Lâarea di un triangolo mediante la trigonometria si calcola conoscendo le lunghezze di due lati e lâampiezza dellâangolo compreso. La formula si ottiene dalla relazione fra altezza e seno di un angolo e si applica a qualsiasi triangolo, non soltanto a quelli rettangoli.
Se \(b\) e \(c\) sono le lunghezze di due lati e \(\alpha\) è lâangolo compreso fra essi, lâarea è \(\displaystyle S=\frac12bc\sin\alpha\). Il ruolo dellâangolo è essenziale: a paritĂ di lati, triangoli con angoli compresi diversi possono avere aree diverse.
In questa pagina usiamo \(S\) per indicare lâarea, le lettere minuscole per le lunghezze dei lati e gli angoli espressi in gradi. Supponiamo che il triangolo sia non degenere: i lati hanno lunghezza positiva e gli angoli interni sono compresi fra \(0^\circ\) e \(180^\circ\).
Indice
- La formula dellâarea e lâangolo compreso
- Dimostrazione mediante lâaltezza
- Esempi con angoli acuti, retti e ottusi
- Area massima a paritĂ di due lati
- Problemi inversi: ricavare un lato o un angolo
- Due angoli e un lato noti
- Controlli ed errori comuni
La formula dellâarea e lâangolo compreso
Consideriamo un triangolo \(ABC\) e poniamo
\[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB. \]
Indichiamo con \(\alpha\), \(\beta\) e \(\gamma\) gli angoli interni rispettivamente nei vertici \(A\), \(B\) e \(C\). Si ha
\[ \alpha+\beta+\gamma=180^\circ. \]
Lâarea del triangolo si può esprimere in tre forme equivalenti:
\[ S=\frac12bc\sin\alpha, \] \[ S=\frac12ca\sin\beta, \] \[ S=\frac12ab\sin\gamma. \]
In ciascuna formula si moltiplicano le lunghezze di due lati per il seno dellâangolo compreso fra essi, dividendo poi per \(2\).
| Lati utilizzati | Angolo compreso | Formula |
|---|---|---|
| \(b=CA\) e \(c=AB\) | \(\alpha=\widehat A\) | \(\displaystyle S=\frac12bc\sin\alpha\) |
| \(c=AB\) e \(a=BC\) | \(\beta=\widehat B\) | \(\displaystyle S=\frac12ca\sin\beta\) |
| \(a=BC\) e \(b=CA\) | \(\gamma=\widehat C\) | \(\displaystyle S=\frac12ab\sin\gamma\) |
Per esempio, conoscendo \(AB\) e \(AC\), bisogna usare lâangolo in \(A\), perchĂŠ è quello formato dai due lati assegnati. Non si può sostituirlo arbitrariamente con un altro angolo del triangolo.
Dimostrazione mediante lâaltezza
Scegliamo \(AB\) come base, di lunghezza \(c\), e indichiamo con \(h\) lâaltezza relativa a questa base. La formula geometrica dellâarea è
\[ S=\frac12ch. \]
Per ottenere la formula trigonometrica basta esprimere \(h\) mediante il lato \(AC=b\) e lâangolo \(\alpha\).
Angolo \(\alpha\) acuto
Sia \(H\) il piede della perpendicolare condotta da \(C\) alla retta \(AB\). Il triangolo \(AHC\) è rettangolo e, poichÊ \(\alpha\) è acuto, il punto \(H\) appartiene alla semiretta \(AB\). Può trovarsi sul segmento \(AB\) oppure oltre \(B\).
In entrambi i casi
\[ \sin\alpha=\frac{CH}{AC}=\frac{h}{b}, \]
quindi
\[ h=b\sin\alpha. \]
Sostituendo nella formula dellâarea, otteniamo
\[ S=\frac12c\cdot b\sin\alpha =\frac12bc\sin\alpha. \]
Angolo \(\alpha\) ottuso
Se \(\alpha\) è ottuso, il piede \(H\) si trova sul prolungamento di \(AB\) oltre \(A\), dalla parte opposta rispetto a \(B\). Nel triangolo rettangolo \(AHC\), lâangolo in \(A\) misura \(180^\circ-\alpha\). Pertanto
\[ h=b\sin(180^\circ-\alpha). \]
PoichĂŠ angoli supplementari hanno lo stesso seno,
\[ \sin(180^\circ-\alpha)=\sin\alpha, \]
e si ritrova
\[ h=b\sin\alpha. \]
La formula dellâarea rimane dunque valida anche quando lâangolo compreso è ottuso.
Angolo \(\alpha\) retto
Se \(\alpha=90^\circ\), i lati \(b\) e \(c\) sono perpendicolari e \(h=b\). Siccome \(\sin90^\circ=1\), la formula diventa
\[ S=\frac12bc, \]
cioè metà del prodotto dei cateti.
Esempi con angoli acuti, retti e ottusi
Esempio 1. Angolo di \(30^\circ\)
Un triangolo ha due lati di \(8\,\mathrm{cm}\) e \(5\,\mathrm{cm}\), con angolo compreso di \(30^\circ\). Lâarea è
\[ S=\frac12\cdot8\cdot5\cdot\sin30^\circ =20\cdot\frac12 =10\,\mathrm{cm}^2. \]
Esempio 2. Angolo di \(60^\circ\)
Se i lati misurano \(6\,\mathrm{cm}\) e \(10\,\mathrm{cm}\) e lâangolo compreso è \(60^\circ\), otteniamo
\[ S=\frac12\cdot6\cdot10\cdot\sin60^\circ =30\cdot\frac{\sqrt3}{2} =15\sqrt3\,\mathrm{cm}^2. \]
In forma approssimata,
\[ S\approx25{,}98\,\mathrm{cm}^2. \]
Esempio 3. Angolo ottuso di \(120^\circ\)
Con gli stessi lati di \(6\,\mathrm{cm}\) e \(10\,\mathrm{cm}\), ma angolo compreso di \(120^\circ\), si ha
\[ S=\frac12\cdot6\cdot10\cdot\sin120^\circ. \]
PoichĂŠ
\[ \sin120^\circ=\sin60^\circ=\frac{\sqrt3}{2}, \]
lâarea è ancora
\[ S=15\sqrt3\,\mathrm{cm}^2. \]
I due triangoli hanno la stessa area, pur avendo angoli compresi diversi: \(60^\circ\) e \(120^\circ\) sono supplementari e hanno lo stesso seno.
Esempio 4. Angolo non notevole
Due lati misurano \(7\,\mathrm m\) e \(9\,\mathrm m\) e formano un angolo di \(42^\circ\). Lâarea è
\[ S=\frac12\cdot7\cdot9\cdot\sin42^\circ =31{,}5\sin42^\circ\,\mathrm m^2 \approx21{,}08\,\mathrm m^2. \]
La calcolatrice va impostata in modalitĂ DEG, perchĂŠ lâangolo è espresso in gradi. Lâarrotondamento si esegue sul risultato finale.
Area massima a paritĂ di due lati
Supponiamo di mantenere fisse le lunghezze \(b\) e \(c\) e di variare lâangolo compreso \(\alpha\). PoichĂŠ
\[ 0<\sin\alpha\le1 \qquad \text{per }0^\circ<\alpha<180^\circ, \]
dalla formula dellâarea segue
\[ 0<S\le\frac12bc. \]
Il valore massimo si raggiunge esattamente quando \(\sin\alpha=1\), cioè quando
\[ \alpha=90^\circ. \]
Quindi, fra i triangoli con due lati assegnati, quello di area massima è il triangolo in cui tali lati sono perpendicolari.
Esempio 5. Due lati di \(6\) e \(10\) centimetri
Lâarea massima possibile è
\[ S_{\max}=\frac12\cdot6\cdot10 =30\,\mathrm{cm}^2. \]
Si ottiene quando lâangolo compreso è retto. Non sarebbe possibile costruire con questi due lati un triangolo di area \(35\,\mathrm{cm}^2\).
Quando \(\alpha\) tende a \(0^\circ\) oppure a \(180^\circ\), lâarea tende a zero. I valori estremi \(0^\circ\) e \(180^\circ\) corrispondono a configurazioni degeneri e non sono angoli interni ammessi per un triangolo non degenere.
Problemi inversi: ricavare un lato o un angolo
Ricavare un lato
Se sono noti lâarea \(S\), un lato \(c\) e lâangolo compreso \(\alpha\), dalla relazione
\[ S=\frac12bc\sin\alpha \]
si ricava
\[ b=\frac{2S}{c\sin\alpha}. \]
La divisione è ammessa perchÊ \(c>0\) e \(\sin\alpha>0\) per ogni angolo interno di un triangolo non degenere.
Esempio 6. Lato incognito
Un triangolo ha area \(18\,\mathrm{cm}^2\). Un lato misura \(9\,\mathrm{cm}\) e forma un angolo di \(30^\circ\) con il lato incognito \(b\). Pertanto
\[ b=\frac{2\cdot18}{9\sin30^\circ} =\frac{36}{9/2} =8\,\mathrm{cm}. \]
Ricavare lâangolo compreso
Se sono noti \(S\), \(b\) e \(c\), otteniamo
\[ \sin\alpha=\frac{2S}{bc}. \]
Prima di calcolare lâangolo bisogna verificare la compatibilitĂ dei dati:
\[ 0<\frac{2S}{bc}\le1. \]
- Se \(\displaystyle\frac{2S}{bc}>1\), i dati sono incompatibili.
- Se \(\displaystyle\frac{2S}{bc}=1\), lâangolo compreso è \(90^\circ\).
- Se \(\displaystyle0<\frac{2S}{bc}<1\), esistono due possibili angoli interni, uno acuto e uno ottuso, fra loro supplementari.
In questâultimo caso, posto
\[ \theta=\arcsin\left(\frac{2S}{bc}\right), \qquad 0^\circ<\theta<90^\circ, \]
le possibilitĂ sono
\[ \alpha=\theta \quad\text{oppure}\quad \alpha=180^\circ-\theta. \]
Eventuali informazioni aggiuntive, come il fatto che lâangolo compreso sia acuto, permettono di scegliere una sola possibilitĂ .
Esempio 7. Due angoli possibili
Siano \(b=8\,\mathrm{cm}\), \(c=5\,\mathrm{cm}\) e \(S=10\,\mathrm{cm}^2\). Si ha
\[ \sin\alpha=\frac{2\cdot10}{8\cdot5} =\frac12. \]
PoichÊ \(\alpha\) è un angolo interno, le possibilità sono
\[ \alpha=30^\circ \quad\text{oppure}\quad \alpha=150^\circ. \]
Scrivere soltanto \(\alpha=\arcsin(1/2)=30^\circ\) farebbe perdere la soluzione ottusa.
Due angoli e un lato noti
Se conosciamo due angoli, il terzo si ricava dalla somma degli angoli interni. Per applicare la formula dellâarea occorre poi determinare un secondo lato.
Il teorema dei seni afferma che
\[ \frac{a}{\sin\alpha} = \frac{b}{\sin\beta} = \frac{c}{\sin\gamma}. \]
Conoscendo il lato \(a\) e gli angoli \(\alpha\), \(\beta\), \(\gamma\), si ricavano
\[ b=\frac{a\sin\beta}{\sin\alpha}, \qquad c=\frac{a\sin\gamma}{\sin\alpha}. \]
Sostituendo nella formula \(\displaystyle S=\frac12bc\sin\alpha\), otteniamo
\[ S=\frac{a^2\sin\beta\sin\gamma}{2\sin\alpha}. \]
Questa relazione è utile quando sono noti un lato e due angoli; il lato \(a\) deve essere quello opposto allâangolo \(\alpha\).
Esempio 8. Un lato e due angoli
Un triangolo ha \(a=10\,\mathrm{cm}\), \(\alpha=30^\circ\) e \(\beta=60^\circ\). Il terzo angolo è
\[ \gamma=180^\circ-30^\circ-60^\circ=90^\circ. \]
Lâarea vale
\[ S= \frac{10^2\sin60^\circ\sin90^\circ} {2\sin30^\circ} = \frac{100\cdot\frac{\sqrt3}{2}\cdot1} {2\cdot\frac12} = 50\sqrt3\,\mathrm{cm}^2. \]
Il lato di \(10\,\mathrm{cm}\) è opposto allâangolo di \(30^\circ\): non è lâipotenusa. In questo triangolo rettangolo lâipotenusa è il lato \(c\), opposto allâangolo \(\gamma=90^\circ\).
Controlli ed errori comuni
| Errore | Correzione |
|---|---|
| Usare un angolo non compreso fra i due lati scelti. | Associare ogni coppia di lati allâangolo formato da essi. |
| Dimenticare il fattore \(\displaystyle\frac12\). | Lâarea del triangolo è metĂ del prodotto dei due lati per il seno dellâangolo compreso. |
| Pensare che la formula valga soltanto per angoli acuti. | La formula vale anche per un angolo compreso retto oppure ottuso. |
| Attribuire seno negativo a un angolo interno ottuso. | Il seno è positivo per ogni angolo compreso fra \(0^\circ\) e \(180^\circ\). |
| Ricavare lâangolo soltanto con il valore restituito dallâarcoseno. | Quando il seno è compreso fra \(0\) e \(1\), considerare anche lâangolo supplementare. |
| Accettare unâarea maggiore di \(\displaystyle\frac12bc\). | Controllare il limite massimo imposto da \(\sin\alpha\le1\). |
| Usare lunghezze espresse in unitĂ diverse senza convertirle. | Esprimere i lati nella stessa unitĂ prima di moltiplicarli. |
| Scrivere il risultato in centimetri o metri. | Lâarea si esprime in unitĂ quadrate, come \(\mathrm{cm}^2\) oppure \(\mathrm m^2\). |
| Calcolare il seno di un angolo in gradi con la calcolatrice in modalitĂ RAD. | Impostare la modalitĂ DEG per i dati espressi in gradi. |
Per calcolare lâarea mediante la trigonometria bisogna identificare due lati e il loro angolo compreso, applicare la formula corretta e controllare unitĂ e plausibilitĂ del risultato. Nei problemi inversi, la compatibilitĂ dei dati e la possibile presenza di due angoli supplementari richiedono unâattenzione particolare.