Тригонометрические функции
|
Отношения с другими понятиями:- Теория:
- Тригонометрия
Представители:
Тригонометри́ческие фу́нкции — математические функции от величины угла. Они важны при изучении геометрии, а также при исследовании периодических процессов. Обычно тригонометрические функции определяют как отношения сторон прямоугольного треугольника или длины определённых отрезков в единичной окружности. Более современные определения выражают тригонометрические функции через суммы рядов или как решения некоторых дифференциальных уравнений, что позволяет расширить область определения этих функций на произвольные вещественные числа и даже на комплексные числа.
В настоящее время выделяют шесть основных тригонометрических функций, указанных ниже вместе с уравнениями, связывающими их друг с другом. Для последних четырёх функций, эти соотношения часто называют определениями этих функций, однако можно определять эти функции геометрически или как-нибудь по-другому. Кроме того, существуют другие функции, такие как и , но они в настоящее время редко используются (см. Редко используемые тригонометрические функции). С тригонометрическими функциями тесно связаны обратные им функции (см. Обратные тригонометрические функции)
Основные тригонометрические функции
Функция |
Обозначение |
Соотношение |
Графики
|
Си́нус |
|
|
В настройках вики неполная информация для программы с ID gnuplot. Отсутствует command.<externalvalue data="svg">No svg!</externalvalue>
Графики тригонометрических функций: синуса, косинуса, тангенса, секанса, косеканса, котангенса
|
Ко́синус |
|
|
Та́нгенс |
[1] |
|
Кота́нгенс |
[2] |
|
Се́канс |
|
|
Косе́канс |
[3] |
|
Тригонометрические функции в прямоугольном треугольнике[править | править код]
Рис. 2
Прямоугольный треугольник
Чтобы определить тригонометрические функции произвольного угла возьмём произвольный прямоугольный треугольник, содержащий угол (см. Рис. 2). Стороны этого треугольника мы будем называть так:
- Гипотенуза — сторона, противолежащая прямому углу, самая длинная сторона в треугольнике. В данном случае, сторона
- Противолежащий катет — катет, лежащий напротив угла. Например, катет — противолежащий по отношению к углу
- Прилежащий катет — катет, являющийся стороной угла. Например, катет — прилежащий по отношению к углу
Будем предполагать, что треугольник лежит в евклидовой плоскости, поэтому сумма его углов равна Это означает, что углы между катетами и гипотенузой лежат между и Используя формулы приведения или определение через единичную окружность, можно расширить область определения тригонометрических функций на множество вещественных чисел.
Синус угла — отношение противолежащего катета к гипотенузе: Это отношение не зависит от выбора треугольника , содержащего угол так как все такие треугольники подобны.
Косинус угла — отношение прилежащего катета к гипотенузе: Так как синус одного острого угла в треугольнике равна косинусу второго, и наоборот.
Тангенс угла — отношение противолежащего катета к прилежащему:
Котангенс угла — отношение прилежащего катета к противолежащему: Котангенс одного острого угла в прямоугольном треугольнике равен тангенсу второго, и наоборот.
Секанс угла — отношение гипотенузы к прилежащему катету:
Косеканс угла — отношение гипотенузы к противолежащему катету:
Из определений тригонометрических функций следует:
и симметрично:
Определение тригонометрических функций через окружность[править | править код]
Рис. 3.
Определение тригонометрических функций через окружность.
Рис. 4.
Tригонометрическиe функций угла
в тригонометрической окружности с радиусом, равным единице.
Пусть на плоскости задана прямоугольная система координат с началом в точке и с осями и (см. Рис. 3). Возьмём в этой системе координат окружность с центром в точке и радиусом, равным единице. Пусть отрезок поворачивается на произвольный угол вокруг центра
Синусом угла называется отношение ординаты точки к длине отрезка Обозначают Так как длина отрезка равна , то
Косинусом угла называется отношение абсциссы точки к длине отрезка Обозначают Так как длина отрезка равна 1, то
Тангенсом угла называется отношение ординаты точки к абсциссе точки . Обозначают (в англоязычной литературе Так как и то
Котангенсом угла называется отношение абсциссы точки к ординате точки . Обозначают (в англоязычной литературе Так как и то Котангенс равен обратному значению тангенса:
Секансом угла называется отношение длины отрезка к абсциссе точки . Обозначают Так как длина отрезка равна 1, то Секанс равен обратному значению косинуса:
Косекансом угла называется отношение длины отрезка к ординате точки . Обозначают (в англоязычной литературе Так как длина отрезка равна , то Косеканс равен обратному значению синуса:
Из определения следует: если косинус угла равен нулю, то тангенс и секанс этого угла не существуют. Аналогично для котангенса и косеканса: если синус угла равен нулю, то котангенс и косеканс этого угла не существуют.
Определение тригонометрических функций через ряды[править | править код]
Используя геометрию и свойства пределов, можно доказать, что производная синуса равна косинусу и что производная косинуса равна минус синусу. Тогда можно воспользоваться теорией рядов Тейлора и представить синус и косинус в виде суммы степенных рядов:
Пользуясь этими формулами, а также уравнениями и можно найти разложения в ряд Тейлора и других тригонометрических функций:
где — числа Бернулли.
где — числа Эйлера.
Определение тригонометрических функций через экспоненту[править | править код]
Определение тригонометрических функций через ряды эквивалентно следующему компактному определению тригонометрических функций, носящему имя формула Муавра:
Значения тригонометрических функций для некоторых углов[править | править код]
Значения синуса, косинуса, тангенса, котангенса, секанса и косеканса для некоторых углов приведены в таблице.
Значения тригонометрических функций на окружности.
|
0°(0 рад) |
30° (π/6) |
45° (π/4) |
60° (π/3) |
90° (π/2) |
180° (π) |
270° (3π/2)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Значения тригонометрических функций нестандартных углов[править | править код]
Свойства тригонометрических функций[править | править код]
Функция y = cos α — чётная, функции: y = sin α, y = tg α, y = ctg α — нечётные, то есть:
Для острых углов
справедливо:
Для углов справедливо:
Рассмотрим треугольник ABO (см. Рис. 1). По теореме Пифагора:
если OA = 1, то AB = sin α и OB = cos α, то есть
Если разделить выражение (1) на то получим следующее тождество:
Если разделить выражение (1) на то получим следующее тождество:
или
Все тригонометрические функции непрерывно дифференцируемы на всей области определения:
Интегралы тригонометрических функций на области определения выражаются через элементарные функции следующим образом:
Линия синуса у индийских математиков первоначально называлась अर्धज्या, ардха-джья̄ («полутетива»), затем слово ардха- (अर्ध) было отброшено и линию синуса стали называть просто джья̄ (ज्या). Но чаще использовался синоним джӣва, «живой» (जीबा). Арабские переводчики не перевели слово джӣва арабским словом ватар (وتر), обозначающим тетиву и хорду, а транскрибировали арабскими буквами и стали называть линию синуса джӣба (произношение جيبا). Так как в арабском языке краткие гласные не обозначаются, а долгое ӣ в слове джӣба обозначается так же, как полугласная й (جيب), Герардо Кремонский интерпретировал слово как джайб, что буквально обозначает «впадина», «пазуха» и перевёл его на латынь словом sinus, имеющим то же значение.[4]
Современное обозначение синуса и косинуса введено Леонардом Эйлером в XVIII веке.
Термины «тангенс» (от лат. tangens, «касающийся») и «секанс» (secans, «секущий») были введены датским математиком Томасом Финке (1561—1656) в его книге «Геометрия круглого» (Geometria rotundi, 1583)