Popis trigonometrijskih jednakosti: razlika između inačica

popis na Wikimediji
Izbrisani sadržaj Dodani sadržaj
dodana stranica s trigonometrijskim identitetima
(Nema razlike inačica)

Inačica od 20. prosinca 2011. u 19:44

Trigonometrijski identiteti su izrazi jednakosti koji pokazuju poveznice između pojedinih trigonometrijskih funkcija. Ti izrazi su istiniti za svaku odabranu vrijednost određene varijable (kuta ili nekog drugog broja). Kako su trigonometrijske funkcije međusobno povezane pomoću vrijednosti jedne, moguće je izraziti neku drugu funkciju. Identiteti se koriste kada je potrebno pojednostaviti izraze koji uključuju trigonometrijske funkcije.

Sinusi i kosinusi u jediničnoj kružnici

Nazivlje

Kutovi

Imena kutova se daju prema slovima grčkog alfabeta kao što su alfa (α), beta (β), gama (γ), delta (δ) i theta (θ). Mjerne jedinice za mjerenje kutova su stupnjevi, radijani i gradi:

1 puni krug  = 360 stupnjeva = 2  radijana  =  400 gradi.

Slijedeća tablica prikazuje pretvorbu mjernih jedinica za određene veličine kuteva:

Stupnjevi 30° 60° 120° 150° 210° 240° 300° 330°
Radijani                
Gradi 33⅓ 66⅔ 133⅓ 166⅔ 233⅓ 266⅔ 333⅓ 366⅔
Stupnjevi 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315° 360°
Radijani                
Gradi 50 100 150 200 250 300 350 400

Kutovi se u trigonometriji najčešće izražavaju u radijanima i to bez mjerne jedinice, stupnjevi s oznakom ° se manje koriste, a gradi izrazito rijetko.

Trigonometrijske funkcije

Primarne trigonometrijske funkcije su sinus i kosinus kuta. Sinus se označava sa sinθ, a kosinus sa cosθ pri čemu je θ naziv kuta.

Tangens (tg, tan) kuta je omjer sinusa i kosinusa:

 

S druge strane, imamo i recipročne funkcije pri čemu je kosinusu recipročan sekans (sec), sinusu kosekans(csc, cosec), a tangensu kotangens (ctg, cot):

 

Inverzne funkcije

Inverzne trigonometrijske funkcije ili arkus funkcije su inverzne funkcije trigonometrijskim funkcijama. Prema tome imamo, arkus sinus (arcsin, asin) je inverzna funkcija sinusnoj funkciji , pri čemu vrijedi da je

 

i

 

U slijedećoj tablici su prikazane i druge komplementarne inverzne funkcije i kratice:

Trigonometrijska funkcija Sinus Kosinus Tangens Sekans Kosekans Kotangens
Kratica            
Inverzna trigonometrijska funkcija Arkus sinus Arkus kosinus Arkus tangens Arkus sekans Arkus kosekans Arkus kotangens
Kratica            

Pitagorin trigonometrijski identitet

Pitagorin trigonometrijski identitet je jedan od osnovnih trigonometrijskih identiteta i prikazuje odnos između sinusa i kosinusa:

 

gdje cos2 θ znači (cos(θ))2 i sin2 θ znači (sin(θ))2.

Izraz je u biti izvedenica Pitagorinog poučka i proizilazi iz jednakosti   koja vrijedi za jediničnu kružnicu. Ova jednadžba može biti rješena za sinus i za kosinus:

 

Povezani identiteti

Podijelivši Pitagorin identitet sa cos2 θ ili sa sin2 θ dobivamo slijedeća dva identiteta:

 

Koristeći navedene identitete te omjere koji su korišteni pri definiranju trigonometrijskih funkcija, mogu se izvesti trigonometrijski identiteti gdje je jedna trigonometrijska funkcija prikazana pomoću druge:

Svaka trigonometrijska funkcija prikazana pomoću druge trigonometrijske funkcije[1]
in terms of            
             
             
             
             
   
         
             

Ostale funkcije korištene u prošlosti

 
Sve trigonometrijske funkcije kuta θ mogu biti geometrijski konstruirane s obzirom na jediničnu kružnicu sa središtem u  O. Pojedine se višse ne koriste.

Pojedine trigonometrijske fukcije više nisu u uporabi. Versinus, koversinus, haversinus i eksekans su se koristile pri navigaciji, a haversinusna formula se koristila za računanje udaljenosti dviju točaka na sferi.

Ime Kratica Vrijednost[2]
Versinus  
 
 
 
Verkosinus    
Koversinus  
 
 
Koverkosinus    
Haversinus    
Haverkosinus    
Hakoversinus    
Hakoverkosinus    
Eksekans    
Ekskosekans    
Tetiva    

Simetrija, pomak i periodičnost

Proučavajući jediničnu kružnicu mogu se uvidjeti pojedina svojstva trigonometrijske kružnice kao što su simetrija, razni pomaci i periodičnost funkcija. Formule u slijedeće dvije tablice se često nazivaju formule redukcije.

Simetrija

Kada neku trigonometrijsku funkciju odbijemo za određeni kut (npr. π,π/2) rezultat često bude neka druga trigonometrijska funkcija.

Odbitak za  [3] Odbitak za  
[4]
Odbitak za  
     

Pomaci i periodičnost

Pomicanjem funkcije za određeni kut također se kao rezultat dobije neka druga trigonometrijska funkcija koja rezultat prikaže jednostavnije. To možemo vidjeti u primjerima pomaka za π/2, π i 2π radijana. S obzirom da su trigonomterijeske funkcije periodične, ovisno o funkciji za π (tangens i kotangens funkcija) ili 2π (sinus i kosinus funkcija), tada nova funkcija poprima istu vrijednost.

Pomak za π/2 Pomak za π
Period for tan and cot[5]
Pomak za 2π
Period for sin, cos, csc and sec[6]
     

Zbroj i razlika kutova

Ovi trigonometrijski identiteti se nazivaju adicijske formule. Otkrio ih je prezijski matematičar Abū al-Wafā' Būzjānī u 10. stoljeću. Eulerova formula može pomoći pri dokazivanju ovih identiteta.

Sinus  [7][8]
Kosinus  [8][9]
Tangens  [8][10]
Arkus sinus  [11]
Arkus kosinus  [12]
Arkus tangens  [13]

Matrični oblik

Trigonometrijske formule zbroja i razlike za sinus i kosinus mogu biti zapisani u obliku matrice.

 

Sinus i kosinus zbroja beskonačno mnogo veličina

 
 

Tangens zbroja konačno mnogo veličina

Neka je   (za k ∈ {0, ..., n}) k-ti stupanj osnovnog simetričnog polinoma pri čemu je

 

za i ∈ {0, ..., n} pa slijedi

 

Tada vrijedi da je

 

u ovisnosti o broju n.

Na primjer:

 

i tako dalje. Naveden identitet se može dokazati matematičkom indukcijom.[14]

Sekans i kosekans zbroja konačno mnogo veličina

 

gdje je   k-ti stupanj osnovnog simetričnog polinoma za n varijabla xi = tan θi, i = 1, ..., n, a broj veličina u nazivniku ovisi o  n.

Na primjer,

 

Identiteti za višestruke kutove

Tn je n-ti Chebyshevljev polinom    [15]
Sn je n-ti polinom širine  
De Moivreova formula,   je imaginarna jedinica      [16]

Trigonomterijski identiteti dvostrukih, trostrukih i polovičnih kutova

Formule dvostrukog kuta[17][18]
 


 
 
 

Formule trostrukog kuta[15][19]
 


 
 
 

Formule polovičnog kuta[20][21]
 


 
 
 
 
 
 
 

Sinus, kosinus i tangens višestrukih kutova

 

 

 

 

Chebyshevljeva metoda

Chebyshevljeva metoda je rekurzivni algoritam za nalaženje formula n-tih višestrukih kutova poznavajući (n − 1)-te i (n − 2)-te formule.[22]

 
 
 

gdje je H/K = tan(n − 1)x.

Tangens prosjeka

 

Ako su α ili β jednaki 0 tada dobivamo formulu za tangens polovičnog kuta.

Vièteov beskonačni produkt

 

Identiteti potenciranih trigonometrijskih funkcija

Sinus Kosinus Druge
     
     
     
     

Za izvode potencija sinus i kosinusa kuta se koriste De Moivreova formula, Eulerov poučak i binomni poučak.

Kosinus Sinus
     
     

Formule pretvorbi umnoška u zbroj i zbroja u umnožak

Umnožak u zbroj[23]
 
 
 
 
Zbroj u umnožak[24]
 
 
 

Drugi povezani identiteti

Ako su x, y i z bilo kojeg trokuta, tada vrijedi

 
 

odnosno

 
 

Hermiteov kotangensov identitet

Charles Hermite je pokazao da vrijedi određena jednakost[25] gdje su varijable a1, ..., an kompleksni brojevi. Neka je

 

te u slučaju kada je A1,1, dobiva se prazan produkt, koji je jednak  1. Općenito se dobiva slijedeća vrijednost:

 

U najjednostavnijem slučaju za n = 2 vrijedi:

 

Ptolemejev teorem

Ove jednakosti predstavljaju trigonometrijski oblik ptolomejevog teorema.

 
 

Linearne kombinacije

Bilo koja linearna kombinacija sinusnih valova istih perioda ili frekvencija s različitim faznim pomacima je također sinusni val sa istom periodom ili frekvencijom s različitim faznim pomakom. Kod nenulte linearne kombinacije sinusnog i kosinusnog vala [26], se dobiva

 

gdje je

 

što je ekvivalentno s

 

ili čak s

 

Općenito za proizvoljan fazni pomak vrijedi

 

gdje je

 

i

 

Lagrangeovi trigonometrijski identiteti

Ovi identiteti su ime dobili po Josephu Louisu Lagrangeu.[27][28]

 

S njima je povezana funkcija koja se naziva Dirichletova jezgra.

 

Ostali oblici zbrojeva trigonometrijskih funkcija

Zbroj sinusa i kosinusa sa varijablama u aritmetičkom nizu [29]:

 

Za bilo koji a i b vrijedi:

 

gdje je atan2(y, x) poopćenje funkcije arctan(y/x) koja pokriva cijeli kružni opseg.

Koristeći Gudermannovu funkciju koja povezuje cirkularne i hiperbolne trigonometrijske funkcije bez korištenja kompleksnih brojeva može se iskoristiti slijedeći izraz:

 

Ako su x, y i z ako su kutovi bilo kojeg trokuta odnosno x + y + z = π, tada je

 

Određene linearne frakcionalne transformacije

Ako je ƒ(x) dan linearnom frakcionalnom transformacijom

 

i slično tome

 

tada vrijedi

 

Kraće rečeno, ako je za sve α funkcija ƒα baš ta gore prikazana funkcija ƒ tada vrijedi da je

 

Identiteti s inverznim trigonometrijskim funkcijama

 
 
 

Kompozicija trigonometrijskih i inverznih trigonometrijskih funkcija

   
   
   
   

Povezanost sa kompleksnom eksponencijalnom funkcijom

 [30] Ovaj se izraz naziva Eulerova formula,
 
  Ovaj se izraz naziva Eulerov identitet,
 [31]
 [32]

odnosno

 

gdje je  .

Povezanost s beskonačnim produktima

Pri rješavanju specijalnih funkcija, različite koristimo formule koje povezuju beskonačni produkt i trigonometrijske funkcije:[33][34]

 
 
 
 
 
 

Identiteti bez varijabli

Identitet bez varijabli

 

je poseban slučaj identiteta s jednom varijablom:

 

Nadalje, također vrijedi da je

 
 
 
 
 

Mnogo jednakosti ima osnovu u izrazima kao što su[35]:

 

i

 

Njihovom kombinacijom dobivamo:

 

Ako je n neparan broj(n = 2m + 1) korištenjem simetrije dobivamo

 

Određivanje broja π

 
 

Mnemonički zapis za neke vrijednosti sinusa i kosinusa

 

Zlatni rez φ

 
 

Euklidov identitet

 

Infinitezimalni račun

Derivacije

Koristeći infinitezimalni račun, kutovi pri računanju moraju biti u radijanima. Derivacije trigonometrijskih funkcija mogu se odrediti pomoću dva limesa:

 
 

Deriviranjem trigonometrijskih funkcija dobivaju se slijedeći identiteti i pravila:[36][37][38]

 

Integrali

 
 
 

Eksponencijalne definicije trigonometrijskih funkcija

Funkcija Inverzna funkcija[39]
   
   
   
   
   
   
   

Weierstrassova supstitucija

Ako je

 

tada vrijedi [40]

 

gdje je eix = cos(x) + i sin(x), što ponekad skraćeno pišemo kao  cis(x).

Vidi još

Bilješke

  1. Abramowitz and Stegun, p. 73, 4.3.45
  2. Abramowitz and Stegun, p. 78, 4.3.147
  3. Abramowitz and Stegun, p. 72, 4.3.13–15
  4. The Elementary Identities
  5. Abramowitz and Stegun, p. 72, 4.3.9
  6. Abramowitz and Stegun, p. 72, 4.3.7–8
  7. Abramowitz and Stegun, p. 72, 4.3.16
  8. a b c Predložak:MathWorld
  9. Abramowitz and Stegun, p. 72, 4.3.17
  10. Abramowitz and Stegun, p. 72, 4.3.18
  11. Abramowitz and Stegun, p. 80, 4.4.42
  12. Abramowitz and Stegun, p. 80, 4.4.43
  13. Abramowitz and Stegun, p. 80, 4.4.36
  14. Bronstein, Manual. 1989. Simplification of Real Elementary Functions. Proceedings of the ACM-SIGSAM 1989 international symposium on Symbolic and algebraic computation: 211
  15. a b Predložak:MathWorld
  16. Abramowitz and Stegun, p. 74, 4.3.48
  17. Abramowitz and Stegun, p. 72, 4.3.24–26
  18. Predložak:MathWorld
  19. Abramowitz and Stegun, p. 72, 4.3.27–28
  20. Abramowitz and Stegun, p. 72, 4.3.20–22
  21. Predložak:MathWorld
  22. Ken Ward's Mathematics Pages, http://www.trans4mind.com/personal_development/mathematics/trigonometry/multipleAnglesRecursiveFormula.htm
  23. Abramowitz and Stegun, p. 72, 4.3.31–33
  24. Abramowitz and Stegun, p. 72, 4.3.34–39
  25. Warren P. Johnson, "Trigonometric Identities à la Hermite", American Mathematical Monthly, volume 117, number 4, April 2010, pages 311–327
  26. Proof at http://pages.pacificcoast.net/~cazelais/252/lc-trig.pdf
  27. Eddie Ortiz Muñiz. Veljača 1953. A Method for Deriving Various Formulas in Electrostatics and Electromagnetism Using Lagrange's Trigonometric Identities. American Journal of Physics. 21 (2): 140
  28. Alan Jeffrey and Hui-hui Dai. 2008. Section 2.4.1.6. Handbook of Mathematical Formulas and Integrals 4th izdanje. Academic Press. ISBN 9780123742889
  29. Michael P. Knapp, Sines and Cosines of Angles in Arithmetic Progression
  30. Abramowitz and Stegun, p. 74, 4.3.47
  31. Abramowitz and Stegun, p. 71, 4.3.2
  32. Abramowitz and Stegun, p. 71, 4.3.1
  33. Abramowitz and Stegun, p. 75, 4.3.89–90
  34. Abramowitz and Stegun, p. 85, 4.5.68–69
  35. Weisstein, Eric W., "Sine" from MathWorld
  36. Abramowitz and Stegun, p. 77, 4.3.105–110
  37. Abramowitz and Stegun, p. 82, 4.4.52–57
  38. Finney, Ross. 2003. Calculus : Graphical, Numerical, Algebraic. Prentice Hall. Glenview, Illinois. str. 159–161. ISBN 0-13-063131-0
  39. Abramowitz and Stegun, p. 80, 4.4.26–31
  40. Abramowitz and Stegun, p. 72, 4.3.23

Izvori

Vanjske poveznice

Predložak:Link FA