 4. FORMULAS DE BESSEL: Desde las fórmulas de los cosenos, obtenidas en la sección anterior, se pueden obtener de inmediato un conjunto de varias fórmulas conocidas como "relaciones del seno por el coseno" o también denominadas Fórmulas de Bessel. Fueron deducidas por primera vez por el gran matemático Friedrich Wilhelm Bessel (Wesfalia, Alemania, 1784-Kaliningrado, Rusia, 1846). cos a / k = cos b / k. cos c / k + sen b / k. sen c / k . cos A cos b / k = cos c / k. cos a / k + sen c / k. sen a / k . cos B cos c / k = cos a / k. cos b / k + sen a / k . sen b / k. cos C Si en las fórmulas del coseno, sustituimos alguno de los cosenos despejados, por el ejemplo el que figura en la tercera relación, en su expresión en el primer sumando de alguna de las otras dos relaciones, se obtiene una fórmula para el producto de un seno por un coseno: Así, por ejemplo, sustituimos en la segunda formula el cos c / k , que figura despejado en la tercera: sen c / k. sen a / k. cos B = cos b / k − cos c / k . cos a / k = = cos b / k − cos a / k. (cos a / k. cos b / k + sena / k. senb / k. cos C ) = = cos b / k − cos2 a / k. cos b / k − cos a / k . sena / k. senb / k. cos C = = cos b / k.sen2 a / k − cos a / k. sena / k . senb / k. cos C sen a / k : sen c / k. cos B = cos b / k . sen a / k − cos a / k . senb / k. cos C Dividiendo toda la expresión por permutando las letras se obtiene todo el conjunto de las fórmulas: sen c / k. sen c / k. sen b / k. sen b / k. sen a / k. sen a / k. cos B = cos b / k . sen a / k cos A = cos a / k. sen b / k cos A = cos a / k . sen c / k cos C = cos c / k. sen a / k cos B = cos b / k. sen c / k cos C = cos c / k. sen b / k − − − − − − cos a / k . senb / k. cos C cos b / k. sena / k . cos C cos c / k. sena / k. cos B cos a / k. senc / k. cos B cos c / k . senb / k. cos A cos b / k. senc / k. cos A El conjunto de las fórmulas de Bessel puede escribirse, para la esfera de radio unidad, esto es, la esfera trigonométrica, de la forma: sen c. sen c. sen b. sen b. sen a. sen a. MARCHENA cos B = cos b. sen a cos A = cos a. sen b cos A = cos a. sen c cos C = cos c. sen a cos B = cos b. sen c cos C = cos c. sen b − − − − − − cos a. senb. cos C cos b. sena. cos C cos c. sena. cos B cos a. senc. cos B cos c. senb. cos A cos b. senc. cos A DICIEMBRE 2002 10 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA 5. FORMULAS DE LAS COTANGENTES: Combinando las fórmulas de Bessel con la fórmula de los senos, se obtiene el grupo de fórmulas llamado formulas de las cotangentes. Tomando una cualquiera de las fórmulas de Bessel, la primera del grupo, por ejemplo: sen c / k. cos B = cos b / k . sen a / k − cos a / k . sen b / k . cos C dividimos a continuación por la expresión del teorema de los senos senA. senb / k = sena / k. senB resulta: ctgB = multiplicando por ctg b / k. sen c / k − cos c / k. ctgA senA sen A y despejando: senA. ctgB = ctg b / k . sen c / k − cos c / k . cos A o sea: sen c / k. ctgb / k = senA. ctgB + cos c / k. cos A permutando letras, obtenemos el bloque de las fórmulas de las cotangentes: senc / k . ctgb / k = senA. ctgB + cos c / k. cos A senc / k . ctga / k = senB. ctgA + cos c / k . cos B senb / k. ctga / k = senC. ctgA + cos b / k. cos C senb / k. ctgc / k = senA. ctgC + cos b / k. cos A sen a / k. ctgb / k = sen C . ctgB + cos a / k . cos C sen a / k. ctg c / k = sen B. ctg C + cos a / k . cos B que, para la esfera trigonométrica, se convierten en : senc. ctgb = senA. ctgB senc. ctga = senB. ctgA senb. ctga = senC. ctgA senb ctgc = senA. ctgC sena. ctgb = senC. ctgB sena. ctgc = senB. ctgC MARCHENA + cos c. cos A + cos c. cos B + cos b. cos C + cos b. cos A + cos a. cos C + cos a. cos B DICIEMBRE 2002 11 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA 6. FORMULAS DE BORDA: A partir de las fórmulas del ángulo mitad de la trigonometría plana, y sustituyendo las fórmulas del coseno, podemos obtener un grupo de fórmulas que explicitan la tangente del ángulo diedro mitad, obtenidas por primera vez por Jean Borda (París, 1733-1799). Si llamamos p al semiperímetro del triángulo definido por los arcos a, b y c, se tiene: p= a+b+c b+c−a a+c −b b+c−a , p−a= , p−b= , p−c = 2 2 2 2 de las fórmulas del coseno para la esfera trigonométrica, se tiene: cos a = cos b. cos c + senb.senc. cos A → cos A = cos a − cos b. cos c senb.senc y, a partir de la fórmula de la trigonometría plana que da la tangente del ángulo mitad, se puede escribir: cos a − cos b. cos c A 1 − cos A senb.senc − cos a + cos b. cos c senb.senc tg2 = = = = cos a − cos b. cos c 2 1 + cos A senb.senc + cos a − cos b. cos c 1+ senb.senc b + a− c b − c − a − 2.sen .sen cos(b − c ) − cos a 2 2 = = = − cos(b + c ) + cos a a− b − c a+ b+c − 2.sen .sen 2 2 1− b + a −c a + c − b sen .sen 2 2 = sen(p − c ).sen(p − b ) = b + c − a a + b + c sen(p − a).senp sen .sen 2 2 podemos, entonces, escribir que: tg2 A sen( p − c ).sen( p − b) = 2 sen(p − a).senp tg2 B sen( p − c ).sen( p − a) = 2 sen(p − b).senp tg2 C sen( p − a).sen( p − b) = 2 sen( p − c ).senp y, por analogía: MARCHENA DICIEMBRE 2002 12 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA En definitiva, se obtiene, para una esfera de radio k: p-c p-b sen( ).sen( ) A 2 k k = tg p p-a 2 sen( )sen( ) k k p-a p-c sen( ).sen( ) B 2 k k = tg p p- b 2 sen( )sen( ) k k p-a p- b sen( ).sen( ) C 2 k k = tg p p-c 2 sen( )sen( ) k k O sea: La tangente del ángulo diedro mitad es la raiz cuadrada del cociente de dividir el producto de los senos del complemento semiperimetral de los angulos centrales adyacentes por el producto del seno del semiperímetro por el seno del complemento semiperimetral del ángulo central opuesto. Para despejar desde estas fórmulas el seno y el coseno correspondientes, tengamos en cuenta las fórmulas de trigonometría plana que nos dan: sen2 A = 2 tg2 A 2 A 1 + tg2 2 , cos2 A = 2 1 1 + tg2 A 2 Por lo cual, al sustituir: sen(p − b).sen( p − c ) A sen( p − b).sen( p − c ) senp.sen(p − a) sen2 = = = sen( p − b).sen( p − c ) senp.sen( p − a) + sen( p − b).sen(p − c) 2 1+ senp.sen( p − a) sen( p − b).sen(p − c) = senb.senc 1 senp.sen( p − a) = = sen( p − b).sen(p − c ) senp.sen( p − a) + sen( p − b).sen( p − c ) 1+ senp.sen( p − a) senp.sen( p − a) = senb.senc MARCHENA DICIEMBRE 2002 13 cos2 A = 2 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA Donde se ha simplificado la expresión del denominador haciendo: cos a − cos(2p − a) + 2 cos(c − b) − cos a cos(c − b) − cos(c + b) 2senb.senc + = = = senb.senc 2 2 2 senp.sen( p − a) + sen( p − b).sen( p − c ) = Se obtienen, así, el seno y coseno del ángulo diedro mitad, referidos a una esfera trigonométrica, esto es, de radio unidad: sen A = 2 sen sen MARCHENA B = 2 C = 2 sen(p − b).sen(p − c ) A , cos = senb.senc 2 sen(p − a).sen(p − c ) B , cos = sena.senc 2 sen(p − b).sen( p − a) C , cos = senb.sena 2 senp.sen(p − a) senb.senc senp.sen(p − b) sena.senc senp.sen(p − c ) senb.sena DICIEMBRE 2002 14 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA 7. ANALOGIAS DE DELAMBRE: Usando las fórmulas de Borda, y teniendo en cuenta que por la fórmula del ángulo suma de la trigonometría plana es B+C B C B C sen = sen .cos + cos .sen 2 2 2 2 2 Podemos obtener mediante una sencilla sustitución las fórmulas llamadas analogías de Delambre, obtenidas por Jean Baptiste Joseph Delambre (Amiens, 1749 - París, 1822). Efectivamente, se tiene: sen B+C = 2 sen( p − a).sen( p − c ) senp.sen(p − c) . + sena.senc sena.senb + senp.sen(p − b) sen( p − a).sen( p − b) . = sena.senc sena.senb sen2 ( p − c).senp.sen( p − a) + sen2 a.senb.senc + sen2 (p − b).senp.sen(p − a) sen( p − c ) senp.sen( p − a) = + sena senb.senc sen2 a.senb.senc + sen(p − b) senp.sen(p − a) sen( p − c ) + sen(p − b) A = . cos = sena senb.senc sena 2 a 2p − c − b b − c b − c 2.sen . cos 2.sen . cos 2 2 A 2 2 A = . cos = . cos = a a sena 2 2 2.sen . cos 2 2 b − c b − c cos cos 2 A B+C 2 A = . cos ⇒ sen = . cos a a 2 2 2 cos cos 2 2 Se obtiene, en definitiva: Análogamente se obtienen: B+C b-c sen cos 2 = 2 A a cos cos 2 2 B-C b-c sen sen 2 = 2 A a cos sen 2 2 MARCHENA DICIEMBRE 2002 15 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA B+C b+ c cos cos 2 = 2 A a sen cos 2 2 B-C b+c cos sen 2 = 2 A a sen sen 2 2 Permutando circularmente las letras, se obtienen otras ocho fórmulas que completan el grupo. C+A c-a sen cos 2 = 2 B b cos cos 2 2 C-A c-a sen sen 2 = 2 B b cos sen 2 2 C+A c+a cos cos 2 = 2 B b sen cos 2 2 C-A c+a cos sen 2 = 2 B b sen sen 2 2 A+B a-b cos 2 = 2 C c cos cos 2 2 A- B a-b sen sen 2 = 2 C c cos sen 2 2 A+B a+b cos cos 2 = 2 C c sen cos 2 2 A- B a+ b cos sen 2 = 2 C c sen sen 2 2 sen MARCHENA DICIEMBRE 2002 16 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA 8. ANALOGIAS DE NEPER: Si se dividen las analogias de Delambre, se obtienen las relaciones siguientes, conocidas como analogias de Neper: B-C b+ c 2 .tg a tg = B+C 2 2 cos 2 cos B-C b- c 2 .tg a tg = B+C 2 2 sen 2 sen b-c B+C 2 .cotg A tg = b+c 2 2 cos 2 cos b-c sen B-C 2 .cotg A tg = b+c 2 2 sen 2 Permutando circularmente las letras, se obtienen otras ocho fórmulas que completan este grupo. C-A c+a 2 .tg b tg = C+A 2 2 cos 2 cos C-A sen c-a 2 .tg b tg = C+A 2 2 sen 2 c-a C+A 2 .cotgB tg = c+a 2 2 cos 2 cos MARCHENA DICIEMBRE 2002 17 LAS FÓRMULAS DE LA TRIGONOMETRÍA ESFÉRICA CARLOS S. CHINEA c-a sen C-A 2 .cotgB tg = c+a 2 2 sen 2 A- B cos a+ b 2 .tg c tg = A+ B 2 2 cos 2 A-B sen a-b 2 .tg c tg = A+B 2 2 sen 2 a- b cos A+ B 2 .cotgC tg = a+ b 2 2 cos 2 a-b sen A- B 2 .cotgC tg = a+ b 2 2 sen 2 MARCHENA DICIEMBRE 2002 18