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Trigonometría · Trigonometría

Ley de cosenos

Marcus está parado en la orilla de un lago en un parque estatal de Míchigan, en el punto $C$. Puede medir la distancia hasta el muelle $A$ (240 ft) y hasta el muelle $B$ (310 ft), y también el ángulo entre sus dos líneas de visión ($52^\circ$). No puede cruzar el agua caminando. ¿A qué distancia están los muelles entre sí?

La ley de senos necesita un lado y su ángulo opuesto, y Marcus no tiene ese par. Tiene dos lados y el ángulo comprendido entre ellos. Para esa situación, y para los triángulos de los que conoces los tres lados, necesitas la ley de cosenos.

La ley de cosenos

Rotula todos los triángulos de la forma estándar: cada lado lleva la letra minúscula del vértice al que es opuesto. Así, el lado $a$ es opuesto al ángulo $A$, el lado $b$ al ángulo $B$ y el lado $c$ al ángulo $C$.

Triángulo ABC con los lados a, b, c opuestos a los vértices A, B, C, y el ángulo C marcado entre los lados a y b. A B C c b a el lado c es opuesto al ángulo C

Compárala con el teorema de Pitágoras. Si $C = 90^\circ$, entonces $\cos C = 0$ y el término extra desaparece: $c^2 = a^2 + b^2$. La ley de cosenos es el teorema de Pitágoras más una corrección para los ángulos que no son rectos.

Cuándo usarla:

Conoces Usa Obtienes
dos lados y el ángulo comprendido (LAL) Ley de cosenos el tercer lado
los tres lados (LLL) Ley de cosenos cualquier ángulo
un ángulo y su lado opuesto Ley de senos las demás partes

Intenta plantear tú mismo la fórmula.

Practica★☆☆Sin empezar
En un triángulo $ABC$, los lados miden $a=10$ pulgadas, $b=12$ pulgadas y el ángulo comprendido es $C=45^\circ$. Plantee el teorema del coseno para calcular el valor…

En un triángulo $ABC$, los lados miden $a=10$ pulgadas, $b=12$ pulgadas y el ángulo comprendido es $C=45^\circ$. Plantee el teorema del coseno para calcular el valor exacto del lado $c$.

C B A a = 10 b = 12 c = ? 45°
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Cómo hallar un lado: dos lados y el ángulo comprendido

Si conoces dos lados y el ángulo entre ellos (LAL), sustituye en la fórmula. El resultado es $c^2$, así que termina sacando la raíz cuadrada.

Lago con Marcus en el punto C y los muelles en A y B; los lados CA = 240 ft y CB = 310 ft forman un ángulo de 52 grados y la distancia AB es desconocida. 52° C A B 240 ft 310 ft lago AB = ?

Eso responde la pregunta del inicio. La distancia de 249 ft es menor que $\sqrt{310^2 + 240^2} \approx 392$ ft, como debe ser con un ángulo agudo.

Para respuestas exactas necesitas los cosenos de los ángulos especiales. Recuerda que para ángulos suplementarios, $\cos(180^\circ - \theta) = -\cos\theta$.

Practica★☆☆Sin empezar
En un triángulo $ABC$, se conocen los lados $b=5$ pulgadas, $c=8$ pulgadas y el ángulo comprendido $A=60^\circ$. Calcule la longitud del lado $a$.

En un triángulo $ABC$, se conocen los lados $b=5$ pulgadas, $c=8$ pulgadas y el ángulo comprendido $A=60^\circ$. Calcule la longitud del lado $a$.

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Practica★☆☆Sin empezar
En un triángulo isósceles $ABC$, los lados $a$ y $b$ miden 6 pulgadas cada uno, y el ángulo desigual $C=30^\circ$. Calcule el valor exacto del lado $c$ dejando el…

En un triángulo isósceles $ABC$, los lados $a$ y $b$ miden 6 pulgadas cada uno, y el ángulo desigual $C=30^\circ$. Calcule el valor exacto del lado $c$ dejando el resultado con radicales.

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Cómo hallar un ángulo: tres lados

Si conoces los tres lados (LLL), despeja el coseno del ángulo que quieres y luego usa $\cos^{-1}$.

Solo se resta el cuadrado del lado opuesto al ángulo. Si el resultado es positivo, el ángulo es agudo. Si es negativo, el ángulo es obtuso.

Triángulo con lados de 7, 10 y 13 pulgadas; el ángulo C, opuesto al lado de 13, es desconocido. C = ? c = 13 b = 10 a = 7

Esto también sirve para problemas de "ángulo de visión". Si estás a 20 ft de un extremo de una pancarta y a 24 ft del otro extremo, y la pancarta mide 10 ft de ancho, el ángulo con el que la ves es el ángulo opuesto al lado de 10 ft.

Practica★☆☆Sin empezar
En un triángulo $ABC$, las longitudes de los lados son $a=3$ pulgadas, $b=5$ pulgadas y $c=7$ pulgadas. Calcule la amplitud del ángulo $C$.

En un triángulo $ABC$, las longitudes de los lados son $a=3$ pulgadas, $b=5$ pulgadas y $c=7$ pulgadas. Calcule la amplitud del ángulo $C$.

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Practica★☆☆Sin empezar
Determine el mayor ángulo de un triángulo cuyos lados miden 4 pulgadas, 5 pulgadas y 6 pulgadas.

Determine el mayor ángulo de un triángulo cuyos lados miden 4 pulgadas, 5 pulgadas y 6 pulgadas.

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Practica★★☆Sin empezar
Una cercha de techo triangular tiene lados de 5 pies, 7 pies y 9 pies. Calcule el ángulo opuesto al lado más largo.

Una cercha de techo triangular tiene lados de 5 pies, 7 pies y 9 pies. Calcule el ángulo opuesto al lado más largo.

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Distancias, rumbos y fuerzas

Siempre que puedas medir dos distancias y el ángulo entre ellas, pero no la tercera distancia, tienes un triángulo LAL: topografía, navegación, satélites o composición de fuerzas.

Rumbos

Un rumbo (bearing) es un ángulo medido en el sentido de las agujas del reloj a partir del norte, escrito con tres dígitos. Un rumbo de $040^\circ$ significa $40^\circ$ al este del norte. El ángulo entre dos trayectorias que salen del mismo punto es la diferencia de sus rumbos.

Dos trayectorias que salen del mismo punto con rumbos de 040 grados y 115 grados, formando un ángulo de 75 grados, con la distancia en línea recta entre los dos extremos en trazo discontinuo. N 40° 75° A B d = ?

Composición de fuerzas

Dos fuerzas $F_1$ y $F_2$ tiran del mismo punto y forman un ángulo $\theta$ entre ellas. La resultante $R$ es la diagonal del paralelogramo que forman. El triángulo $O$-$P$-$R$ usa $F_1$ y una copia de $F_2$ colocada cola con punta, así que el ángulo dentro del triángulo es $180^\circ - \theta$, no $\theta$.

Paralelogramo de fuerzas: F1 y F2 tiran desde el mismo punto con un ángulo de 60 grados y la resultante R es la diagonal; el ángulo del triángulo opuesto a R es de 120 grados. 60° 120° F₁ F₂ R
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Calcule la distancia entre dos puntos inaccesibles $A$ y $B$, sabiendo que desde un punto de observación $C$ se han medido las distancias $CA = 15$ pies y $CB = 20$…

Calcule la distancia entre dos puntos inaccesibles $A$ y $B$, sabiendo que desde un punto de observación $C$ se han medido las distancias $CA = 15$ pies y $CB = 20$ pies, y el ángulo visual $ACB$ es de $40^\circ$.

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Dos aviones salen de un mismo aeropuerto al mismo tiempo. El avión A vuela a $800$ mph con un rumbo de $040^\circ$ y el avión B vuela a $650$ mph con un rumbo de…

Dos aviones salen de un mismo aeropuerto al mismo tiempo. El avión A vuela a $800$ mph con un rumbo de $040^\circ$ y el avión B vuela a $650$ mph con un rumbo de $115^\circ$. ¿Qué distancia en línea recta los separa después de 1,5 horas de vuelo?

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Dos fuerzas de 45 N y 60 N actúan sobre un mismo punto material formando un ángulo de $50^\circ$ entre sí. Calcule la magnitud de la fuerza resultante.

Dos fuerzas de 45 N y 60 N actúan sobre un mismo punto material formando un ángulo de $50^\circ$ entre sí. Calcule la magnitud de la fuerza resultante.

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Paralelogramos, diagonales y cuerdas

Muchas figuras geométricas esconden un triángulo en el que conoces dos lados y el ángulo comprendido. El truco es encontrar ese triángulo.

Diagonales de un paralelogramo

Los ángulos consecutivos de un paralelogramo son suplementarios, así que un paralelogramo con un ángulo de $70^\circ$ también tiene ángulos de $110^\circ$. Cada diagonal es el lado opuesto a uno de esos ángulos en un triángulo formado por dos lados adyacentes.

Paralelogramo con lados de 5 y 9 pulgadas y un ángulo de 70 grados; se trazan la diagonal larga y la diagonal corta. 70° 9 5 continua: diagonal larga (opuesta a 110°) discontinua: diagonal corta (opuesta a 70°)

Diagonales que se cortan con un ángulo conocido

Las diagonales de un paralelogramo se bisecan entre sí. Si conoces las diagonales y el ángulo en que se cruzan, trabaja con las mitades de las diagonales. (El ejercicio de este tema llama a la figura romboide: un paralelogramo cuyos lados adyacentes son desiguales y cuyos ángulos no son rectos.) Los dos ángulos de cruce son $\theta$ y $180^\circ - \theta$, así que aparecen dos longitudes de lado distintas.

Cuerdas de una circunferencia

Dos radios y una cuerda forman un triángulo isósceles, con el ángulo central entre los dos lados iguales. Para un radio $r$ y un ángulo central $\theta$:

$$\text{cuerda}^2 = r^2 + r^2 - 2r^2\cos\theta = 2r^2(1 - \cos\theta)$$
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Un paralelogramo tiene dos lados adyacentes que miden 4 pulgadas y 6 pulgadas. Si el ángulo comprendido entre ellos es de $120^\circ$, calcule la longitud de la diagonal…

Un paralelogramo tiene dos lados adyacentes que miden 4 pulgadas y 6 pulgadas. Si el ángulo comprendido entre ellos es de $120^\circ$, calcule la longitud de la diagonal mayor.

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Las diagonales de un romboide miden 12 pulgadas y 16 pulgadas, y se cortan formando un ángulo de $65^\circ$. Calcule la longitud de los cuatro lados del romboide.

Las diagonales de un romboide miden 12 pulgadas y 16 pulgadas, y se cortan formando un ángulo de $65^\circ$. Calcule la longitud de los cuatro lados del romboide.

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En una circunferencia de 10 pulgadas de radio, una cuerda subtiende un ángulo central de $100^\circ$. Calcule la longitud de la cuerda utilizando el teorema del coseno…

En una circunferencia de 10 pulgadas de radio, una cuerda subtiende un ángulo central de $100^\circ$. Calcule la longitud de la cuerda utilizando el teorema del coseno en el triángulo formado por los radios y la cuerda.

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Ecuaciones y demostraciones con la ley de cosenos

A veces la incógnita está escondida en una expresión como $x$, $x+1$, $x+2$, o tienes que demostrar que una relación se cumple en todos los triángulos. La ley de cosenos se convierte en una ecuación o en una herramienta algebraica.

Triángulo obtuso con lados x, x + 1 y x + 2, donde el ángulo de 120 grados es opuesto al lado más largo. 120° x x + 1 x + 2

Cómo relacionar una expresión algebraica con un ángulo

Si un problema da una relación como $a^2 = b^2 + c^2 + k\,bc$, compárala término a término con $a^2 = b^2 + c^2 - 2bc\cos A$. Los coeficientes de $bc$ deben coincidir, así que $-2\cos A = k$ y $\cos A = -\tfrac{k}{2}$. Por ejemplo, $a^2 = b^2 + c^2 + bc$ da $\cos A = -\tfrac12$, así que $A = 120^\circ$. Usa la tabla de valores exactos para leer el ángulo.

Perímetro conocido y un ángulo

Cuando conoces un lado $c$, el ángulo opuesto $C$ y el perímetro, conoces $a + b$. Reescribe los cuadrados usando $a^2 + b^2 = (a+b)^2 - 2ab$.

Cómo demostrar relaciones

Para demostrar algo que se cumple en todos los triángulos, escribe la ley de cosenos para dos o tres lados y combina las ecuaciones.

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En un triángulo, las longitudes de los lados son $x$, $x+2$ y $x+4$. Si el mayor de los ángulos mide $120^\circ$, plantee la ecuación correspondiente, determine el valor…

En un triángulo, las longitudes de los lados son $x$, $x+2$ y $x+4$. Si el mayor de los ángulos mide $120^\circ$, plantee la ecuación correspondiente, determine el valor de $x$ y las longitudes exactas de los tres lados.

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Practica★★★Sin empezar
Un triángulo tiene una base fija $c = 10$ pulgadas y un perímetro constante $p = 26$ pulgadas. Si el ángulo $C$ opuesto a la base mide $60^\circ$, plantea un sistema de…

Un triángulo tiene una base fija $c = 10$ pulgadas y un perímetro constante $p = 26$ pulgadas. Si el ángulo $C$ opuesto a la base mide $60^\circ$, plantea un sistema de ecuaciones y halla las longitudes exactas de los otros dos lados $a$ y $b$.

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Demuestre algebraicamente que en cualquier triángulo $ABC$ se cumple la siguiente relación: $a^2 + b^2 + c^2 = 2(ab \cos C + bc \cos A + ca \cos B)$

Demuestre algebraicamente que en cualquier triángulo $ABC$ se cumple la siguiente relación:

$a^2 + b^2 + c^2 = 2(ab \cos C + bc \cos A + ca \cos B)$

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Dos triángulos, un lado compartido

En los problemas más difíciles, un solo triángulo no basta. Busca un segmento que pertenezca a dos triángulos. La ley de cosenos en cada triángulo da dos expresiones para la misma cantidad, o un ángulo de un triángulo que puedes usar en el otro.

Una mediana

La mediana va de un vértice al punto medio del lado opuesto. Primero halla un ángulo del triángulo completo y luego reutilízalo en el triángulo menor que contiene la mediana.

Un cuadrilátero cíclico

Si un cuadrilátero está inscrito en una circunferencia, sus ángulos opuestos son suplementarios: $B + D = 180^\circ$. Por tanto, $\cos D = -\cos B$. Usa la diagonal $AC$ como lado compartido de los triángulos $ABC$ y $ADC$.

Cuadrilátero ABCD inscrito en una circunferencia con lados AB = 2, BC = 3, CD = 3 y DA = 4, y la diagonal AC en trazo discontinuo. A B C D 2 3 3 4

Dos circunferencias que se cortan

La recta que pasa por los centros es la mediatriz de la cuerda común. En el triángulo formado por los dos centros y un punto de intersección $P$, la ley de cosenos da un ángulo. Entonces la altura desde $P$ hasta la recta de los centros es la mitad de la cuerda.

Diagonales de un cubo

En un cubo de arista $a$, la diagonal de una cara es $a\sqrt2$ (teorema de Pitágoras), y la diagonal espacial es $\sqrt{a^2 + (a\sqrt2)^2} = a\sqrt3$. Dos diagonales espaciales se cruzan en el centro del cubo, y cada una queda dividida en mitades de longitud $\tfrac{a\sqrt3}{2}$. Esas dos mitades y una arista del cubo forman un triángulo que puedes resolver con la ley de cosenos.

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En un triángulo $ABC$, los lados miden $a=8$ pulgadas, $b=10$ pulgadas y $c=12$ pulgadas. Calcule la longitud exacta de la mediana $m_a$ trazada desde el vértice $A$…

En un triángulo $ABC$, los lados miden $a=8$ pulgadas, $b=10$ pulgadas y $c=12$ pulgadas. Calcule la longitud exacta de la mediana $m_a$ trazada desde el vértice $A$ hasta el punto medio del lado $a$.

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Un cuadrilátero inscriptible (cíclico) $ABCD$ tiene lados de longitudes $AB=3$ pulgadas, $BC=4$ pulgadas, $CD=5$ pulgadas y $DA=6$ pulgadas. Teniendo en cuenta las…

Un cuadrilátero inscriptible (cíclico) $ABCD$ tiene lados de longitudes $AB=3$ pulgadas, $BC=4$ pulgadas, $CD=5$ pulgadas y $DA=6$ pulgadas. Teniendo en cuenta las propiedades de los ángulos opuestos en un cuadrilátero cíclico, plantee un sistema utilizando el teorema del coseno en los triángulos $ABC$ y $ADC$ para calcular la longitud exacta de la diagonal $AC$.

A B C D 3 4 5 6 x = ?
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Dos circunferencias de radios 5 pulgadas y 8 pulgadas se cortan en dos puntos. La distancia entre sus centros es de 10 pulgadas. Calcula la longitud de la cuerda común a…

Dos circunferencias de radios 5 pulgadas y 8 pulgadas se cortan en dos puntos. La distancia entre sus centros es de 10 pulgadas. Calcula la longitud de la cuerda común a ambas circunferencias. (Sugerencia: Usa el teorema del coseno para hallar el ángulo central en el triángulo formado por los radios y la línea de centros, y a partir de ahí obtén la altura del triángulo).

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Resumen

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