球面余弦定理

示意图

如图,球 OO 是以点 OO 为球心的单位球,圆 OO 是球 OO 的大圆(球心截面)。

过点 OO' 作平行于圆 OO 的球截面圆 OO'

在圆 OO 上任取两点 A,BA, B,分别在圆 OO' 上做其正投影。

作射线 OA,OBO'A', O'B',分别过 A,BA, B 的正投影点并交圆 OO'A,BA', B'

连接 OA,OB,OA,OBOA, OB, OA', OB'

现探究 AOB\angle A'OB'AOB\angle AOBAOA\angle A'OA 的关系。

探究过程

不妨建立空间直角坐标系。令 OBOBxx 轴正方向,OOOO'zz 轴正方向,点 OO 为原点,建立空间直角坐标系如图所示。

易知圆 OO 位于平面 xyxy 上且为单位圆。

设圆 OO' 位于平面 z=hz = h 上(1<h<1-1 < h < 1),AOB=α\angle AOB = \alphaAOB=β\angle A'OB' = \betaAOA=γ\angle A'OA = \gamma

则易知:

O(0,0,0),O(0,0,h),A(cosα,sinα,0),B(1,0,0)O(0, 0, 0), \quad O'(0, 0, h), \quad A(\cos\alpha, \sin\alpha, 0), \quad B(1, 0, 0)

由于圆 OO' 在球面 x2+y2+z2=1x^2 + y^2 + z^2 = 1 且平面 z=hz = h 上,则它的半径为:

r=1h2r = \sqrt{1 - h^2}

向量 OA\overrightarrow{OA}OB\overrightarrow{OB} 投影到圆 OO' 所在平面后,对应点 AA'BB' 的经度角保持不变,即:

A(rcosα,rsinα,h),B(r,0,h)A'(r\cos\alpha, r\sin\alpha, h), \quad B'(r, 0, h)

由于 AA'BB' 都在球面上,所以 OA=OB=1|\overrightarrow{OA'}| = |\overrightarrow{OB'}| = 1

接着利用向量点积可以得到:

cosβ=OAOB=r2cosα+h2\cos\beta = \overrightarrow{OA'} \cdot \overrightarrow{OB'} = r^2 \cos\alpha + h^2

cosγ=OAOA=r\cos\gamma = \overrightarrow{OA'} \cdot \overrightarrow{OA} = r

则:

sin2γ=1cos2γ=1r2=1(1h2)=h2\sin^2\gamma = 1 - \cos^2\gamma = 1 - r^2 = 1 - (1 - h^2) = h^2

代入,最终得:

cosβ=cosαcos2γ+sin2γ\cos\beta = \cos\alpha \cos^2\gamma + \sin^2\gamma

结论

球面余弦定理

cosAOB=cosAOBcos2AOA+sin2AOA\cos\angle A'OB' = \cos\angle AOB \cdot \cos^2\angle A'OA + \sin^2\angle A'OA