Открыть главное меню

Тригонометрические функции

(перенаправлено с «Котангенс»)

Рис. 1.
Графики тригонометрических функций:      синуса,      косинуса,      тангенса,      котангенса,      секанса,      косеканса

Тригонометри́ческие фу́нкцииэлементарные функции, которые исторически возникли при рассмотрении прямоугольных треугольников и выражали зависимости длин сторон этих треугольников от острых углов при гипотенузе (или, что равнозначно, зависимость хорд и высот от центрального угла (дуги) в круге). Эти функции нашли широчайшее применение в самых разных областях науки. Впоследствии определение тригонометрических функций было расширено, их аргументом теперь может быть произвольное вещественное или даже комплексное число. Наука, изучающая свойства тригонометрических функций, называется тригонометрией.

К тригонометрическим функциям относятся:

прямые тригонометрические функции:
  • синус ();
  • косинус ();
производные тригонометрические функции:
  • тангенс ();
  • котангенс ();
другие тригонометрические функции:
  • секанс ();
  • косеканс ().

В английской и американской литературе тангенс, котангенс и косеканс обозначаются , , . До Второй мировой войны в Германии и во Франции эти функции обозначались так же, как принято в русскоязычных текстах[1], но потом эти страны перешли на англо-американский стандарт.

Кроме этих шести, существуют также некоторые редко используемые тригонометрические функции (версинус и т. д.), а также обратные тригонометрические функции (арксинус, арккосинус и т. д.), рассматриваемые в отдельных статьях.

Синус и косинус вещественного аргумента представляют собой периодические, непрерывные и бесконечно дифференцируемые вещественнозначные функции. Остальные четыре функции на вещественной оси также вещественнозначные, периодические и бесконечно дифференцируемые в области определения, но не непрерывные. Тангенс и секанс имеют разрывы второго рода в точках , а котангенс и косеканс — в точках .
Графики тригонометрических функций показаны на рис. 1.

Содержание

Способы определенияПравить

Геометрическое определениеПравить

 
Рис. 2.
Определение тригонометрических функций

 
Рис. 3.
Численные значения тригонометрических функций угла   в тригонометрической окружности с радиусом, равным единице

Обычно тригонометрические функции определяются геометрически[2]. Пусть нам дана декартова система координат на плоскости, и построена окружность радиуса   с центром в начале координат  . Всякий угол можно рассматривать как поворот от положительного направления оси абсцисс до некоторого луча  , при этом направление поворота против часовой стрелки считается положительным, а по часовой стрелке — отрицательным. Абсциссу точки   обозначим  , ординату обозначим   (см. рисунок 2).

  • Синусом называется отношение  
  • Косинусом называется отношение  
  • Тангенс определяется как  
  • Котангенс определяется как  
  • Секанс определяется как  
  • Косеканс определяется как  

В силу свойств подобных фигур значения тригонометрических функций не зависят от величины радиуса окружности  . Часто радиус принимают равным величине единичного отрезка; тогда синус равен ординате  , а косинус — абсциссе  . На рисунке 3 показаны величины тригонометрических функций для единичной окружности.

Если   — вещественное число, то синусом   в математическом анализе называется синус угла, радианная мера которого равна  . Аналогично для прочих тригонометрических функций.

Определение тригонометрических функций для острых угловПравить

 
Рис. 4.
Тригонометрические функции острого угла

В школьном курсе геометрии тригонометрические функции острого угла определяются как отношения сторон прямоугольного треугольника[3]. Пусть OAB — прямоугольный треугольник с острым углом α. Тогда:

  • синусом угла   называется отношение   (отношение противолежащего катета к гипотенузе);
  • косинусом угла   называется отношение   (отношение прилежащего катета к гипотенузе);
  • тангенсом угла   называется отношение   (отношение противолежащего катета к прилежащему);
  • котангенсом угла   называется отношение   (отношение прилежащего катета к противолежащему);
  • секансом угла   называется отношение   (отношение гипотенузы к прилежащему катету);
  • косекансом угла   называется отношение   (отношение гипотенузы к противолежащему катету).

Построив систему координат с началом в точке  , направлением оси абсцисс вдоль   и в случае необходимости изменив ориентацию (перевернув) треугольник так, чтобы он находился в первой четверти системы координат, и затем, построив окружность с радиусом, равным гипотенузе, сразу находим, что такое определение функций приводит к тому же результату, что и предыдущее.

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).

Тригонометрические функции являются периодическими функциями с периодами   (360°) для синуса, косинуса, секанса и косеканса, и   (180°) для тангенса и котангенса.

Тригонометрические функции любого угла можно свести к тригонометрическим функциям острого угла, используя их периодичность и так называемые формулы приведения. Это необходимо, например, для нахождения значений тригонометрических функций по таблицам, поскольку в таблицах обычно приводятся значения только для острых углов.

Исследование функций в математическом анализеПравить

Определение тригонометрических функций как решений дифференциальных уравненийПравить

Функции косинус и синус можно определить как чётное (косинус) и нечётное (синус) решения дифференциального уравнения

 

с дополнительными условиями:   для косинуса и   для синуса, то есть как функций одной переменной, вторая производная которых равна самой функции, взятой со знаком минус:

 
 

Определение тригонометрических функций как решений функциональных уравненийПравить

Функции косинус и синус можно определить[4] как решения (  и   соответственно) системы функциональных уравнений:

 

при дополнительных условиях:

    и   при  .

Определение тригонометрических функций через рядыПравить

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:

 
 
 
 

где

  — числа Бернулли,
  — числа Эйлера.

Разложение в бесконечные произведенияПравить

Тригонометрические функции могут быть представлены в виде бесконечного произведения многочленов:

 
 

Эти соотношения выполняются при любом значении  .

Цепные дробиПравить

 

Производные и первообразныеПравить

Все тригонометрические функции непрерывно и неограниченно дифференцируемы на всей области определения:

 

 

 

 

 

 

Интегралы тригонометрических функций на области определения выражаются через элементарные функции следующим образом[5]:

 

 

 

 

 

 

Значения тригонометрических функций для некоторых угловПравить

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 нестандартных угловПравить

                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   


                 
                 
                 
                 
                 
                 
                 


Свойства тригонометрических функцийПравить

Простейшие тождестваПравить

Поскольку синус и косинус являются соответственно ординатой и абсциссой точки, соответствующей на единичной окружности углу α, то, согласно уравнению единичной окружности или теореме Пифагора, имеем:

 

Это соотношение называется основным тригонометрическим тождеством.

Деля это уравнение на квадрат косинуса и синуса соответственно, имеем далее:

 
 

Из определения тангенса и котангенса следует, что

 

Любую тригонометрическую функцию можно выразить через любую другую тригонометрическую функцию с тем же аргументом[6]:

  sin cos tg ctg sec cosec
             
             
             
             
             
             

НепрерывностьПравить

  • Синус и косинус — непрерывные функции.
  • Тангенс и секанс имеют точки разрыва ±π/2, ±3π/2, ±5π/2, …, ±(n + 1/2)π, … (в градусной мере: ±90°, ±270°, ±450°, …, ±(n + 1/2)·180°, …).
  • Котангенс и косеканс имеют точки разрыва 0, ±π, ±2π, …, ±nπ, … (в градусной мере: 0°, ±180°, ±360°, …, ±n·180°, …).

ЧётностьПравить

Косинус и секанс — чётные. Остальные четыре функции — нечётные, то есть:

 
 
 
 
 
 

ПериодичностьПравить

Функции   — периодические с периодом  , функции   и   — c периодом  .

Формулы приведенияПравить

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), n — целое число. Перед полученной функцией ставится тот знак, который имеет исходная функция в заданной координатной четверти при условии, что угол α острый, например:

  или что то же самое:  

Некоторые формулы приведения:

               
               
               
               
               

Формулы сложенияПравить

Значения тригонометрических функций суммы и разности двух углов:

 
 
 
 

Аналогичные формулы для суммы трёх углов:

 
 

Формулы для кратных угловПравить

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:

 
 
 
 
 
 

ПроизведенияПравить

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.

СтепениПравить

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Иллюстрация равенства  

СуммыПравить

 
 
 
 
 
 
 

Существует представление:

 

где угол   находится из соотношений:

 
 

Универсальная тригонометрическая подстановкаПравить

Все тригонометрические функции можно выразить через тангенс половинного угла:

 

 

 

 

 

 

Тригонометрические функции комплексного аргументаПравить

ОпределениеПравить

Формула Эйлера:

 

Формула Эйлера позволяет определить тригонометрические функции от комплексных аргументов через экспоненту или (с помощью рядов) как аналитическое продолжение их вещественных аналогов:

 
 
 
 
 
  где  


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:

  • комплексные синус и косинус, в отличие от вещественных, могут принимать сколь угодно большие по модулю значения;
  • все нули комплексных синуса и косинуса лежат на вещественной оси.

Комплексные графикиПравить

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.

Тригонометрические функции в комплексной плоскости
           

История названийПравить

Линия синуса (линия AB 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» (جيب‎). 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 sinus — «синус», имеющим то же значение (следует отметить, что именно в этом значении оно применяется как анатомический термин синус). Термин «косинус» (лат. cosinus) — это сокращение от лат. complementi sinus — дополнительный синус.

Современные краткие обозначения  ,   введены Уильямом Отредом и Бонавентурой Кавальери и закреплены в трудах Леонарда Эйлера.

Термины «тангенс» (лат. tangens — касающийся) и «секанс» (лат. secans — секущий) были введены датским математиком Томасом Финке в его книге «Геометрия круглого» (Geometria rotundi, 1583).

Сам термин тригонометрические функции введён Клюгелем в 1770 году.

Позднее были введены и термины для обратных тригонометрических функций — арксинус, арккосинус, арктангенс, арккотангенс, арксеканс, арккосеканс — с помощью добавления приставки «арк» (от лат. arcus — дуга), — Ж. Лагранжем и др.

См. такжеПравить