Enunciado del teorema del coseno: a² = b² + c² − 2bc·cos(A)

M2 — PAES electiva Avanzada

Resumen inicial

El Teorema del Coseno establece que en cualquier triángulo, el cuadrado de un lado es igual a la suma de los cuadrados de los otros dos lados menos el doble de su producto por el coseno del ángulo que forman: $a^2 = b^2 + c^2 - 2bc\cos(\alpha)$.

Explicación en palabras simples

Enunciado del Teorema del Coseno: a² = b² + c² - 2bc cos(α)

Es como el Teorema de Pitágoras, pero con un descuento ($ - 2bc\cos(\alpha)$) que corrige la inclinación cuando el ángulo no es recto ($90^\circ$).

Explicación formal

Teorema formal

En todo triángulo plano $\Delta ABC$ con lados de longitud $a = \|\overline{BC}\|$, $b = \|\overline{AC}\|$, $c = \|\overline{AB}\|$ y ángulos interiores $\alpha, \beta, \gamma$, se verifican las identidades métricas:

$$\begin{cases} a^2 = b^2 + c^2 - 2bc\cos(\alpha) \\ b^2 = a^2 + c^2 - 2ac\cos(\beta) \\ c^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos(\gamma) \end{cases}$$

Desglose simbólico y geométrico

  • Deducción vectorial: Sean $\vec{u} = \vec{AB}$ y $\vec{v} = \vec{AC}$. Entonces $\vec{BC} = \vec{v} - \vec{u}$. Tomando la norma al cuadrado:

$$a^2 = \|\vec{v} - \vec{u}\|^2 = \|\vec{v}\|^2 + \|\vec{u}\|^2 - 2(\vec{u} \cdot \vec{v}) = b^2 + c^2 - 2bc\cos(\alpha)$$

  • Caso particular de Pitágoras: Si $\alpha = 90^\circ$, entonces $\cos(90^\circ) = 0$, recuperando $a^2 = b^2 + c^2$.
  • Ángulo obtuso: Si $\alpha > 90^\circ$, $\cos(\alpha) < 0$, por lo que el término $-2bc\cos(\alpha) > 0$ aumenta el cuadrado del lado opuesto.

Síntesis didáctica

El Teorema del Coseno unifica la métrica euclidiana para todos los triángulos sin requerir la presencia de ángulos rectos.

Comprueba tu avance ¿Qué ocurre con el Teorema del Coseno si el ángulo comprendido α es de 90°?

Definiciones clave

  • Teorema del Coseno: Relación métrica que generaliza el Teorema de Pitágoras a cualquier triángulo plano.
  • Caso LAL: Configuración geométrica donde se conocen dos lados y el ángulo comprendido entre ellos.
  • Caso LLL: Configuración geométrica donde se conocen las tres longitudes de los lados.
  • Término de corrección: Término $-2bc\cos(\alpha)$ que ajusta la métrica según la apertura angular.

Propiedades y relaciones importantes

  • Forma estándar: $a^2 = b^2 + c^2 - 2bc\cos(\alpha)$.
  • Despeje angular: $\cos(\alpha) = \frac{b^2 + c^2 - a^2}{2bc}$.
  • Conexión con Pitágoras: Para $\alpha = 90^\circ$, $\cos(90^\circ) = 0 \implies a^2 = b^2 + c^2$.

Ejemplo guiado

Ejemplo de Enunciado del Teorema del Coseno: a² = b² + c² - 2bc cos(α)

Aplica el Teorema del Coseno para calcular el elemento métrico o angular solicitado en el triángulo oblicuángulo.

  • Paso 1: Identificar los datos dados (caso LAL o caso LLL).
  • Paso 2: Plantear la ecuación del Teorema del Coseno correspondiente al elemento incógnita.
  • Paso 3: Sustituir las longitudes y el valor del coseno del ángulo.
  • Paso 4: Efectuar las operaciones aritméticas respetando la jerarquía de las multiplicaciones.
  • Paso 5: Extraer la raíz cuadrada positiva para hallar el lado o calcular la función inversa arccos para el ángulo.
Comprueba tu avance En un triángulo con lados b = 3 cm, c = 4 cm y ángulo comprendido α = 60° (con cos(60°) = 0,5), ¿cuánto vale a²?

Procedimiento

  • Paso 1: Dibujar el triángulo y etiquetar los vértices $A, B, C$ y lados opuestos $a, b, c$.
  • Paso 2: Verificar si se dispone de LAL (dos lados y ángulo entre ellos) o LLL (tres lados).
  • Paso 3: Usar $a^2 = b^2 + c^2 - 2bc\cos(\alpha)$ o $\cos(\alpha) = (b^2 + c^2 - a^2)/(2bc)$.
  • Paso 4: Realizar los cálculos numéricos con precisión.
  • Paso 5: Comprobar que el lado resultante cumpla la desigualdad triangular $|b - c| < a < b + c$.

Errores frecuentes y cómo corregirlos

No olvides la jerarquía de operaciones: nunca restes $b^2 + c^2 - 2bc$ antes de multiplicar por $\cos(\alpha)$.

Ejemplos

Responde los siguientes ejercicios para poner a prueba lo que acabas de aprender.

1 ¿Cuál es el valor correspondiente calculado con el Teorema del Coseno?
2 ¿El Teorema del Coseno se puede aplicar en cualquier triángulo, no solo en rectángulos?
3 ¿Si el ángulo α es de 90°, el Teorema del Coseno coincide con el Teorema de Pitágoras?
4 ¿En un triángulo oblicuángulo el término de corrección es siempre positivo?

Ejemplos Verdadero/Falso

Decide si cada afirmación es verdadera o falsa antes de ver la explicación.

"Olvidar sacar la raíz cuadrada final al calcular el lado $a$."
"Restar el lado incorrecto en la fórmula de despeje de LLL."
"Si el ángulo comprendido es recto ($90^\circ$), el Teorema del Coseno se reduce exactamente al Teorema de Pitágoras."
"Olvidar cambiar de signo cuando el ángulo es obtuso ($\cos(\alpha) < 0$)."
"El Teorema del Coseno establece que $a^2 = b^2 + c^2 - 2bc\cos(\alpha)$ en todo triángulo plano."
"Restar $b^2 + c^2 - 2bc$ antes de multiplicar por el coseno (error de prioridad de operadores)."
"Usar un ángulo que no sea el comprendido entre los dos lados conocidos en el caso LAL."

Al terminar debes poder

Resumen del Teorema del Coseno

🎯 QUÉ Objetivo

Enunciar y aplicar el Teorema del Coseno para calcular lados y ángulos en triángulos oblicuángulos.

⚙️ CÓMO Procedimiento

Usando $a = \sqrt{b^2 + c^2 - 2bc\cos\alpha}$ en el caso LAL y $\cos\alpha = \frac{b^2 + c^2 - a^2}{2bc}$ en el caso LLL.

Fuente: Texto escolar MINEDUC — Geometría 2° Medio / Trigonometría.

Practica

Preguntas conceptuales

Verificar las ideas clave antes de calcular.

  1. El teorema del coseno aplica a cualquier triángulo, no solo a los rectángulos.

  2. El teorema del coseno establece que:

  3. ¿Qué ocurre con el teorema del coseno si A=90°?

Reconocimiento

Identificar elementos, datos o procedimientos.

  1. El teorema del coseno reemplaza completamente al teorema de Pitágoras.

Ejercicios básicos

Aplicar el procedimiento principal en casos simples.

  1. En la fórmula a²=b²+c²−2bc·cos(A), el ángulo A es:

  2. Si un triángulo es obtusángulo, el teorema del coseno sigue siendo válido.

  3. ¿Cuál es la fórmula análoga para calcular b² en vez de a²?

Preguntas tipo PAES

Resolver preguntas con formato y distractores similares a PAES.

  1. Si A es un ángulo obtuso, cos(A) es negativo, por lo que a² resulta mayor que b²+c².

  2. ¿Cuál es el error frecuente al aplicar el teorema del coseno?

  3. ¿Por qué el teorema del coseno es una generalización y no un reemplazo del teorema de Pitágoras?

Evaluación de dominio

☆☆☆ 0/3 niveles aprobados
Nivel 1 Definición
Nivel 2 Ejercicios simples
Nivel 3 Problemas de aplicación

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