Matematyka dla liceum/Trygonometria
[edytuj] Funkcje trygonometryczne
[edytuj] Funkcje trygonometryczne kąta ostrego
Funkcje trygonometryczne są głównymi pojęciami trygonometrii. Istnieje sześć funkcji trygonometrycznych:
- sinus (czyt. sinus), symbol: sin
- cosinus (czyt. kosinus), symbol: cos
- tangens (czyt. tangens), symbol: tg, tan
- cotangens (czyt. kotangens), symbol: ctg, cot, ctn
- secans (czyt. sekans), symbol: sec,
- cosecans (czyt. kosekans), symbol: cosec, csc
Argumentami funkcji trygonometrycznych mogą być:
- kąt skierowany
- liczba rzeczywista
|
|
DEFINICJA funkcji trygonometrycznych dla kąta ostrego w trójkącie prostokątnym. Sinusem kąta ostrego ![]() Cosinusem kąta ostrego ![]() Tangensem kąta ostrego ![]() Cotangensem kąta ostrego lub ![]() Secansem kąta ostrego lub ![]() Cosecansem kąta ostrego lub ![]() |
[edytuj] Miara łukowa kąta
Narysujmy okrąg o promieniu r, a na nim zaznaczmy łuk L, dla którego kąt środkowy oparty o ten łuk będzie wynosił
. Znajdźmy wzór na długość tego łuku.
Intuicyjnie długość łuku do obwodu okręgu jest równa mierze kąta w stopniach do
:
ponieważ
, otrzymujemy:
zatem:
Jak łatwo zauważyć wartość
nie zależy od promienia naszego okręgu, tylko od kąta, który tworzy nasz łuk. Wartość ta nazywana jest miarą łukową kąta dla kąta
. W ogólności wzór na długość łuku wyznaczonego przez kąt
(wyznaczonego w stopniach) przybierze postać:
Tak jak długość nie musi wyrażać się w metrach, tak też kąt nie musi wyrażać się w stopniach. Możemy wykorzystać inną jednostkę kąta, jakim jest radian. Wtedy wartość kąta jest wyrażana w tzw. mierze łukowej. Załóżmy, że kąt
jest wyrażony w stopniach,
w radianach, wówczas wartości tych kątów wiąże zależność:
Jednostką miary łukowej jest radian, który w skrócie zapisywany jest przez rad. Często przy podawaniu kąta wyrażonego w mierze łukowej pomija się jednostkę np. zamiast
pisze się po prostu
.
Powróćmy znowu do wzoru na długość łuku L, tym razem jednak załóżmy, że kąt na którym jest oparty łuk jest wyrażony w radianach i wynosi
. Wówczas wykorzystując zależność
otrzymujemy zależność:
dzieląc obustronnie przez r otrzymujemy:
|
|
DEFINICJA Miarą łukową kąta nazywamy stosunek długości łuku do długości promienia. Jest ona równa kątowi Jednostką miary łukowej jest radian. |
Ten drugi wzór jest o wiele łatwiejszy do zapamiętania.
Zauważmy, że miara kąta pełnego wyrażonego w stopniach wynosi
, a w radianach
. Zatem:
Aby zamienić stopnie na radiany możemy wykorzystać wcześniej wzór:

(który był przedstawiony wcześniej, lecz w nieco innej postaci).
Odwrotnie, aby zamienić radiany na stopnie wykorzystujemy wzór:

Możemy go otrzymać przekształcając poprzedni wzór.
Przykład 1 Zamieńmy miarę stopniową na miarę łukową
- a)

- b)

- c)

Wówczas możemy to zrobić na dwa sposoby:
- a) I sposób za pomocą proporcji:
- 
- 
- czyli:
- II sposób, wykorzystując wzór:
- b)

- c)

Przykład 2 Zamieńmy miarę łukową na miarę stopniową
- a)

- b)

- b)

Podobnie jak w poprzednim przykładzie, możemy to zrobić na dwa sposoby:
- a) I sposób za pomocą proporcji:
- 
- 
- zatem:
- II sposób, wykorzystując wzór:
- b)

- c)

[edytuj] Funkcje trygonometryczne kąta dowolnego
[edytuj] Miara kąta skierowanego na płaszczyźnie zorientowanej
|
|
DEFINICJA Kąt skierowany - jest to uporządkowana para półprostych o wspólnym początku; pierwsza półprosta - ramię początkowe, druga półprosta - ramię końcowe. |
Przykład kąta skierowanego
Ramieniem początkowym kąta
jest półprosta wyróżniona na niebiesko, a ramieniem końcowym półprosta koloru czerwonego.
|
|
DEFINICJA Płaszczyzna zorientowana - jest to taka płaszczyzna na której określono bieg dodatni dla każdego okręgu. |
|
Przykład płaszczyzna zorientowana 1: Układ współrzędnych zorientowany dodatnio.
|
Przykład płaszczyzna zorientowana 2: Układ współrzędnych zorientowany ujemnie.
|
Kątowi skierowanemu
na płaszczyźnie zorientowanej przyporządkowujemy ten kąt nieskierowany AOB (wypukły lub wklęsły) w którym leży łuk o początku w punkcie L i końcu w punkcie K, mający zwrot dodatni.
[edytuj] Funkcje trygonometryczne kąta skierowanego
|
|
DEFINICJA {{{1}}} |
Przykład 1.
Niech ramię początkowe kąta
pokrywa się z dodatnią półosią OX, a ramię końcowe przechodzi przez punkt
. Wyznaczmy wartości funkcji sinus, cosinus, tangens i cotangens dla tego kąta. Ponieważ wartości funkcji trygonometrycznych nie zależą od wyboru punktu należącego do końcowego ramienia kąta, zatem możemy wykorzystać do tego współrzędne punktu
:
Mówimy, że kąt jest w położeniu standardowym, jeśli kąt został umieszczony tak w układzie współrzędnych, że jego ramię początkowe pokrywa się z dodatnią osią OX.
Przykład 2.
Kąt
znajduje się w położeniu standardowym. Końcowe ramię przechodzi przez punkt
. Wyznaczmy
,
,
,
.
Przykład 3.
Kąt
znajduje się w położeniu standardowym. Końcowe ramię przechodzi przez punkt
. Obliczmy
,
,
,
.
[edytuj] Własności funkcji trygonometrycznych
[edytuj] Znak funkcji trygonometrycznej
| Funkcja | I | II | III | IV |
|---|---|---|---|---|
![]() |
+ | + | - | - |
![]() |
+ | - | - | + |
![]() |
+ | - | + | - |
![]() |
+ | - | + | - |
| Czy wiesz, że... Powyższe znaki funkcji trygonometrycznych można nauczyć się stosując prosty wierszyk: "W pierwszej ćwiartce wszystkie są dodatnie, w drugiej tylko sinus, w trzeciej tangens i cotangens, a w czwartej cosinus". (inna wersja pierwszego zdania: W pierwszej ćwiartce same plusy, ...) |
[edytuj] Parzystość i nieparzystość
Funkcja
jest parzysta, czyli zachodzi:
Natomiast funkcje
,
i
są nieparzyste, czyli:
[edytuj] Okresowość
Dla funkcji trygonometrycznych
,
,
,
, gdzie
jest dowolnym kątem, a k dowolną liczbą całkowitą, zachodzi:
[edytuj] Związki pomiędzy funkcjami trygonometrycznymi
[edytuj] Wykresy funkcji trygonometrycznych
Wykres funkcji sinus nazywa się sinusoidą, funkcji cosinus cosinusoidą, funkcji tangens tangensoidą, a funkcji cotangens cotangensoidą.
Na podstawie wykresu poszczególnych funkcji trygonometrycznych można oszacować cechy tej funkcji:
Sinusoida

![ZW_f= [-1; 1] \,](//upload.wikimedia.org/wikibooks/pl/math/1/f/9/1f9d13a10e7c44db89ab82033da12f96.png)

dla
gdzie 
- nieparzystość
- okresowość
Cosinusoida

![ZW_f= [-1; 1] \,](//upload.wikimedia.org/wikibooks/pl/math/1/f/9/1f9d13a10e7c44db89ab82033da12f96.png)

dla
gdzie 
- parzystość
- okresowość
Tangensoida
gdzie 


dla
gdzie 
- asymptoty pionowe
gdzie 
- nieparzystość
- okresowość
Cotangensoida
gdzie 


dla
gdzie 
- asymptoty pionowe
gdzie 
- nieparzystość
- okresowość
[edytuj] Szkicowanie wykresu funkcji trygonometrycznych
Szkicowanie zaczynamy od narysowania układu współrzędnych i zaznaczenia na osi OY wartości:
- w przypadku sinusa i cosinusa: od -1 do 1,
- w przypadku tagensa i cotangensa od -4 do 4.
Natomiast na osi OX wartości od
do
. Zakładam, że będziesz rysował wykres na kartce w kratkę, więc zalecam byś przyjął jako jednostkę na osi Y 2 kratki. Wykonując podziałkę na osi X nanieś ją w następujący sposób:
- większymi kreskami co kratkę, będą to wartości rosnące co

- mniejszymi kreskami co półtorej kratki, będą to wartości rosnące co

Gdy mamy tak przygotowany wykres możemy przystąpić to nanoszenia punktów przez które wiemy, że funkcja będzie na pewno przechodziła (z tabeli), a następnie korzystając z wzorów redukcyjnych możemy je zaznaczyć dla dowolnego kąta.
Tak zaznaczone punkty łączymy płynną linią i gotowe.
Uwaga! W przypadku kreślenia wykresu funkcji tangens i cotangens należy zaznaczyć asymptotę linią przerywaną.
[edytuj] Tożsamości trygonometryczne
[edytuj] Podstawowe tożsamości trygonometryczne




[edytuj] Dowód prawdziwości
:

Na podstawie twierdzenia Pitagorasa możemy stwierdzić, że
ponieważ



[edytuj] Dowód prawdziwości 

[edytuj] Dowód prawdziwości 

[edytuj] Dowód prawdziwości 

[edytuj] Pozostałe tożsamości trygonometryczne
[edytuj] Funkcje sumy i różnicy kątów




, jeżeli 
, jeżeli 
, jeżeli 
, jeżeli 
[edytuj] Sumy i różnice funkcji trygonometrycznych
Dla dowolnych kątów o miarach
i 




[edytuj] Funkcje kąta podwójnego


, jeżeli 
, jeżeli 
[edytuj] Wzory redukcyjne
Wzory redukcyjne – wzory pozwalające sprowadzić obliczanie wartości funkcji trygonometrycznych dowolnego kąta skierowanego do obliczenia wartości funkcji dla kąta ostrego.
![]() ![]() ![]() ![]() |
![]() ![]() ![]() ![]() |
![]() ![]() ![]() ![]() |
![]() ![]() ![]() ![]() |
![]() ![]() ![]() ![]() |
![]() ![]() ![]() ![]() |
![]() ![]() ![]() ![]() |
![]() ![]() ![]() ![]() |
Na szczęście nie trzeba uczyć się na pamięć powyższej tabeli. Wystarczy przyswoić sobie dwa zdroworozsądkowe fakty z niej wynikające:
- gdy we wzorze redukcyjnym występuje liczba 90 lub 270 to funkcja sinus zmienia się w cosinus i na odwrót, a tangens w cotangens i na odwrót
- o pojawieniu się znaku minus decyduje funkcja po lewej stronie, gdy w danej ćwiartce dana funkcja jest ujemna, to dopisujemy znak minus np.:
– ponieważ cosinus w IV ćwiartce
jest dodatni
– ponieważ cosinus w II ćwiartce
jest ujemny
– ponieważ tangens w II ćwiartce
jest ujemny
Łatwo zapamiętać, gdzie pojawia się znak minus, używając "praktycznej poezji matematycznej":
W pierwszej ćwiartce same plusy
W drugiej tylko sinus
W trzeciej tangens i cotangens
A w czwartej cosinus
[edytuj] Równania trygonometryczne
Równaniem trygonometrycznym będziemy nazywać równanie, w którym niewiadoma występuje tylko w wyrażeniach będących argumentem funkcji trygonometrycznej. Przykładami równań trygonometrycznych mogą być:
| TWIERDZENIE Równanie postaci
|
Przykład 1. Rozwiążmy równanie
:
- Ponieważ
, więc 
- Stąd mamy:

- lub
, gdzie 
Odp. Rozwiązaniem równania są liczby postaci:
lub
,
.
Przykład 2. Rozwiążmy równanie
:

- Zatem:
lub
, gdzie 
Odp. Rozwiązaniem równania są liczby postaci:
lub
,
.
Przykład 3. Rozwiążmy równanie
:

- Zatem:
, gdzie 
Odp. Rozwiązaniem równania są liczby postaci:
,
.
[edytuj] Nierówności trygonometryczne
Przykładami nierówności trygonometrycznych mogą być:
Przykład 1. Rozwiążmy graficznie nierówność:
w przedziale
.
Z wykresu możemy odczytać, że sinus przyjmuje wartości większe od
dla
.
Odp. Nierówność
w przedziale
jest spełniona dla
.
[edytuj] Ćwiczenia
Ćw.1
Podaj wartości funkcji trygonometrycznych dla kątów ostrych trójkąta prostokątnego o bokach:
a. 5,12,13
b. 7,24,25




lub 
lub 
lub 


















-
- 








































![ZW_f= [-1; 1] \,](http://upload.wikimedia.org/wikibooks/pl/math/1/f/9/1f9d13a10e7c44db89ab82033da12f96.png)

dla
gdzie 
gdzie 
gdzie 

gdzie 
gdzie 

































– ponieważ cosinus w IV ćwiartce
jest dodatni
– ponieważ cosinus w II ćwiartce
jest ujemny
jest ujemny


ma nieskończenie wiele rozwiązań, przy założeniu, że
:
, gdzie 
ma nieskończenie wiele rozwiązań, przy założeniu, że
, gdzie 
ma nieskończenie wiele rozwiązań:
, gdzie 
ma nieskończenie wiele rozwiązań:
, więc 

, gdzie 




