UBB Math Raduz Astro Seminar Online 1

Seminar 1

Trigonometrie sferică

Datorită faptului că ochiul uman nu poate discerne distanţele pînă la obiectele cereşti (Soarele, Luna, planetele, stelele, etc.), acestea par a se afla la aceeaşi distanţă de fiecare persoană care le observă; bolta cerească apare ca o sferă pe care se deplasează corpurile cereşti. Pentru scopuri practice imediate (orientare, determinarea timpului, etc.) este necesară cunoaşterea direcţiei de vizare a unui astru, distanţa pînă la acesta fiind irelevantă. În plus, cea mai evidentă mişcare a aştrilor, mişcarea diurnă aparentă` este o mişcare de rotaţie omogenă faţă de observator (mişcare datorată rotaţiei Pământului), susţinând aparenţa cerului sferic.

Din punct de vedere matematic, în măsura în care nu suntem interesaţi de distanţele reale până la aştri, vom opera doar cu direcţiile pe care aceştia se găsesc faţă de observator. În acest caz, putem construi o sferă de rază arbitrară şi putem echivala în mod trivial "direcţiile" din spaţiul tridimensional cu "punctele" acestei sfere. Astfel, formalismul calculelor ce trebuiesc efectuate pentru determinările astronomice se simplifică de la geometria tridimensională carteziană la o geometrie bidimensională sferică.

În cadrul acestei geometrii, "dreptele" sunt înlocuite de cercurile mari de pe suprafaţa sferei. Pentru calculele astronomice este importantă problema rezolvării triunghiurilor sferice. Pentru aceasta, vor fi demonstrate formulele fundamentale ale trigonometriei sferice, formulele lui Gauss, acesta fiind principalul rezultat al acestei lecţii. Aceste formule corespund într-o anumită măsură relaţiilor trigonometrice ce determină triunghiurile plane cum sunt teorema sinusurilor sau teorema cosinusului.

1. Triunghiul sferic. Proprietăţi. Formulele lui Gauss

Un cerc de pe suprafaţa unei sfere se numeşte cerc mare dacă raza sa este egală cu raza sferei.
Observaţie: Un cerc de pe suprafaţa unei sfere este un cerc mare dacă şi numai dacă planul determinat de el conţine centrul sferei.

Definiţie: Se numeşte triunghi sferic figura convexă determinată pe suprafaţa unei sfere de trei cercuri mari neconcurente .
Evident, trei cercuri de pe suprafaţa unei sfere sunt neconcurente dacă nu există nici un punct care să fie comun tuturor celor trei cercuri.
Observaţie: Trei cercuri mari determină pe suprafaţa unei sfere mai multe triunghiuri sferice. Astfel, în figură, atât ABC cât şi A'B'C' dar şi A'BC sau AB'C', sunt triunghiuri sferice.

Măsurile laturilor unui triunghi sferic. Se defineşte măsura unei laturi AB a triunghiului sferic ABC ca fiind măsura arcului de cerc mare AB. Evident, aceasta este egală cu unghiul la centru AOB.
În mod tradiţional se notează mărimile laturilor unui triunghi ABC astfel: AB=c, AC=b, BC=c.

Măsurile unghiurilor unui triunghi sferic. Măsura unghiului BAC al triunghiului sferic ABC este măsura unghiului diedru format de planele (OAB) şi (OAC).
Observaţie. Cum tangenta la un cerc este perpendiculară pe raza în punctul de contact, avem că tangentele la cercurile mari AB şi AC în punctul A sunt ambele perpendiculare pe muchia diedrului format de planele OAB şi OAC. Deci, unghiul unui triunghi sferic se poate măsura şi între tangentele la laturile triunghiului in punctul considerat.
Conform definiţiei, triunghiul sferic este o figură convexă. Aceasta înseamnă că măsura nici unui unghi al triunghiului nu este mai mare de 180 (o figură concavă determinată de trei cercuri mari neconcurente pe suprafaţa unei sfere este de exemplu exteriorul triunghiului ABC din figură - aceasta nu face obiectul studiului nostru).

Spre deosebire de cazul plan, pentru un triunghi sferic, suma unghiurilor este întotdeauna mai mare decât 180. Un triunghi se numeşte dreptunghic dacă are (cel puţin!) un unghi drept; el se va numi rectilater dacă are o latură cu măsura de 90. Un exemplu remarcabil de triunghi sferic este triunghiul tridreptunghic (trei unghiuri drepte) trirectilater (trei laturi de 90) - triunghiul format pe globul terestru de ecuator, meriadianele 0 si 90.

Proprietăţi Pentru orice triunghi sferic ABC avem: Demonstraţie În ceea ce priveşte primele două proprietăţi, având în vedere definiţia mărimilor laturilor triunghiului ABC, demonstraţia se reduce la o problemă simplă de geometrie a tetraedrului OABC.
Cea de a treia şi cea de a patra proprietate se vor demonstra în secţiunea următoare, folosind formalismul triunghiurilor polare.
Expresia ariei triunghiului sferic face în întregime subiectul celei de a treia secţiuni a acestei lecţii.

Formulele lui Gauss

Să considerăm un triunghi sferic oarecare ABC pe suprafaţa unei sfere de rază R şi să construim două sisteme carteziene de coordonate Oxyz şi Ox'y'z' astfel: Impunând condiţia ca sistemul de coordonate să fie drept, axele Ox şi Ox' vor fi determinate. Mai mult, cum planele Oyz şi Oy'z' coincid, rezultă că Ox=Ox'.

Se observă faptul că sistemul Ox'y'z' se obţine din sistemul Oxyz printr-o rotaţie în jurul axei Ox.

Pentru a găsi un set de expresii ce leagă elementele triunghiului sferic ABC, vom adopta următoarea strategie:

Coordonatele punctului C în Oxyz


Raportându-ne acum la elementele triunghiului ABC avem (conform figurii):

şi deci obţinem:


Coordonatele punctului C în Ox'y'z'


În acest caz avem:

Astfel, obţinem:



Rotaţia în jurul axei Ox

Expresia rotaţiei în planul (Oyz)=(Oy'z') este:

Din nou, ne raportăm la elementele triunghiului ABC. Avem:

de unde rezultă imediat:


Formulele lui Gauss
Din (1), (2) şi (3) obţinem

Simplificând cu R şi sciind în ordine inversă obţinem expresia standard a formulelor lui Gauss:

Prima relaţie se numeşte teorema cosinusurilor pentru trigonometria sferică. Ultima relaţie este teorema sinusurilor, iar cea de a doua formulă se numeşte formula celor cinci elemente.
Teorema sinusurilor se poate pune şi sub forma




2. Triunghiul polar. Formulele lui Gauss pentru unghiuri.

Definiţie. Se numesc poli ai unui cerc mare intersecţiile cu sfera ale dreptei perpendiculare pe planul cercului în centrul sferei.

Un exemplu ilustrativ este dat de polii globului terestru care reprezintă poli în sensul definiţiei de mai sus faţă de ecuatorul terestru.

Definiţie. Se numeşte triunghi polar (A'B'C') al unui triunghi sferic dat (ABC) un triunghi pentru care fiecare latură are ca pol unul din vârfurile triunghiului ABC.

Astfel, A este pol pentru cercul OB'C', B este pol pentru cercul OA'C' iar C este pol pentru cercul OA'B'.

Proprietate

Dacă A'B'C' este triunghiul polar al triunghiului ABC, avem adică laturile triunghiului polar sunt suplementele unghiurilor triunghiului dat iar unghiurile triunghiului polar sunt suplementele laturilor triunghiului dat.

Demonstraţie

Vom schiţa doar demonstraţia afirmaţiei de mai sus şi a primei relaţii, celelalte cinci rezultând în mod analog.

În primul rând avem evident faptul că:
un punct P este pol pentru un cerc C dacă şi numai dacă distanţa de la P la două puncte distincte ale cercului C este de 90.

Astfel BC'=90 (B pol pentru A'C) şi AC'=90 (A pol pentru B'C'); de aici rezultă conform proprietăţii de mai sus că C' este pol pentru AB. Analog se arată că B' este pol pentru AC şi că A' este pol pentru BC. Deci ABC este triunghi polar al triunghiului A'B'C'.

Pentru demonstrarea relaţiei a'=180-A, prelungim latura AC care intersectează B'C' în E, iar prelungirea arcului AB intersectează B'C' în D.
Avem:
Observaţie: Aceasta nu este o demonstraţie riguroasă, ea bazându-se pe doar pe o poziţionare particulară a polilor prezentată în figură. Mai mult, fiecare dintre cele trei vârfuri ale triunghiului ABC determină doar trei cercuri mari pentru care ele sunt poli. Cum am precizt mai sus, cele tri cercuri determină mai multe triunghiuri pe suprafaţa sferei. Evident, nu toate verifică formulele de mai sus (decât într-o aritmetică modulo 180). Important este faptul că întotdeauna, pentru orice triunghi sferic există un alt triunghi sferic care are ca laturi suplementele unghiurilor si ca unghiuri suplementele laturilor triunghiului iniţial. Aceasta induce o dualitate unghiuri-laturi pentru triunghiul sferic considerat. Astfel, dacă scriem o anumită relaţie între laturile triunghiului oarecare ABC pentru laturile triunghiul polar A'B'C', vom obţine o relaţie între unghiurile triunghiului ABC
Astfel, dacă scriem prima dintre inegalităţile ce caracterizează orice triunghi sferic ABC:
0< a+b+c< 360
pentru triunghiul polar A'B'C' al acestuia avem:
0< a'+b'+c'< 360 adică 0< 180-A+180-B+180-C< 360 deci: 540> A+B+C> 180, cea de a treia dintre inegalităţile din primul paragraf. În mod analog se obţin inegalităţile A-B> 180-C şi A+B< 180+C din a-b< c şi a+b> c.

În continuare vom aplica acelaşi raţionament şi în cazul formulelor lui Gauss. Formulele lui Gauss pentru unghiuri

Să considerăm un triunghi ABC şi triunghiul său polar A'B'C'. Să scriem acum formulele lui Gauss pentru A'B'C':

Dar conform proprietăţilor triunghiului polar, avem:

Adică:

Din nou, aplicând dualitatea unghiuri-laturi introdusă de existenţa triunghiului polar, am obţinut un nou set de ecuaţii care determină triunghiul ABC. Acestea se numesc formulele lui Gauss pentru unghiuri. În contrast cu aceasta, formulele lui Gauss în forma originală se mai numesc formulele lui Gauss pentru unghiuri. Se observă că ultima relaţie se putea deduce imediat din teorema sinusurilor pentru laturi. În schimb, demonstrarea geometrică a primelor două relaţii ar fi fost extrem de laborioasă; se observă încă o dată eleganţa prin care formalismul triunghiului polar ne aduce informaţii noi despre un triunghi sferic.


3. Aria triunghiului sferic.

Demonstrarea formulei ariei triunghiului sferic pleacă de formula ariei fusului sferic . Acesta se defineşte ca fiind zona determinată pe suprafaţa unei sfere de două cercuri mari ale căror planuri formează unghiul diedru D. Aria fusului sferic de unghi diedru D este:

(pentru a reţine această formulă să observăm că întreaga sferă poate fi definită ca fiind un fus sferic de deschidere 360) Să considerăm triunghiul ABC ca în figură. Se observă pentru început că:


Măsurile celor două triunghiuri sunt evident egale, datorită simetriei. Acum, să considerăm următoarele fusuri sferice:






Însumând aceste suprafeţe se observă că obţinem o semisferă plus de două ori aria triunghiului ABC (acesta aparţine fusului B cât şi fusului C, deci a fost considerat de două ori)

Adunând deci aceste relaţii obţinem:



Principalele sistemele de coordonate folosite în astronomie (orizontale, ecuatoriale, ecliptice, galactice) au acelaşi reper - observatorul. O transformare de coordonate de la unul din aceste sisteme la altul este deci echivalentă cu un set de rotaţii în jurul axelor de coordonate carteziene. Dar, după cum am arătat, formulele care determină rotaţia în sistemul cartezian se reduc la formulele lui Gauss în trigonometria sferică. Astfel, determinarea direcţiilor de observare a corpurilor cereşti în diferite sisteme de coordonate se va reduce la rezolvarea unor triunghiuri pe sfera cerească, folosind fie formulele lui Gauss pentru laturi, fie formulele lui Gauss pentru unghiuri.