domingo, 30 de abril de 2023

Triangle Proofs of the Sine and Cosine Addition Formulas

Introduction
The addition formulas for sine and cosine admit many proofs in the mathematical literature. Standard textbook treatments use coordinates on the unit circle and the distance formula; see Abramson. Other presentations use geometric arrangements of triangles and area decompositions (Bogomolny), or Ptolemy's theorem for cyclic quadrilaterals (Bogomolny). This note presents two short triangle proofs based on the area formula and the cosine rule. The hypotheses needed for a nondegenerate triangle are stated explicitly, and the boundary cases are verified separately.

Notation and hypotheses
Throughout the two proofs, assume
$$\alpha>0,\qquad \beta>0,\qquad \alpha+\beta<\pi.\tag{1}$$
Choose a triangle $ABC$ with
$$a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad \angle BAC=\alpha,\qquad \angle CBA=\beta,\qquad \angle ACB=\gamma.$$
Then $a,b,c>0$ and
$$\gamma=\pi-(\alpha+\beta)>0.$$
Write $\Delta$ for its area. We use
$$2\Delta=bc\sin\alpha=ac\sin\beta=ab\sin\gamma\tag{2}$$
and the cosine rule
$$\cos\alpha=\frac{b^2+c^2-a^2}{2bc},\qquad \cos\beta=\frac{a^2+c^2-b^2}{2ac},\qquad \cos\gamma=\frac{a^2+b^2-c^2}{2ab}.\tag{3}$$
These facts can be established using altitudes and the Pythagorean theorem, independently of the addition formulas. The unit-circle definition also gives
$$\sin(\pi-t)=\sin t,\qquad \cos(\pi-t)=-\cos t,\qquad \sin^2 t+\cos^2 t=1.$$

The sine addition formula
Theorem 1. Under the hypotheses (1),
$$\sin(\alpha+\beta)=\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta.$$

Proof. Using (2) and then (3), we obtain
$$\begin{aligned}\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta&=\frac{2\Delta}{bc}\cos\beta+\frac{2\Delta}{ac}\cos\alpha\\&=\frac{2\Delta}{c}\left(\frac{\cos\beta}{b}+\frac{\cos\alpha}{a}\right)\\&=\frac{2\Delta}{c}\left(\frac{a^2+c^2-b^2}{2abc}+\frac{b^2+c^2-a^2}{2abc}\right)\\&=\frac{2\Delta}{ab}\\&=\sin\gamma\\&=\sin\bigl(\pi-(\alpha+\beta)\bigr)\\&=\sin(\alpha+\beta).\end{aligned}$$

The cosine addition formula
Theorem 2. Under the hypotheses (1),
$$\cos(\alpha+\beta)=\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta.$$

Proof. The first two identities in (3) give
$$c-b\cos\alpha=c-\frac{b^2+c^2-a^2}{2c}=\frac{a^2+c^2-b^2}{2c}=a\cos\beta.$$
Together with (2), this yields
$$\cos\beta=\frac{c-b\cos\alpha}{a},\qquad \sin\beta=\frac{b\sin\alpha}{a}.$$
Consequently,
$$\begin{aligned}\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta&=\frac{c\cos\alpha-b\cos^2\alpha-b\sin^2\alpha}{a}\\&=\frac{c\cos\alpha-b}{a}\\&=\frac{c^2-a^2-b^2}{2ab}\\&=-\cos\gamma\\&=\cos(\alpha+\beta).\end{aligned}$$
The last equality uses
$$\gamma=\pi-(\alpha+\beta)$$
and the unit-circle identity for the cosine of a supplementary angle.

Boundary cases
Corollary. Both addition formulas hold for
$$\alpha\ge0,\qquad \beta\ge0,\qquad \alpha+\beta\le\pi.$$

Proof. The strict inequalities were covered above. If $\alpha=0$ or $\beta=0$, both formulas follow immediately from $\sin 0=0$ and $\cos 0=1$.
If $\alpha+\beta=\pi$, then
$$\beta=\pi-\alpha,$$
so
$$\sin\beta=\sin\alpha\qquad\text{and}\qquad \cos\beta=-\cos\alpha.$$
Hence
$$\begin{aligned}\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta&=-\sin\alpha\cos\alpha+\cos\alpha\sin\alpha=0=\sin\pi,\\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta&=-\cos^2\alpha-\sin^2\alpha=-1=\cos\pi.\end{aligned}$$
This covers every boundary case without using a degenerate triangle.

jueves, 13 de abril de 2023

Breve discurso ante una multitud de estudiantes: el enfoque de medio ángulo (EMA)

Hace dos semanas, recibí una invitación para dar un breve discurso a estudiantes de secundaria acerca de mis más recientes descubrimientos en geometría plana. A continuación, les comparto lo que dije:

«Hola, yo soy Emmanuel y he venido literalmente a presumir, ¿qué les parece? Pero antes de empezar quiero hacerles la siguiente pregunta: ¿saben ustedes qué es el informe PISA? Pues es un estudio llevado a cabo a nivel mundial que mide el rendimiento académico de los alumnos de 15 años en matemáticas, ciencia y lectura comprensiva. Si usted quiere encontrar a República Dominicana en la larga lista de países que participan en este estudio, usted solo debe dirigirse al final de la lista, ¡qué mal! Aunque cuando cuento esto a mis estudiantes muchos se echan a reír, es una situación para llorar. ¡Esto es peor que la barrida que nos dieron en el Clásico Mundial de Baseball!

Pero…a pesar de estos resultados tan alarmantes, aunque usted no lo crea, en República Dominicana se ha descubierto un nuevo enfoque (al que yo llamo EMA) que me ha permitido generalizar una fórmula de más de 900 años: la ley de la tangente. Lo que quería decir es que luego de casi un año de espera, desempolvando libros y preguntando a matemáticos de todas partes del mundo, recientemente se me informó que mi generalización será publicada en la prestigiosa revista americana Mathematics Magazine. Pero la cosa no se queda ahí, este nuevo enfoque me ha permitido también generalizar las fórmulas de medio ángulo, la identidad pitagórica, la ley de senos (¡me honra que el gran John Baez haya compartido mi generalización!), el teorema de Lamy y la fórmula de Newton, además de poder derivar una plétora de fórmulas y teoremas bien conocidos en geometría plana.

Pero, ¿qué es una generalización? Una generalización es, en palabras llanas, ampliar el alcance de un teorema. Grandes matemáticos tienen sus propias generalizaciones. ¿Qué creen ustedes que es el binomio de Newton o la famosa fórmula de Euler? ¡Generalizaciones! Por cierto, no me pregunten las horas que pasé desarrollando todo esto.

Para finalizar quiero citar al Dr. James Cook, de la Universidad de Alabama, quien escribió lo siguiente sobre mi enfoque:

Creo que has presentado un caso convincente de que estas fórmulas son bastante básicas. Por supuesto, sospecho que podría derivarse casi todo partiendo de la ley de los cosenos. ¿Qué es la ley de cosenos sino el corazón del producto escalar? Y, ¿qué es el producto escalar? Es la encapsulación algebraica del ángulo. Como mínimo, esto debería aparecer como problemas o una sección de tema adicional en los textos de trigonometría. Parece que esto sería excelente para un curso de honor de escuela de verano para dotados en matemáticas. El hecho de que no se enseñe podría aprovecharse para permitir que los estudiantes lo descubran. »