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:

sin⁡α=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:

cos⁡α=bc.

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

tg⁡α=ab.

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

cotg⁡α=ba.

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

sec⁡α=cb.

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

cosec⁡α=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

sin⁡θ=CAOA=CA1=CA,

тъй като дължината на радиуса ОА е равна на 1. Оттук 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:

sin⁡θ=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:

cos⁡θ=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:

tg⁡θ=CAOC, tg⁡θ=sin⁡θcos⁡θ.

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:

cotg⁡θ=OCCA, cotg⁡θ=cos⁡θsin⁡θ.

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:

sec⁡θ=OE, sec⁡θ=1cos⁡θ.

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:

cosec⁡θ=OF, cosec⁡θ=1sin⁡θ.

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)=ℝ.
  2. Множество на стойностите на функцията – областта
    [−1; 1]: E(y)= [−1;1].
  3. Функцията y=sin⁡(x) е нечетна: sin⁡(−x)=−sin⁡x.
  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,n∈Z.
  6. Области с постоянен знак:
    y>0 при x∈(0+2πn;π+2πn),n∈Z и
    y<0 при x∈(π+2πn;2π+2πn),n∈Z.
  7. Функцията е непрекъсната и има производна при всяка стойност на аргумента: (sin⁡x)′=cos⁡x
  8. Функцията y=sin⁡x е растяща при x∈(−π2+2πn;π2+2πn)n∈Z, и намаляваща при x∈(π2+2πn;3π2+2πn),n∈Z.
  9. Функцията има минимум при x=−π2+2πn,n∈Z и максимум при x=π2+2πn,n∈Z.

Свойства на функцията косинус

Косинус
  1. Дефиниционна област (област на определяне) – множеството на всички реални числа: D(y)=ℝ.
  2. Множество на стойностите – областта [−1; 1]:
    E(y) = [−1;1].
  3. Функцията y=cos⁡(x) е четна: cos⁡(−x)=cos⁡x.
  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,n∈Z.
  6. Области с постоянен знак:
    y>0 при (−π2+2πn;π2+2πn),n∈Z и
    y<0 при (π2+2πn;3π2+2πn),n∈Z.
  7. Функцията е непрекъсната и има производна при всяка стойност на аргумента: (cos⁡x)′=−sin⁡x
  8. Функцията y=cos⁡x е растяща при x∈(−π+2πn;2πn),n∈Z, и е намаляваща при x∈(2πn;π+2πn),n∈Z.
  9. Функцията има минимум при x=π+2πnn∈Z и максимум при x=2nπ,n∈Z.

Свойства на функцията тангенс

Тангенс
  1. Област на определяне на функцията – множеството от всички реални числа: D(y)=ℝ, освен числата x=π2+nπ.
  2. Множество на стойностите – множеството на всички реални числа: E(y)=ℝ.
  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,n∈Z.
  6. Области с постоянен знак:
    y>0 при x∈(nπ;nπ+π2),n∈Z и
    y<0 при x∈(−π2+πn;πn),n∈Z.
  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),n∈Z.

Свойства на функцията котангенс

Котангенс
  1. Област на определяне на функцията – множеството на всички реални числа: D(y)=ℝ, освен числата x=nπ.
  2. Множество на стойностите – множеството на всички реални числа: E(y)=ℝ.
  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,n∈Z.
  6. Области с постоянен знак:
    y>0 при x∈(nπ;nπ+π2),n∈Z и
    y<0 при x∈(nπ+π2;(n+1)π),n∈Z.
  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),n∈Z.

Обобщени свойства

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

sin⁡(−x)=−sin⁡x, tg(−x)=−tgx,
cos⁡(−x)=cos⁡x, ctg(−x)=−ctgx.

За остри ъгли α<π2

sin⁡(π2−α)=cos⁡α, tg(π2−α)=ctgα,
sin⁡(π2+α)=cos⁡α, tg(π2+α)=−ctgα,
cos⁡(π2−α)=sin⁡α, ctg(π2−α)=tgα,
cos⁡(π2+α)=−sin⁡α, ctg(π2+α)=−tgα.

За ъгли 0<α<π е изпълнено

sin⁡(π−α)=sin⁡α, cos⁡(π−α)=−cos⁡α,
sin⁡(π+α)=−sin⁡α, cos⁡(π+α)=−cos⁡α,
tg(π−α)=−tgα,α≠π2,3π2,
tg(π+α)=tgα,α≠π2,3π2,
ctg(π−α)=−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 0∘≤x≤180∘ или 0≤x≤π
  • sin⁡(x)≤ 0 für 180∘≤x≤360∘ или π≤x≤2π
  • cos⁡(x)≥ 0 за 0∘≤x≤90∘,270∘≤x≤360∘ oder 0≤x≤π2,3π2≤x≤2π
  • cos⁡(x)≤ 0 за 90∘≤x≤270∘ или π2≤x≤3π2
  • tan⁡(x)≥ 0 за 0∘≤x<90∘,180∘≤x<270∘ или 0≤x<π2,π≤x<3π2
  • tan⁡(x)≤ 0 за 90∘<x≤180∘,270∘<x≤360∘ или π2<x≤π,3π2<x≤2π
  • cot⁡(x)≥ 0 за 0∘<x≤90∘,180∘<x≤270∘ или 0<x≤π2,π<x≤3π2
  • cot⁡(x)≤ 0 за 90∘≤x<180∘,270∘≤x<360∘ или π2≤x<π,3π2≤x<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
Номограма за преобразуване между градуси и радиани

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 Означения Изразяване чрез основна връзка Дефиниционна област Област на стойностите
Синус sin sin⁡α=cos⁡(π2−α) ∀α [–1; 1]
Косинус cos cos⁡α=sin⁡(π2−α) ∀α [–1; 1]
Тангенс tg или tan tg⁡α=sin⁡αcos⁡α=ctg⁡(π2−α) ∀α без α=kπ,
k∈ ℤ
(−∞;+∞)
Котангенс cotg, ctg или cot ctg⁡α=cos⁡αsin⁡α=tg⁡(π2−α) ∀α без α=π2+kπ,
k∈ ℤ
(−∞;+∞)

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 .
sec2x−tg2x=1 .
csc2x−ctgxx=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) ±1−cos2(x) ±tan⁡(x)1+tan2(x) ±1cot2(x)+1 ±sec2(x)−1sec⁡(x) 1csc⁡(x)
cos(x) ±1−sin2(x) cos⁡(x) ±11+tan2(x) ±cot⁡(x)cot2(x)+1 1sec⁡(x) ±csc2(x)−1csc⁡(x)
tan(x) ±sin⁡(x)1−sin2(x) ±1−cos2(x)cos⁡(x) tan⁡(x) 1cot⁡(x) ±sec2(x)−1 ±1csc2(x)−1
cot(x) ±1−sin2(x)sin⁡(x) ±cos⁡(x)1−cos2(x) 1tan⁡(x) cot⁡(x) ±1sec2(x)−1 ±csc2(x)−1
sec(x) ±11−sin2(x) 1cos⁡(x) ±1+tan2(x) ±cot2(x)+1cot⁡(x) sec⁡(x) ±csc⁡(x)csc2(x)−1
csc(x) 1sin⁡(x) ±11−cos2(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:

sin⁡x=x−x33!+x55!−x77!+x99!+⋯=∑n=0∞(−1)nx2n+1(2n+1)!,

cos⁡x=1−x22+x44!−x66!+x88!+⋯=∑n=0∞(−1)nx2n(2n)!.

Ползвайки тези формули, а също и равенствата tg⁡x=sin⁡xcos⁡x, ctg⁡x=cos⁡xsin⁡x, sec⁡x=1cos⁡x и cosec⁡x=1sin⁡x, може да се разложат в ред и другите тригонометрични функции:

tg⁡x=x+x33+2x515+17x7315+62x92835+⋯=∑n=1∞(−1)n−122n(22n−1)B2n(2n)!x2n−1;(−π2<x<π2),

ctg⁡x=1x−x3−x345−2x5945−x74725−⋯=1x−∑n=1∞22n|B2n|(2n)!x2n−1;(−π<x<π),

sec⁡x=1+x22+5x424+61x6720+277x88064+⋯=∑n=0∞(−1)nE2n(2n)!x2n;(−π2<x<π2),

cosec⁡x=1x+16x+7360x3+3115120x5+127604800x7+⋯=1x+∑n=1∞2(22n−1−1)|B2n|(2n)!x2n−1;(−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,v⟩‖u‖×‖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 (cos⁡α,sin⁡α) 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∘
sin⁡α 0 12 22 32 1 0 −1 0
cos⁡α 1 32 22 12 0 −1 0 1
tg⁡α 0 33 1 3 ∞ 0 ∞ 0
ctg⁡α ∞ 3 1 33 0 ∞ 0 ∞
sec⁡α 1 233 2 2 ∞ −1 ∞ 1
cosec⁡α ∞ 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∘
sin⁡α 32 22 12 −12 −22 −32 −32 −22 −12
cos⁡α −12 −22 −32 −32 −22 −12 12 22 32
tg⁡α −3 −1 −33 33 1 3 −3 −1 −33
ctg⁡α −33 −1 −3 3 1 33 −33 −1 −3
sec⁡α −2 −2 −233 −233 −2 −2 2 2 233
cosec⁡α 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∘
sin⁡α 2−32 5−14 2−22 10−254 5+14 2+22 10+254 2+32
cos⁡α 2+32 10+254 2+22 5+14 10−254 2−22 5−14 2−32
tg⁡α 2−3 25−1055 2−1 5−25 25+1055 2+1 5+25 2+3
ctg⁡α 2+3 5+25 2+1 25+1055 5−25 2−1 25−1055 2−3
sec⁡α 22−3 50−1055 4−22 5−1 50+1055 4+22 5+1 22+3
cosec⁡α 22+3 5+1 4+22 50+1055 5−1 4−22 50−1055 22−3


Шаблон:Hider

Вижте също

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.

Източници