Тригонометрична функция

От testwiki
Направо към навигацията Направо към търсенето

Тригонометричните функции в математиката са функции на ъгли. Използват се в геометрията за изследване на триъгълници и моделиране на периодични процеси. Най-често тригонометричните функции се дефинират като:

В най-общ вид в съвременната математика тригонометричните функции се дефинират като

Графики на тригонометричните функции: Шаблон:Колони

Тригонометрични функции в правоъгълен триъгълник

Фиг. 1. Правоъгълен триъгълник

Разглежда се правоъгълен триъгълник ACB в евклидовата равнина (фиг. 1), поради което сборът от вътрешните му ъгли е равен на 180° (π радиана). Следователно 0<α,β<90° или 0<α,β<π2.

Дефиниции

Синус на ъгъл α е отношението на срещулежащия катет към хипотенузата:

sinα=ac.

Това отношение не зависи от триъгълника АВС с остър ъгъл α, тъй като всички правоъгълни триъгълници с остър ъгъл α са подобни.

Косинус на ъгъл α е отношението на прилежащия катет към хипотенузата:

cosα=bc.

Тангенс на ъгъл α е отношението на срещулежащия катет към прилежащия:

tgα=ab.

Котангенс на ъгъл α е отношението на прилежащия катет към срещулежащия:

cotgα=ba.

Секанс на ъгъл α е отношението на хипотенузата към прилежащия катет:

secα=cb.

Косеканс на ъгъл α е отношението на хипотенузата към срещулежащия катет:

cosecα=ca.

Тригонометричните функции, дефинирани чрез единична окръжност

Определянето на тригонометричните функции чрез единична окръжност е частен случай на дефинициите чрез правоъгълен триъгълник с хипотенуза, равна на единица. Нека в равнината е зададена правоъгълна координатна система с начало точка О и оси OE и OF. Разглежда се окръжност с център точка О и радиус, равен на единица. Построява се произволен радиус ОА, който сключва ъгъл θ с абсцисната ос OE (фиг. 2).

Фиг. 2. Тригонометрични функции на ъгъл θ в единична окръжност

От правоъгълния триъгълник OCA

sinθ=CAOA=CA1=CA,

тъй като дължината на радиуса ОА е равна на 1. От тук следва определението:

Синус на даден ъгъл θ, отчетен от абсцисната ос, се нарича ординатата АC на пресечната точка А на другото му рамо с единична окръжност:

sinθ=CA.
Изчертаване на функциите синус и косинус от единичната окръжност.

По същия начин се получават определенията и за другите тригонометрични функции:

Косинус на даден ъгъл θ, отчетен от абсцисната ос, се нарича абсцисата OC на пресечната точка А на другото му рамо с единична окръжност:

cosθ=OC.

Тангенс на даден ъгъл θ, отчетен от абсцисната ос, се нарича отношението на ординатата на пресечната точка А на другото му рамо с единична окръжност, към нейната абсциса:

tgθ=CAOC, tgθ=sinθcosθ.

Котангенс на даден ъгъл θ, отчетен от абсцисната ос, е отношението на абсцисата на пресечната точка А на другото му рамо с единична окръжност, към нейната ордината:

cotgθ=OCCA, cotgθ=cosθsinθ.

Дефинициите на функциите „секанс“ и „косеканс“ се формулират малко по-сложно.

Секанс на даден ъгъл θ, отчетен от абсцисната ос, се нарича абсцисата OE на пресечната точка E на абсцисната ос и допирателната към единична окръжност в пресечната точка А на другото рамо на ъгъла с окръжността:

secθ=OE, secθ=1cosθ.

Косеканс на даден ъгъл θ, отчетен от абсцисната ос, се нарича ординатата OF на пресечната точка F на ординатната ос и допирателната към единична окръжност в пресечната точка А на другото рамо на ъгъла с окръжността:

cosecθ=OF, cosecθ=1sinθ.

В допълнение към шестте изброени съотношения, има допълнителни тригонометрични функции, които са били исторически важни, макар и рядко използвани днес (фиг. 3):

Фиг. 3. Единична окръжност с основни и допълнителни тригонометрични функции на ъгъл θ.
Шаблон:Math, Шаблон:Math или Шаблон:Math:
Шаблон:Math
(появява се в най-ранните таблици); Шаблон:Sfn
Шаблон:Math или Шаблон:Math:
Шаблон:Math ;
Шаблон:Math ; Шаблон:Sfn
Шаблон:Math;
Графики на функциите versin, vercos, haversin, havercos, exsec, excsc

Свойства

Свойства на функцията синус

Синус
  1. Дефиниционна област (допустими стойности на аргумента, за които функцията е определена) – множеството на всички реални числа: D(y)=.
  2. Множество на стойностите на функцията – областта
    [−1; 1]: E(y)= [−1;1].
  3. Функцията y=sin(x) е нечетна: sin(x)=sinx.
  4. Функцията е периодична, най-малкият положителен период е равен на 2π: sin(x+2π)=sin(x).
  5. Графиката на функцията пресича оста Ох при x=nπ,nZ.
  6. Области с постоянен знак:
    y>0 при x(0+2πn;π+2πn),nZ и
    y<0 при x(π+2πn;2π+2πn),nZ.
  7. Функцията е непрекъсната и има производна при всяка стойност на аргумента: (sinx)=cosx
  8. Функцията y=sinx е растяща при x(π2+2πn;π2+2πn)nZ, и намаляваща при x(π2+2πn;3π2+2πn),nZ.
  9. Функцията има минимум при x=π2+2πn,nZ и максимум при x=π2+2πn,nZ.

Свойства на функцията косинус

Косинус
  1. Дефиниционна област (област на определяне) – множеството на всички реални числа: D(y)=.
  2. Множество на стойностите – областта [−1; 1]:
    E(y) = [−1;1].
  3. Функцията y=cos(x) е четна: cos(x)=cosx.
  4. Функцията е периодична, най-малкият положителен период е равен на 2π: cos(x+2π)=cos(x).
  5. Графиката на функцията пресича оста Ох при x=π2+nπ,nZ.
  6. Области с постоянен знак:
    y>0 при (π2+2πn;π2+2πn),nZ и
    y<0 при (π2+2πn;3π2+2πn),nZ.
  7. Функцията е непрекъсната и има производна при всяка стойност на аргумента: (cosx)=sinx
  8. Функцията y=cosx е растяща при x(π+2πn;2πn),nZ, и е намаляваща при x(2πn;π+2πn),nZ.
  9. Функцията има минимум при x=π+2πnnZ и максимум при x=2nπ,nZ.

Свойства на функцията тангенс

Тангенс
  1. Област на определяне на функцията – множеството от всички реални числа: D(y)=, освен числата x=π2+nπ.
  2. Множество на стойностите – множеството на всички реални числа: E(y)=.
  3. Функцията y=tg(x) е нечетна: tg(x)=tg x.
  4. Функцията е периодична. Най-малкият положителен период е равен на π: tg(x+π)=tg(x).
  5. Графиката на функцията пресича оста Ох при x=nπ,nZ.
  6. Области с постоянен знак:
    y>0 при x(nπ;nπ+π2),nZ и
    y<0 при x(π2+πn;πn),nZ.
  7. Функцията е непрекъсната и има производна при всяка стойност на аргумента: (tgx)=1cos2x
  8. Функция y=tg x расте при x(π2+πn;π2+nπ),nZ.

Свойства на функцията котангенс

Котангенс
  1. Област на определяне на функцията – множеството на всички реални числа: D(y)=, освен числата x=nπ.
  2. Множество на стойностите – множеството на всички реални числа: E(y)=.
  3. Функцията y=ctg(x) е нечетна: ctg(x)=ctg x.
  4. Функцията е периодична, най-малкият положителен период е равен на π: ctg(x+π)=ctg(x).
  5. Графиката на функцията пресича оста Ох при x=π2+πn,nZ.
  6. Области с постоянен знак:
    y>0 при x(nπ;nπ+π2),nZ и
    y<0 при x(nπ+π2;(n+1)π),nZ.
  7. Функцията е непрекъсната и има производни при всяка стойност на аргумента: (ctgx)=1sin2x.
  8. Функцията y=ctg x намалява при x(nπ;(n+1)π),nZ.

Обобщени свойства

Функцията косинус е четна, а синус, тангенс и котангенс – нечетни, т.е.

sin(x)=sinx, tg(x)=tgx,
cos(x)=cosx, ctg(x)=ctgx.

За остри ъгли α<π2

sin(π2α)=cosα, tg(π2α)=ctgα,
sin(π2+α)=cosα, tg(π2+α)=ctgα,
cos(π2α)=sinα, ctg(π2α)=tgα,
cos(π2+α)=sinα, ctg(π2+α)=tgα.

За ъгли 0<α<π е изпълнено

sin(πα)=sinα, cos(πα)=cosα,
sin(π+α)=sinα, cos(π+α)=cosα,
tg(πα)=tgα,απ2,3π2,
tg(π+α)=tgα,απ2,3π2,
ctg(πα)=ctgα,
ctg(π+α)=ctgα.

Знакът на функциите sin, cos, sec и cosес се променя през интервали от 180°, а на tg и cotg – през 90°.

  • sin(x) 0 за 0x180 или 0xπ
  • sin(x) 0 für 180x360 или πx2π
  • cos(x) 0 за 0x90,270x360 oder 0xπ2,3π2x2π
  • cos(x) 0 за 90x270 или π2x3π2
  • tan(x) 0 за 0x<90,180x<270 или 0x<π2,πx<3π2
  • tan(x) 0 за 90<x180,270<x360 или π2<xπ,3π2<x2π
  • cot(x) 0 за 0<x90,180<x270 или 0<xπ2,π<x3π2
  • cot(x) 0 за 90x<180,270x<360 или π2x<π,3π2x<2π
  • sec(x) 0 за 0<x<90,270<x<360 или 0<x<π2,3π2<x<2π
  • sec(x) 0 за 90<x<270 или π2<x<3π2
  • csc(x) 0 за 0<x<180 или 0<x<π
  • csc(x) 0 за 180<x<360 или π<x<2π

Таблицата показва знаците на тригонометричните функции в зависимост от квадранта:

Квадрант sin и csc cos и sec tan и cot
I + + +
II +
III +
IV +

В следващата таблицата са дадени най-основните свойства на тригонометричните функции.

Функция Озна-чения Изразяване чрез основна връзка Дефиниционна област Област на стойностите
Синус sin sinα=cos(π2α) α [–1; 1]
Косинус cos cosα=sin(π2α) α [–1; 1]
Тангенс tg или tan tgα=sinαcosα=ctg(π2α) α без α=kπ,
k
(;+)
Котангенс cotg, ctg или cot ctgα=cosαsinα=tg(π2α) α без α=π2+kπ,
k
(;+)

Връзки между функциите

Шаблон:Основна

Тъждества се наричат равенства, изпълнени за всички допустими стойности на променливите в тях. Стандартните тъждества на връзките между функциите са

sin2x+cos2x=1 .
sec2xtg2x=1 .
csc2xctgxx=1 .

От правоъгълния триъгълник ABC (фиг. 1) съгласно теоремата на Питагор

(AC)2+(BC)2=(AB)2,

и тъй като AB = 1, AC = sin α и BC = cos α, то

sin2α+cos2α=1.

В следващата таблица са дадени всички връзки между тригонометричните функции. Всяка от функциите е изразена чрез всяка от другите пет.

sin cos tan cot sec csc
sin(x) sin(x) ±1cos2(x) ±tan(x)1+tan2(x) ±1cot2(x)+1 ±sec2(x)1sec(x) 1csc(x)
cos(x) ±1sin2(x) cos(x) ±11+tan2(x) ±cot(x)cot2(x)+1 1sec(x) ±csc2(x)1csc(x)
tan(x) ±sin(x)1sin2(x) ±1cos2(x)cos(x) tan(x) 1cot(x) ±sec2(x)1 ±1csc2(x)1
cot(x) ±1sin2(x)sin(x) ±cos(x)1cos2(x) 1tan(x) cot(x) ±1sec2(x)1 ±csc2(x)1
sec(x) ±11sin2(x) 1cos(x) ±1+tan2(x) ±cot2(x)+1cot(x) sec(x) ±csc(x)csc2(x)1
csc(x) 1sin(x) ±11cos2(x) ±1+tan2(x)tan(x) ±cot2(x)+1 ±sec(x)sec2(x)1 csc(x)

При използване на формулите трябва да се имат предвид, че знакът ± определя две стойности.

Тригонометричните функции като редове

Като се използват геометрични съображения и свойствата на границите, може да се докаже, че производната на синуса е равна на косинуса на същия ъгъл и производната на косинуса е равна на производната на синуса със знак минус. Тогава с помощта на редовете на Тейлър се представят синусът и косинусът като степенни редове:

sinx=xx33!+x55!x77!+x99!+=n=0(1)nx2n+1(2n+1)!,

cosx=1x22+x44!x66!+x88!+=n=0(1)nx2n(2n)!.

Ползвайки тези формули, а също и равенствата tgx=sinxcosx, ctgx=cosxsinx, secx=1cosx и cosecx=1sinx, може да се разложат в ред и другите тригонометрични функции:

tgx=x+x33+2x515+17x7315+62x92835+=n=1(1)n122n(22n1)B2n(2n)!x2n1;(π2<x<π2),

ctgx=1xx3x3452x5945x74725=1xn=122n|B2n|(2n)!x2n1;(π<x<π),

secx=1+x22+5x424+61x6720+277x88064+=n=0(1)nE2n(2n)!x2n;(π2<x<π2),

cosecx=1x+16x+7360x3+3115120x5+127604800x7+=1x+n=12(22n11)|B2n|(2n)!x2n1;(π<x<π),

където Bn са числа на Бернули, En са числа на Ойлер.

Косинусът като скаларно произведение

Във векторната геометрия косинусът се определя от скаларното произведение на два вектора u и v и техните норми ||u|| и ||v||:

cos(u,v)=u,vu×v.

Пресмятане на тригонометрични функции

Тригонометричните функции са включени в едни от най-рано използваните математически таблици. Тези таблици са част от справочниците по математика и студентите по различни инженерни дисциплини в миналото са обучавани да ги използват при изчислителните задачи и проекти.

Днес тригонометричните функции (sin, cos, tan, cot, sec, csc) се пресмятат с калкулатори от по-високо ниво. Повечето позволяват избора на измервателната единица за ъгъл: DEG, RAD, GRAD. При съвременните компютри съществуват голям брой програми, които осигуряват изключително точни и пълни изчисления.

Стойности на тригонометрични функции за някои ъгли

Стойности на косинус и синус (cosα,sinα) на окръжността

Шаблон:Основна

Стойностите на синус, косинус, тангенс, котангенс, секанс и косеканс за някои ъгли са дадени в таблиците. („“ означава, че функцията в указаната точка не е дефинирана, но клони към безкрайност в нейната близост).



Основни стойности

Радиани 0 π6 π4 π3 π2 π 3π2 2π
Градуси 0 30 45 60 90 180 270 360
sinα 0 12 22 32 1 0 1 0
cosα 1 32 22 12 0 1 0 1
tgα 0 33 1 3 0 0
ctgα 3 1 33 0 0
secα 1 233 2 2 1 1
cosecα 2 2 233 1 1

Шаблон:Clear

Стойности на тригонометрични функции за нестандартни ъгли

Радиани 2π3 3π4 5π6 7π6 5π4 4π3 5π3 7π4 11π6
Градуси 120 135 150 210 225 240 300 315 330
sinα 32 22 12 12 22 32 32 22 12
cosα 12 22 32 32 22 12 12 22 32
tgα 3 1 33 33 1 3 3 1 33
ctgα 33 1 3 3 1 33 33 1 3
secα 2 2 233 233 2 2 2 2 233
cosecα 233 2 2 2 2 233 233 2 2


Радиани π12 π10 π8 π5 3π10 3π8 2π5 5π12
Градуси 15 18 22,5 36 54 67,5 72 75
sinα 232 514 222 10254 5+14 2+22 10+254 2+32
cosα 2+32 10+254 2+22 5+14 10254 222 514 232
tgα 23 251055 21 525 25+1055 2+1 5+25 2+3
ctgα 2+3 5+25 2+1 25+1055 525 21 251055 23
secα 223 501055 422 51 50+1055 4+22 5+1 22+3
cosecα 22+3 5+1 4+22 50+1055 51 422 501055 223


Шаблон:Hider

Литература

  • Lars Ahlfors. Complex Analysis: an introduction to the theory of analytic functions of one complex variable, segona edició, McGraw-Hill Book Company, Nova York, 1966.
  • Abramowitz, Milton; Irene A. Stegun. Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, Dover, Nova York. (1964). ISBN 0-486-61272-4.
  • Boyer, Carl B. – A History of Mathematics, John Wiley & Sons, Inc., segona edició. (1991). ISBN 0-471-54397-7.
  • Joseph, George G. The Crest of the Peacock: Non-European Roots of Mathematics, segona edició Penguin Books, Londres. (2000). ISBN 0-691-00659-8.
  • Kantabutra, Vitit. "On hardware for computing exponential and trigonometric functions," IEEE Trans. Computers 45 (3), 328–339 (1996).
  • Maor, Eli. Trigonometric Delights Arxivat 2006-04-14 a Wayback Machine., Princeton Univ. Press. (1998). Reimpressió (25 febrer de 2002): ISBN 0-691-09541-8.
  • Needham, Tristan. "Preface" Arxivat 2004-06-02 a Wayback Machine." a Visual Complex Analysis Arxivat 2008-06-07 a Wayback Machine.. Oxford University Press, (1999). ISBN 0-19-853446-9.
  • O'Connor, J.J.; E.F. Robertson. "Trigonometric functions" Arxivat 2013-01-20 a Wayback Machine., Arxiu d'història de les matemàtiques a MacTutor. (1996).
  • O'Connor, J.J.; E.F. Robertson. "Madhava of Sangamagramma", Arxiu d'història de les matemàtiques a MacTutor. (2000).
  • Pearce, Ian G. "Madhava of Sangamagramma" Arxivat 2006-05-05 a Wayback Machine.. Arxiu d'història de les matemàtiques a MacTutor. (2002).
  • Weisstein, Eric W. "Tangent" a MathWorld, accés el 21 de gener de 2006.

Вижте също