Рис. 1 Графики тригонометрических функций: , , , , ,
Тригонометрические фу́нкции — математические функции от угла. Они безусловно важны при изучении геометрии, а также при исследовании периодических . Обычно тригонометрические функции определяют как отношения сторон или определённых отрезков в . 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 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)
Тригонометрические функции в прямоугольном треугольнике
Чтобы определить тригонометрические функции произвольного угла возьмём произвольный прямоугольный треугольник, содержащий угол . Стороны этого треугольника мы будем называть так:
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.
Си́нус угла — отношение противолежащего катета к гипотенузе: Это отношение не зависит от выбора треугольника , содержащего угол так как все такие треугольники подобны.
Ко́синус угла — отношение прилежащего катета к гипотенузе: Так как синус одного острого угла в треугольнике равна косинусу второго, и наоборот.
Та́нгенс угла — отношение противолежащего катета к прилежащему:
Кота́нгенс угла — отношение прилежащего катета к противолежащему: Котангенс одного острого угла в прямоугольном треугольнике равен тангенсу второго, и наоборот.
Се́канс угла — отношение гипотенузы к прилежащему катету:
Косе́канс угла — отношение гипотенузы к противолежащему катету:
Из определений тригонометрических функций следует:
Определение тригонометрических функций через окружность
Пусть на плоскости задана прямоугольная система координат с началом в точке и с осями и . Возьмём в этой системе координат окружность с центром в точке и , равным единице. Пусть отрезок поворачивается на произвольный угол вокруг центра
Синусом угла называется отношение точки к длине отрезка Обозначают Так как длина отрезка равна , то
Косинусом угла называется отношение 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
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 — .
Значения тригонометрических функций для некоторых углов
Значения синуса, косинуса, тангенса, котангенса, секанса и косеканса для некоторых углов приведены в таблице.
Значения тригонометрических функций нестандартных углов
Свойства тригонометрических функций
Функция y = cos x — . Функции: y = sin x, y = tg x, y = ctg x — , 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
на то получим следующее тождество:
Производные и интегралы
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 «арха-джива» («полутетива»), затем слово «арха» было отброшено и линию синуса стали называть просто «джива». Арабские переводчики не перевели слово «джива» арабским словом «ватар», обозначающим тетиву и хорду, а транскрибировали арабскими буквами и стали называть линию синуса «джиба». Так как в краткие гласные не обозначаются, а долгое «и» в слове «джиба» обозначается так же, как полугласная «й», арабы стали произносить название линии синуса «джайб», что буквально обозначает «впадина», «пазуха». При переводе арабских сочинений на европейские переводчики перевели слово «джайб» латинским словом sinus, имеющим то же значение.
Современное обозначение синуса sin и косинуса cos введено Леонардом Эйлером в XVIII веке.
Термины «тангенс» (от — касающийся) и «секанс» ( — секущий) были введены датским математиком (1561—1656) в его книге «Геометрия круглого» (Geometria rotundi, 1583)
vi:Hàm lượng giác
Запросы «sin» и «синус» перенаправляются сюда; у терминов sin и синус есть также другие значения.
Запрос «sec» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Рис. 1.Графики тригонометрических функций: , , , , ,
Раздел математики, изучающий свойства тригонометрических функций, называется тригонометрией.
К тригонометрическим функциям традиционно причисляют:
прямые тригонометрические функции:
производные тригонометрические функции:
обратные тригонометрические функции:
Кроме этих шести широко известных тригонометрических функций, иногда в литературе используются некоторые редко используемые тригонометрические функции (версинус и т. д.).
Синус и косинус вещественного аргумента представляют собой периодические, непрерывные и бесконечно дифференцируемые вещественнозначные функции. Остальные четыре функции на вещественной оси также вещественнозначны, периодичны и бесконечно дифференцируемы, за исключением счётного числа разрывов второго рода: у тангенса и секанса в точках , а у котангенса и косеканса — в точках .
Графики тригонометрических функций показаны на рис. 1.
Определение для любых углов
Рис. 2.Определение тригонометрических функций
Рис. 3.Численные значения тригонометрических функций угла в тригонометрической окружности с радиусом, равным единице
Синусом угла называется ордината точки единичной окружности, где получается поворотом на угол в положительном направлении (против часовой стрелки), если , и в отрицательном (по часовой стрелке), если .
Косинусом угла называется абсцисса точки единичной окружности, где получается поворотом на угол в положительном направлении (против часовой стрелки), если , и в отрицательном (по часовой стрелке), если .
Тангенсом угла называется отношение ординаты точки единичной окружности к её абсциссе, причём точка не принадлежит оси ординат.
Таким образом, определения тригонометрических функций выглядят следующим образом:
Нетрудно видеть, что такое определение также основывается на отношениях прямоугольного треугольника, с тем отличием, что учитывается знак (). Поэтому тригонометрические функции можно определить и по окружности произвольного радиуса , однако формулы придётся нормировать. На рисунке 3 показаны величины тригонометрических функций для единичной окружности.
В тригонометрии удобным оказывается вести счёт углов не в градусной мере, а в радианной. Так, угол в запишется длиной единичной окружности . Угол в равен, соответственно и так далее. Заметим, что угол на отличающийся от по рисунку эквивалентен , вследствие чего заключим, что тригонометрические функции периодичны.
Наконец, определим тригонометрические функции вещественного числа тригонометрическими функциями угла, радианная мера которого равна .
Определение для острых углов
Рис. 4.Тригонометрические функции острого угла
Определение тангенса. Марка СССР 1961 года
Данное определение имеет некоторое методическое преимущество, так как не требует введения понятия системы координат, но также и такой крупный недостаток, что невозможно определить тригонометрические функции даже для тупых углов, которые необходимо знать при решении элементарных задач о тупоугольных треугольниках. ( См.: теорема синусов, теорема косинусов).
Определение как решений дифференциальных уравнений
Синус и косинус можно определить как единственные функции, вторые производные которых равны самим функциям, взятым со знаком минус:
То есть задать их как чётное (косинус) и нечётное (синус) решения дифференциального уравнения
с дополнительными условиями:
для косинуса и для синуса.
Определение как решений функциональных уравнений
при дополнительных условиях:
и при .
Определение через ряды
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 степенны́х рядов:
Пользуясь этими формулами, а также равенствами и можно найти разложения в ряд и других тригонометрических функций:
— числа Бернулли,
— числа Эйлера.
Значения синуса, косинуса, тангенса, котангенса, секанса и косеканса для некоторых углов приведены в таблице. («» означает, что функция в указанной точке не определена, а в её окрестности стремится к бесконечности).
Значения косинуса и синуса на окружности
Значения тригонометрических функций для некоторых других углов
Поскольку синус и косинус являются соответственно ординатой и абсциссой точки, соответствующей на единичной окружности углу , то согласно уравнению единичной окружности () или теореме Пифагора имеем для любого :
Это соотношение называется основным тригонометрическим тождеством.
Разделив это уравнение на квадрат косинуса и синуса соответственно, получим:
Из определения тангенса и котангенса следует, что
Любую тригонометрическую функцию можно выразить через любую другую тригонометрическую функцию с тем же аргументом (с точностью до знака из-за неоднозначности раскрытия квадратного корня). Нижеприведённые формулы верны для :
Косинус и секанс — чётные. Остальные четыре функции — нечётные, то есть:
Функции — периодические с периодом , функции и — c периодом .
Формулами приведения называются формулы следующего вида:
Здесь — любая тригонометрическая функция, — соответствующая ей кофункция (то есть косинус для синуса, синус для косинуса, тангенс для котангенса, котангенс для тангенса, секанс для косеканса и косеканс для секанса), — целое число. Перед полученной функцией ставится тот знак, который имеет исходная функция в заданной координатной четверти при условии, что угол острый, например:
или что то же самое:
Некоторые формулы приведения:
Интересующие формулы приведения так же могут легко быть получены рассмотрением функций на единичной окружности.
Формулы сложения и вычитания
Значения тригонометрических функций суммы и разности двух углов:
Аналогичные формулы для суммы трёх углов:
Формулы для кратных углов
Формулы двойного угла:
Формулы тройного угла:
Прочие формулы для кратных углов:
следует из формулы дополнения и формулы Гаусса для гамма-функции.
Из формулы Муавра можно получить следующие общие выражения для кратных углов:
где — целая часть числа , — биномиальный коэффициент.
Формулы половинного угла:
Формулы для произведений функций двух углов:
Аналогичные формулы для произведений синусов и косинусов трёх углов:
Формулы для произведений тангенсов и котангенсов трёх углов можно получить, поделив правые и левые части соответствующих равенств, представленных выше.
где угол находится из соотношений:
Универсальная тригонометрическая подстановка
Все тригонометрические функции можно выразить через тангенс половинного угла:
Исследование функций в математическом анализе
Тригонометрические функции могут быть представлены в виде бесконечного произведения многочленов:
Эти соотношения выполняются при любом значении .
Разложение тангенса в непрерывную дробь:
Производные и первообразные
Все тригонометрические функции непрерывно и неограниченно дифференцируемы на всей области определения:
Тригонометрические функции комплексного аргумента
Формула Эйлера позволяет определить тригонометрические функции от комплексных аргументов через экспоненту по аналогии с гиперболическими функциями, или (с помощью рядов) как аналитическое продолжение их вещественных аналогов:
Соответственно, для вещественного x:
Комплексные синус и косинус тесно связаны с гиперболическими функциями:
Большинство перечисленных выше свойств тригонометрических функций сохраняются и в комплексном случае. Некоторые дополнительные свойства:
На следующих графиках изображена комплексная плоскость, а значения функций выделены цветом. Яркость отражает абсолютное значение (чёрный — ноль). Цвет изменяется от аргумента и угла согласно карте.
Линия синуса (линия на рис. 2) у индийских математиков первоначально называлась «арха-джива» («полутетива», то есть половина хорды данной дуги, поскольку дуга с хордой напоминает лук с тетивой). Затем слово «арха» было отброшено и линию синуса стали называть просто «джива». Арабские математики, переводя индийские книги с санскрита, не перевели слово «джива» арабским словом «ватар», обозначающим тетиву и хорду, а транскрибировали его арабскими буквами и стали называть линию синуса «джиба» (). Так как в арабском языке краткие гласные не обозначаются, а долгое «и» в слове «джиба» обозначается так же, как полугласная «й», арабы стали произносить название линии синуса как «джайб», что буквально обозначает «впадина», «пазуха». При переводе арабских сочинений на латынь европейские переводчики перевели слово «джайб» латинским словом — «синус», имеющим то же значение (именно в этом значении оно применяется как анатомический термин синус). Термин «косинус» (лат. ) — это сокращение от лат. — дополнительный синус.
Современные краткие обозначения , введены Уильямом Отредом и Бонавентурой Кавальери и закреплены в трудах Леонарда Эйлера.
Термины «тангенс» (лат. — касающийся) и «секанс» (лат. — секущий) были введены датским математиком Томасом Финке в его книге «Геометрия круглого» (Geometria rotundi, 1583). Сам термин тригонометрические функции введён Клюгелем в 1770 году. В XVIII веке Ж. Лагранжем и другими математиками были введены и термины для обратных тригонометрических функций — арксинус, арккосинус, арктангенс, арккотангенс, арксеканс, арккосеканс — с помощью добавления приставки «арк» (от лат. — дуга).
- Бермант А. Ф., Люстерник Л. А. Тригонометрия. — М.: Наука, 1967.
- Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике. — М.: Наука, 1978.
- Кожеуров П. А. Тригонометрия. — М.: Физматгиз, 1963.
- Маркушевич А. И. Замечательные синусы. — М.: Наука, 1974.
Тригонометрические вычисления применяются практически во всех областях геометрии, физики и инженерного дела. Например, большое значение имеет техника триангуляции, позволяющая измерять расстояния до недалёких звёзд в астрономии, между ориентирами в географии, контролировать системы навигации спутников.
Древнегреческие математики в своих построениях, связанных с измерением дуг круга, использовали технику хорд. Перпендикуляр к хорде, опущенный из центра окружности, делит пополам дугу и опирающуюся на неё хорду. Половина поделенной пополам хорды — это синус половинного угла, и поэтому функция синус известна также как «половина хорды». Благодаря этой зависимости, значительное число тригонометрических тождеств и теорем, известных сегодня, были также известны древнегреческим математикам, но в эквивалентной хордовой форме.
Хотя в работах Евклида и Архимеда нет тригонометрии в строгом смысле этого слова, их теоремы представлены в геометрическом виде, эквивалентном специфическим тригонометрическим формулам. Теорема Архимеда для деления хорд эквивалентна формулам для синусов суммы и разности углов. Для компенсации отсутствия таблицы хорд математики времен Аристарха иногда использовали хорошо известную теорему, в современной записи — sinα/sinβ < α/β < tgα/tgβ, где 0° < β < α < 90°, совместно с другими теоремами.
Первые тригонометрические таблицы были, вероятно, составлены Гиппархом Никейским (180—125 лет до н. э.). Гиппарх был первым, кто свёл в таблицы соответствующие величины дуг и хорд для серии углов. Систематическое использование полной окружности в 360° установилось в основном благодаря Гиппарху и его таблице хорд. Возможно Гиппарх взял идею такого деления у Гипсикла, который ранее разделил день на 360 частей, хотя такое деление дня могли предложить и вавилонские астрономы.
Менелай Александрийский (100 н. э.) написал «Сферику» в трёх книгах. В первой книге он представил основы для сферических треугольников, аналогично I книге «Начал» Евклида о плоских треугольниках. Он представил теорему, для которой нет аналога у Евклида, о том, что два сферических треугольника конгруэнтны, если соответствующие углы равны, но он не делал различия между конгруэнтными и симметричными сферическими треугольниками. Другая его теорема гласит о том, что сумма углов сферического треугольника всегда больше 180°. Вторая книга «Сферики» применяет сферическую геометрию к астрономии. Третья книга содержит «теорему Менелая», известную также как «правило шести величин».
Позднее Клавдий Птолемей (90 — 168 г. н. э.) в «Альмагесте» расширил Гиппарховы «Хорды в окружности». Тринадцать книг «Альмагеста» — самая значимая тригонометрическая работа всей античности. Теорема, которая была центральной в вычислении хорд Птолемея, также известна сегодня как теорема Птолемея, которая говорит о том, что сумма произведений противоположных сторон выпуклого вписанного четырёхугольника равна произведению диагоналей. Отдельный случай теоремы Птолемея появился как 93-е предложение «Данных» Евклида.
Теорема Птолемея влечёт за собой эквивалентность четырёх формул суммы и разности для синуса и косинуса. Позднее Птолемей вывел формулу половинного угла. Птолемей использовал эти результаты для создания своих тригонометрических таблиц, хотя, возможно, эти таблицы были выведены из работ Гиппарха.
Замена хорд синусами стала главным достижением средневековой Индии. Такая замена позволила вводить различные функции, связанные со сторонами и углами прямоугольного треугольника. Таким образом, в Индии было положено начало тригонометрии как учению о тригонометрических величинах.
Индийские учёные пользовались различными тригонометрическими соотношениями, в том числе и теми, которые в современной форме выражаются как
Индийцы также знали формулы для кратных углов где
Тригонометрия необходима для астрономических расчётов, которые оформляются в виде таблиц. Первая таблица синусов имеется в «Сурья-сиддханте» и у Ариабхаты. Позднее учёные составили более подробные таблицы: например, Бхаскара приводит таблицу синусов через 1°.
С VIII века учёные стран Ближнего и Среднего Востока развили тригонометрию своих предшественников. В середине IX века среднеазиатский учёный аль-Хорезми написал сочинение «Об индийском счёте». После того как трактаты мусульманских ученых были переведены на латынь, многие идеи греческих, индийских и мусульманских математиков стали достоянием европейской, а затем и мировой науки.
Тригонометрические функции угла θ внутри единичной окружности
Первоначально тригонометрические функции были связаны с соотношениями сторон в прямоугольном треугольнике. Их единственным аргументом является угол (один из острых углов этого треугольника).
Данные определения позволяют вычислить значения функций для острых углов, то есть от 0° до 90° (от 0 до радиан). В XVIII веке Леонард Эйлер дал современные, более общие определения, расширив область определения этих функций на всю числовую ось. Рассмотрим в прямоугольной системе координат окружность единичного радиуса (см. рисунок) и отложим от горизонтальной оси угол (если величина угла положительна, то откладываем против часовой стрелки, иначе по часовой стрелке). Точку пересечения построенной стороны угла с окружностью обозначим A. Тогда:
Для острых углов новые определения совпадают с прежними.
Возможно также чисто аналитическое определение этих функций, которое не связано с геометрией и представляет каждую функцию её разложением в бесконечный ряд.
Свойства функции синус
Секстант — навигационный измерительный инструмент, используемый для измерения высоты светила над горизонтом с целью определения географических координат той местности, в которой производится измерение.
Существует множество областей, в которых применяются тригонометрия и тригонометрические функции. Например, метод триангуляции используется в астрономии для измерения расстояния до ближайших звезд, в географии для измерения расстояний между объектами, а также в спутниковых навигационных системах. Синус и косинус имеют фундаментальное значение для теории периодических функций, например при описании звуковых и световых волн.
Тригонометрия или тригонометрические функции используются в астрономии (особенно для расчётов положения небесных объектов, когда требуется сферическая тригонометрия), в морской и воздушной навигации, в теории музыки, в акустике, в оптике, в анализе финансовых рынков, в электронике, в теории вероятностей, в статистике, в биологии, в медицинской визуализации (например, компьютерная томография и ультразвук), в аптеках, в химии, в теории чисел (следовательно, и в криптологии), в сейсмологии, в метеорологии, в океанографии, во многих физических науках, в межевании и геодезии, в архитектуре, в фонетике, в экономике, в электротехнике, в машиностроении, в гражданском строительстве, в компьютерной графике, в картографии, в кристаллографии, в разработке игр и многих других областях.
Тождества — это равенства, справедливые при любых допустимых значениях входящих в них переменных.
Формулы преобразования суммы углов
Треугольник со сторонами a, b, c и соответственно противоположными углами A, B, C
В следующих тождествах A, B и C являются углами треугольника; a, b, c — длины сторон треугольника, лежащие напротив соответствующих углов.
Стороны треугольника пропорциональны синусам противолежащих углов. Для произвольного треугольника
где — радиус окружности, описанной вокруг треугольника.
Квадрат стороны треугольника равен сумме квадратов двух других сторон минус удвоенное произведение этих сторон на косинус угла между ними:
Формула Эйлера утверждает, что для любого действительного числа выполнено следующее равенство:
где — основание натурального логарифма, — мнимая единица.
Формула Эйлера предоставляет связь между математическим анализом и тригонометрией, а также позволяет интерпретировать функции синуса и косинуса как взвешенные суммы экспоненциальной функции:
Вышеуказанные уравнения могут быть получены путём сложения или вычитания формул Эйлера:
с последующим решением относительно синуса или косинуса.
Также эти формулы могут служить определением тригонометрических функций комплексной переменной. Например, выполняя подстановку x = iy, получаем:
Комплексные экспоненты позволяют упростить тригонометрические расчеты, поскольку ими проще манипулировать, нежели синусоидальными компонентами. Один из подходов предусматривает преобразование синусоид в соответствующие экспоненциальные выражения. После упрощения результат выражения остается вещественным. Суть другого подхода в представлении синусоид в качестве вещественных частей комплексного выражения и проведения манипуляций непосредственно с комплексным выражением.
Решение простых тригонометрических уравнений
Если — вещественных решений нет.
Если — решением является число вида
Важным частным разделом тригонометрии, используемым в астрономии, геодезии, навигации и других отраслях, является сферическая тригонометрия, рассматривающая свойства углов между большими кругами на сфере и дуг этих больших кругов. Геометрия сферы существенно отличается от евклидовой планиметрии; так, сумма углов сферического треугольника, вообще говоря, отличается от 180°, треугольник может состоять из трёх прямых углов. В сферической тригонометрии длины сторон треугольника (дуги больших кругов сферы) выражаются посредством центральных углов, соответствующих этим дугам. Поэтому, например, сферическая теорема синусов выражается в виде
и существуют две теоремы косинусов, двойственные друг другу.