Wiskunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9
69Goniometrie in de rechthoekige driehoek
In een rechthoekige driehoek ligt de vorm van de driehoek vast zodra je één scherpe hoek kent — alleen zijn grootte kan nog veranderen. De verhoudingen van zijn zijden hangen dus alleen van de hoek af: die verhoudingen zijn de cosinus, de sinus en de tangens. Samen met de stelling van Pythagoras laten ze je elke zijde en elke hoek van een rechthoekige driehoek uit heel weinig gegevens berekenen.
69.1 De stelling van Pythagoras, opnieuw
Stelling 69.1 (Pythagoras)
In een driehoek die rechthoekig is in , is het kwadraat van de schuine zijde de som van de kwadraten van de twee rechthoekszijden:
Omgekeerd: geldt in een driehoek, dan is de driehoek rechthoekig in .
Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen. ∎
Voorbeeld 69.2
Een rechthoekige driehoek heeft rechthoekszijden en . Dan is
Om een rechthoekszijde te vinden: is en , dan is , dus .
69.2 Cosinus, sinus, tangens
In een rechthoekige driehoek hebben de drie zijden, ten opzichte van een scherpe hoek , elk een naam: de schuine zijde (tegenover de rechte hoek, de langste zijde), de zijde overstaand aan , en de zijde aanliggend aan (de rechthoekszijde die aan raakt).
Definitie 69.3 (Goniometrische verhoudingen)
Voor een scherpe hoek van een rechthoekige driehoek:
Deze verhoudingen hangen alleen van af, niet van de grootte van de driehoek (alle rechthoekige driehoeken met dezelfde scherpe hoek zijn schalingen van elkaar, volgens Thales).
Propositie 69.4 (Eerste eigenschappen)
Voor elke scherpe hoek :
- en (een rechthoekszijde is korter dan de schuine zijde);
- ;
- .
Bewijs. Schrijf voor de aanliggende zijde, voor de overstaande zijde en voor de schuine zijde van een rechthoekige driehoek met hoek .
1. en , dus liggen de twee verhoudingen strikt tussen en .
2. Volgens Pythagoras is . Deel alles door :
3. . ∎
Methode 69.5 (Een zijde vinden)
Om een onbekende zijde te berekenen wanneer één zijde en één scherpe hoek bekend zijn:
- markeer de bekende hoek en benoem de drie zijden (schuine zijde, overstaand, aanliggend) vanuit die hoek;
- kies de verhouding (cos, sin of tan) waarin de bekende zijde en de gevraagde zijde voorkomen;
- schrijf de vergelijking op en los ze op;
- controle op het gezond verstand: de schuine zijde moet er als langste uit komen.
Voorbeeld 69.6
In een rechthoekige driehoek meet de schuine zijde en is één hoek ; bereken de zijde die daar tegenover ligt. De verhouding waarin de overstaande zijde en de schuine zijde voorkomen, is de sinus:
Voor de aanliggende zijde gebruik je de cosinus: . Controle met Pythagoras: .
Methode 69.7 (Een hoek vinden)
Zijn twee zijden bekend, bereken dan de verhouding die ze vormen, bepaal of die de cosinus, de sinus of de tangens van de onbekende hoek is, en pas de omgekeerde functie van de rekenmachine (, of ) toe op de verhouding.
Voorbeeld 69.8
Een ladder van m staat tegen een muur, met zijn voet m van de muur. De hoek tussen de ladder en de grond voldoet aan
Voorbeeld 69.9 (Bijzondere hoeken)
Twee driehoeken geven exacte waarden. De helft van een vierkant met zijde 1 (een rechthoekige gelijkbenige driehoek) heeft schuine zijde en hoeken van :
De helft van een gelijkzijdige driehoek met zijde 1 geeft de hoeken en :
69.3 Oefeningen
Oefening 69.1 ★
Een rechthoekige driehoek heeft rechthoekszijden en . Bereken zijn schuine zijde. Een andere heeft schuine zijde en één rechthoekszijde : bereken de andere rechthoekszijde.
Oplossing
Oplossing van Oefening 69.1.
Schuine zijde: .
Andere rechthoekszijde: .
Oefening 69.2 ★
Een driehoek heeft zijden , en . Is hij rechthoekig? Dezelfde vraag voor zijden , en .
Oplossing
Oplossing van Oefening 69.2.
: ja, rechthoekig (omgekeerde stelling van Pythagoras), met de rechte hoek tegenover de zijde .
: niet rechthoekig.
Oefening 69.3 ★
In een driehoek die rechthoekig is in , met de hoek in aangeduid als : welke zijde is de schuine zijde? Welke zijde ligt tegenover ? Schrijf , en als verhoudingen van de zijden , , .
Oplossing
Oplossing van Oefening 69.3.
De schuine zijde is (tegenover de rechte hoek in ). De zijde tegenover is ; de aanliggende zijde is . Bijgevolg is
Oefening 69.4 ★
In een rechthoekige driehoek meet de schuine zijde en is één scherpe hoek . Bereken de twee rechthoekszijden (afgerond op een tiende; , ).
Oplossing
Oplossing van Oefening 69.4.
Overstaande rechthoekszijde: . Aanliggende rechthoekszijde: . (Controle: .)
Oefening 69.5 ★
In een rechthoekige driehoek meet de rechthoekszijde die aan de hoek ligt , en de overstaande rechthoekszijde . Bereken , en daarna (afgerond op de graad; ).
Oplossing
Oplossing van Oefening 69.5.
, dus is .
Oefening 69.6 ★★
Een drone vliegt op een hoogte van m. Een waarnemer op de grond ziet hem onder een hoogtehoek van . Op welke horizontale afstand van de waarnemer bevindt de drone zich ()?
Oplossing
Oplossing van Oefening 69.6.
In de rechthoekige driehoek die de waarnemer, het punt op de grond onder de drone en de drone vormen: de hoogte van m is de zijde tegenover de hoogtehoek, en de horizontale afstand ligt eraan. Dus is
Oefening 69.7 ★★
Een oprit moet m stijgen met een hoek van ten hoogste met de horizontale. Welke minimale lengte langs de helling moet de oprit hebben ()? Rond naar boven af op een tiende meter.
Oplossing
Oplossing van Oefening 69.7.
De stijging ( m) ligt tegenover de hoek; de lengte van de oprit is de schuine zijde:
De oprit moet minstens m lang zijn.
Oefening 69.8 ★★
Met Propositie 69.4: een scherpe hoek voldoet aan . Bereken zonder te zoeken, en daarna .
Oplossing
Oplossing van Oefening 69.8.
Uit volgt , en voor een scherpe hoek, dus is . Dan is .
Oefening 69.9 ★★★
Verantwoord de exacte waarden van Voorbeeld 69.9: bereken in de rechthoekige gelijkbenige driehoek met rechthoekszijden de schuine zijde; bereken in de gelijkzijdige driehoek met zijde de hoogte, en leid de cosinus en de sinus van en af.
Oplossing
Oplossing van Oefening 69.9.
Rechthoekige gelijkbenige driehoek met rechthoekszijden : schuine zijde ; elke scherpe hoek is , en
Gelijkzijdige driehoek met zijde : zijn hoogte verdeelt hem in twee rechthoekige driehoeken met schuine zijde , basis en hoogte (Pythagoras). De hoeken zijn (op de basis) en (aan de top). De verhoudingen aflezen geeft
69.4 Opgave: meten wat je niet kunt bereiken
Probleem 69.1
Weekendopgave — de methode met twee standplaatsen van de landmeter voor onbereikbare hoogten, hellingspercentages, de afstand tot de horizon, en de wedloop van de tangens naar het oneindige
Geen enkel meetlint reikt tot de top van een berg, tot de spits van een toren aan de andere kant van een rivier, of tot de horizon op zee — maar een hoekmeter en de drie verhoudingen van dit hoofdstuk wel. Het middelpunt van deze opgave is de klassieke methode met twee standplaatsen van de landmeters, die een hoogte berekent zonder ooit haar voet te benaderen; eromheen: verkeersborden, ladders, trappen, de kromming van de Aarde, en een eerste glimp van een functie die naar het oneindige ontploft.
Deel I — Eén standplaats. (Waarden: , , , .)
- Vanuit een punt op m van de voet van een vuurtoren wordt de top gezien onder een hoogtehoek van (gemeten vanaf de horizontale, op ooghoogte). Hoe hoog ligt de top boven ooghoogte?
- Een verkeersbord kondigt een stijging van aan: de weg stijgt m per m horizontaal. Welke hoek maakt de weg met de horizontale? En welk stijgingspercentage zou een weg van hebben?
De twee scherpe hoeken van een rechthoekige driehoek zijn complementair, en de overstaande zijde van de ene is de aanliggende zijde van de andere. Leid de “co”-gelijkheden af:
- Een ladder van m staat onder met de grond. Geef met de exacte waarden van Voorbeeld 69.9 de bereikte hoogte en de afstand van de voet tot de muur — exact, en daarna op de centimeter.
- Ga met getallen na voor en exact voor . Waarom is deze gelijkheid (Propositie 69.4) een goede gewoonte om je werk met de rekenmachine te controleren?
Deel II — Twee standplaatsen. De top van een berg is zichtbaar, zijn voet onbereikbaar. Vanuit een punt is de hoogtehoek van de top ; na m rechtdoor naar de berg te lopen, naar , wordt de hoogtehoek . Schrijf voor de hoogte van de top boven ooghoogte en voor de horizontale afstand van tot de verticale van de top. (, .)
- Druk en uit met , en : twee vergelijkingen voor twee onbekenden.
Druk uit elke vergelijking de horizontale afstand in uit, trek af, en leid de formule met twee standplaatsen af:
Bereken op tien meter nauwkeurig.
- Bereken ook , en toets je twee antwoorden aan de peiling van vanuit .
- In één zin: waarom is de methode met twee standplaatsen onmisbaar — welke ene meting, die hier onmogelijk is, zou de methode met één standplaats uit vraag 1 hebben gevraagd?
- Een toren wordt gepeild onder , en onder na m naar hem toe te lopen. Bereken de hoogte exact met en — het antwoord is een veelvoud van — en daarna op de meter.
Deel III — Tot de horizon en tegen de muur op.
- Hoe ver ligt de horizon? Staat je oog meter boven een bolvormige Aarde met radius , dan scheert je blik langs de bol: de bliklijn, de radius naar het scherende punt en de radius naar je voeten vormen een rechthoekige driehoek. Toon met Pythagoras (Stelling 69.1) aan dat de afstand tot de horizon voldoet aan , en bereken voor ogen op m ( m).
- Dezelfde vraag vanaf de top van een toren van m. (Vuistregel van zeelieden: de horizon in kilometer is ongeveer met in meter — toets je twee antwoorden eraan.)
- Je duim, ongeveer cm breed, op armlengte gehouden, ongeveer cm van je oog: welke hoek bedekt hij? De volle Maan bedekt ongeveer : welk deel van je duim verbergt de hele Maan?
- Comfortabele trappen hebben optreden van cm en aantreden van cm. Onder welke hoek klimmen ze? Vergelijk met de van Voorbeeld 69.9, en met een steile zoldertrap onder : welke optrede zou die nodig hebben bij een aantrede van cm?
- De wedloop van de tangens: bereken (met de rekenmachine) , , , . Wat gebeurt er als de hoek nadert, en waarom (denk aan de aanliggende zijde)? De muur staat verticaal, de verhouding heeft geen waarde, en de grafiek schiet naar het oneindige — je eerste asymptoot, een wezen dat in het bovenbouwvolume nauwkeurig wordt bestudeerd.
Oplossing
Oplossing van Probleem 69.1.
1. De hoogte boven ooghoogte is de zijde tegenover , met aanliggende zijde m: m.
2. geeft — steil voor een weg, en toch een bescheiden hoek. Een weg van heeft : een stijging van . (“Honderd procent” is nog lang niet verticaal — een geliefd misverstand bij skiliften.)
3. In een rechthoekige driehoek met scherpe hoeken en is de zijde die tegenover de ene ligt, de aanliggende zijde van de andere, en is de schuine zijde gemeenschappelijk. Dus is , en symmetrisch : de cosinus is de sinus van het complement.
4. Hoogte: m. Voet: m, precies.
5. (op de afronding na); en . Elk paar waarden dat de gelijkheid niet doorstaat, verraadt een verkeerde aflezing of een rekenmachine in de verkeerde stand — een gratis foutendetector.
6. en .
7. en ; aftrekken geeft , en vandaar de formule. Met getallen: , , verschil : m.
8. m. Controle vanuit : : samenhangend.
9. De methode met één standplaats heeft de horizontale afstand nodig tot het punt recht onder de top — niet te meten over een ravijn of binnen in een berg. De methode met twee standplaatsen vervangt die door een afstand die je zelf kunt afstappen: de m tussen je twee eigen standplaatsen.
10. m — de tweede verdieping van de Eiffeltoren, gemeten met twee peilingen en een wandeling.
11. Bliklijn , radiussen (naar het scherende punt, loodrecht op de bliklijn) en (naar het oog): Pythagoras geeft , dus ( is minuscuul tegenover ). Ogen op m: m — de horizon op zee ligt nauwelijks vijf kilometer ver.
12. km. Vuistregel van de zeelieden: km en km — beide kloppen.
13. geeft . De van de Maan is ongeveer een kwart duim: de Maan lijkt enorm en wordt door een vingernagel verborgen — het oog is een slechte gradenboog.
14. Trap: — een comfortabele trap klimt onder bijna precies de van de bijzondere waarden. Onder bij een aantrede van cm zou de optrede cm zijn: een ladder, geen trap.
15. ; ; ; . Nadert de , dan krimpt de aanliggende zijde tot niets terwijl de overstaande zijde blijft: het quotiënt groeit boven elke grens uit. Bij precies is er geen driehoek en geen waarde — de grafiek van de tangens klimt langs een verticale asymptoot, de eerste van vele in het bovenbouwvolume.