Как найти косинус через основное тригонометрическое тождество

Основное тригонометрическое тождество

Классическое основное тригонометрическое тождество.

Перед тем, как переходить к различным тригонометрическим ужасам, в школе разбирают основное тригонометрическое тождество, благодаря которому, можно находить синус угла, зная его косинус, и наоборот.

Само тождество выглядит весьма мило:

Из этой формулы выразим синус и косинус:

Стоит обратить особое внимание на знаки “±”. Почему их важно не забыть?

Посмотри на картинку ниже.

Если угол находится в первой четверти, то знаки его синуса и косинуса положительны.

Если угол находится во второй четверти, то знак его синуса положительный, а знак косинуса отрицательный.

Если угол находится в третьей четверти, то знаки его синуса и косинуса отрицательны.

Если угол находится в четвертой четверти, то знак его синуса отрицательный, а знак косинуса положительный.

Давай попробуем решить парочку примеров.

Задание 1.

Найдите sinx, если cosx = и 180° < x < 270°.

Угол х находится в третьей четверти, значит синус этого угла будет отрицательный и при выражении синуса из основного тригонометрического тождества мы должны перед корнем поставить знак минус.

Переводим дробь в десятичную.

Ответ: -0,2.

Задание 2.

Найдите cosx, если sinx = 0.6 и 90° < x < 180°.

Определяем знак косинуса. Угол х находится во второй четверти, значит значение косинуса будет отрицательным (см. окружности выше).

Тогда

Ответ: -0,8.

Другие полезные тождества.

Еще нельзя не упомянуть другие тригонометрические тождества, которые в своей сущности также являются основными.

1. Базовые формулы.

2. Связь между тангенсом и котангенсом.

3. Следствия из основного тригонометрического тождества.

Эти формулы получаются путем деления обеих частей равенства на косинус (первая формула) и на синус (вторая формула). 

Рекомендую к изучению: статья о синусе, косинусе, тангенсе и котангенсе.

Успехов в учебе!

Основное тригонометрическое тождество

12 ноября 2011

Это последний и самый главный урок, необходимый для решения задач B11. Мы уже знаем, как переводить углы из радианной меры в градусную (см. урок «Радианная и градусная мера угла»), а также умеем определять знак тригонометрической функции, ориентируясь по координатным четвертям (см. урок «Знаки тригонометрических функций»).

Дело осталось за малым: вычислить значение самой функции — то самое число, которое записывается в ответ. Здесь на помощь приходит основное тригонометрическое тождество.

Основное тригонометрическое тождество. Для любого угла α верно утверждение:

sin2 α + cos2 α = 1.

Эта формула связывает синус и косинус одного угла. Теперь, зная синус, мы легко найдем косинус — и наоборот. Достаточно извлечь квадратный корень:

Выражение синуса и косинуса через основное тригонометрическое тождество

Обратите внимание на знак «±» перед корнями. Дело в том, что из основного тригонометрического тождества непонятно, каким был исходный синус и косинус: положительным или отрицательным. Ведь возведение в квадрат — четная функция, которая «сжигает» все минусы (если они были).

Именно поэтому во всех задачах B11, которые встречаются в ЕГЭ по математике, обязательно есть дополнительные условия, которые помогают избавиться от неопределенности со знаками. Обычно это указание на координатную четверть, по которой можно определить знак.

Внимательный читатель наверняка спросит: «А как быть с тангенсом и котангенсом?» Напрямую вычислить эти функции из приведенных выше формул нельзя. Однако существуют важные следствия из основного тригонометрического тождества, которые уже содержат тангенсы и котангенсы. А именно:

Важное следствие: для любого угла α можно переписать основное тригонометрическое тождество следующим образом:

Выражение тангенса и котангенса через основное тригонометрическое тождество

Эти уравнения легко выводятся из основного тождества — достаточно разделить обе стороны на cos2 α (для получения тангенса) или на sin2 α (для котангенса).

Рассмотрим все это на конкретных примерах. Ниже приведены настоящие задачи B11, которые взяты из пробных вариантов ЕГЭ по математике 2012.

Задача. Найдите sin α, если известно следующее:

Значение косинуса и угла в радианах

Нам известен косинус, но неизвестен синус. Основное тригонометрическое тождество (в «чистом» виде) связывает как раз эти функции, поэтому будем работать с ним. Имеем:

sin2 α + cos2 α = 1 ⇒ sin2 α + 99/100 = 1 ⇒ sin2 α = 1/100 ⇒ sin α = ±1/10 = ±0,1.

Для решения задачи осталось найти знак синуса. Поскольку угол α ∈ (π/2; π), то в градусной мере это записывается так: α ∈ (90°; 180°).

Следовательно, угол α лежит во II координатной четверти — все синусы там положительны. Поэтому sin α = 0,1.

Задача. Найдите cos α, если известно следующее:

Значение синуса и угла в радианах

Итак, нам известен синус, а надо найти косинус. Обе эти функции есть в основном тригонометрическом тождестве. Подставляем:

sin2 α + cos2 α = 1 ⇒ 3/4 + cos2 α = 1 ⇒ cos2 α = 1/4 ⇒ cos α = ±1/2 = ±0,5.

Осталось разобраться со знаком перед дробью. Что выбрать: плюс или минус? По условию, угол α принадлежит промежутку (π 3π/2). Переведем углы из радианной меры в градусную — получим: α ∈ (180°; 270°).

Очевидно, это III координатная четверть, где все косинусы отрицательны. Поэтому cos α = −0,5.

Задача. Найдите tg α, если известно следующее:

Значение еще одного косинуса и угла в радианах

Тангенс и косинус связаны уравнением, следующим из основного тригонометрического тождества:

Выражение тангенса через косинус

Получаем: tg α = ±3. Знак тангенса определяем по углу α. Известно, что α ∈ (3π/2; 2π). Переведем углы из радианной меры в градусную — получим α ∈ (270°; 360°).

Очевидно, это IV координатная четверть, где все тангенсы отрицательны. Поэтому tg α = −3.

Задача. Найдите cos α, если известно следующее:

Значение еще одного синуса и угла в радианах

Снова известен синус и неизвестен косинус. Запишем основное тригонометрическое тождество:

sin2 α + cos2 α = 1 ⇒ 0,64 + cos2 α = 1 ⇒ cos2 α = 0,36 ⇒ cos α = ±0,6.

Знак определяем по углу. Имеем: α ∈ (3π/2; 2π). Переведем углы из градусной меры в радианную: α ∈ (270°; 360°) — это IV координатная четверть, косинусы там положительны. Следовательно, cos α = 0,6.

Задача. Найдите sin α, если известно следующее:

Значение еще одного котангенса и угла в радианах

Запишем формулу, которая следует из основного тригонометрического тождества и напрямую связывает синус и котангенс:

Выражение синуса через тангенс

Отсюда получаем, что sin2 α = 1/25, т.е. sin α = ±1/5 = ±0,2. Известно, что угол α ∈ (0; π/2). В градусной мере это записывается так: α ∈ (0°; 90°) — I координатная четверть.

Итак, угол находится в I координатной четверти — все тригонометрические функции там положительны, поэтому sin α = 0,2.

Смотрите также:

  1. Как формулы приведения работают в задаче B11
  2. Тест к уроку «Знаки тригонометрических функций» (1 вариант)
  3. Тест к параграфу «Что такое логарифм» (легкий)
  4. Решение задач B12: №440—447
  5. Задачи про температуру и энергию звезд
  6. Задача B4 про шерсть и свитер

Для удобства сразу же приведем таблицу с всеми тригонометрическими тождествами. Всегда удобно открыть формулы в одном месте, выбрать нужную и решить пример. После таблицы мы по отдельности рассмотрим каждую тригонометрическую формулу: обсудим ее вывод и порешаем примеры.

  1. Основное тригонометрическое тождество:
    $$sin(alpha)^2+cos(alpha)^2=1;$$
  2. Определение тангенса и котангенса через синус и косинус:
    $$tg(alpha)=frac{sin(alpha)}{cos(alpha)};$$
    $$ctg(alpha)=frac{cos(alpha)}{sin(alpha)};$$
  3. Cвязь тангенса и котангенса:
    $$tg(alpha)=frac{1}{ctg(alpha)};$$
    $$tg(alpha)*ctg(alpha)=1;$$
  4. Тангенс через косинус. Котангенс через синус:
    $$tg(alpha)^2+1=frac{1}{cos(alpha)^2};$$
    $$ctg(alpha)^2+1=frac{1}{sin(alpha)^2};$$
  5. Синус суммы и разности:
    $$sin(alpha+beta)=sin(alpha)*cos(beta)+sin(beta)*cos(alpha);$$
    $$sin(alpha-beta)=sin(alpha)*cos(beta)-sin(beta)*cos(alpha);$$
  6. Косинус суммы и разности:
    $$cos(alpha+beta)=cos(alpha)*cos(beta)-sin(beta)*sin(alpha);$$
    $$cos(alpha-beta)=cos(alpha)*cos(beta)+sin(beta)*sin(alpha);$$
  7. Тангенс суммы и разности:
    $$tg(alpha+beta)=frac{tg(alpha)+tg(beta)}{1-tg(alpha)*tg(beta)};$$
    $$tg(alpha-beta)=frac{tg(alpha)-tg(beta)}{1+tg(alpha)*tg(beta)};$$
  8. Котангенс суммы и разности:
    $$сtg(alpha+beta)=frac{-1+сtg(alpha)*ctg(beta)}{ctg(alpha)+ctg(beta)};$$
    $$сtg(alpha-beta)=frac{-1-сtg(alpha)*ctg(beta)}{ctg(alpha)-ctg(beta)};$$
  9. Двойной угол:
    $$cos(2*alpha)=cos(alpha)^2-sin(alpha)^2=1-2*sin(alpha)^2=2*cos(alpha)^2-1;$$
    $$sin(2*alpha)=2*sin(alpha)*cos(alpha);$$
    $$tg(2*alpha)=frac{2*tg(alpha)}{1-tg(alpha)^2};$$
    $$ctg(2*alpha)=frac{ctg(alpha)^2-1}{2*ctg(alpha)};$$
  10. Тройной угол:
    $$cos(3*alpha)=cos(alpha)^3-3*sin(alpha)^2*cos(alpha)=-3*cos(alpha)+4*cos(alpha)^3;$$
    $$sin(3*alpha)=3*sin(alpha)*cos(alpha)^2-sin(alpha)^3=3*sin(alpha)-4*sin(alpha)^3;$$
    $$tg(3*alpha)=frac{3*tg(alpha)-tg(alpha)^3}{1-3*tg(alpha)^2};$$
    $$ctg(3*alpha)=frac{ctg(alpha)^3-3*ctg(alpha)}{3*ctg(alpha)^2-1};$$
  11. Формулы половинного угла:
    $$sin(frac{alpha}{2})^2=frac{1-cos(alpha)}{2};$$
    $$cos(frac{alpha}{2})^2=frac{1+cos(alpha)}{2};$$
    $$tg(frac{alpha}{2})^2=frac{1-cos(alpha)}{1+cos(alpha)};$$
    $$ctg(frac{alpha}{2})^2=frac{1+cos(alpha)}{1-cos(alpha)};$$
  12. Понижение степени:
    $$sin(alpha)^2=frac{1-cos(2*alpha)}{2};$$
    $$cos(alpha)^2=frac{1+cos(2*alpha)}{2};$$
    $$sin(alpha)^3=frac{3*sin(alpha)-sin(3*alpha)}{4};$$
    $$cos(alpha)^3=frac{3*cos(alpha)+cos(3*alpha)}{4};$$
    $$sin(alpha)^4=frac{3-4*cos(2*alpha)+cos(4*alpha)}{8};$$
    $$cos(alpha)^4=frac{3+4*cos(2*alpha)+cos(4*alpha)}{8};$$
  13. Преобразование суммы и разности тригонометрических функций:
    $$sin(alpha)+sin(beta)=2*sinleft(frac{alpha+beta}{2}right)*cosleft(frac{alpha-beta}{2}right);$$
    $$sin(alpha)-sin(beta)=2*sinleft(frac{alpha-beta}{2}right)*cosleft(frac{alpha+beta}{2}right);$$
    $$cos(alpha)+cos(beta)=2*cosleft(frac{alpha+beta}{2}right)*cosleft(frac{alpha-beta}{2}right);$$
    $$cos(alpha)-cos(beta)=-2*sinleft(frac{alpha+beta}{2}right)*sinleft(frac{alpha-beta}{2}right);$$
    $$cos(alpha)-cos(beta)=2*sinleft(frac{alpha+beta}{2}right)*sinleft(frac{beta-alpha}{2}right);$$
    $$tg(alpha)+tg(beta)=frac{sin(alpha+beta)}{cos(alpha)*cos(beta)};$$
    $$tg(alpha)-tg(beta)=frac{sin(alpha-beta)}{cos(alpha)*cos(beta)};$$
    $$ctg(alpha)+ctg(beta)=frac{sin(alpha+beta)}{sin(alpha)*sin(beta)};$$
    $$ctg(alpha)-ctg(beta)=frac{sin(beta-alpha)}{sin(alpha)*sin(beta)};$$
  14. Преобразование произведения тригонометрических функций:
    $$sin(alpha)*sin(beta)=frac{1}{2}*left(cos(alpha-beta)-cos(alpha+beta)right);$$
    $$cos(alpha)*cos(beta)=frac{1}{2}*left(cos(alpha-beta)+cos(alpha+beta)right);$$
    $$sin(alpha)*cos(beta)=frac{1}{2}*left(sin(alpha-beta)+sin(alpha+beta)right);$$
  15. Формулы подстановки тангенса:
    $$sin(alpha)=frac{2*tg(frac{alpha}{2})}{1+tg(frac{alpha}{2})^2};$$
    $$cos(alpha)=frac{1-tg(frac{alpha}{2})^2}{1+tg(frac{alpha}{2})^2};$$
    $$tg(alpha)=frac{2*tg(frac{alpha}{2})}{1-tg(frac{alpha}{2})^2};$$
    $$ctg(alpha)=frac{1-tg(frac{alpha}{2})^2}{2*tg(frac{alpha}{2})};$$
  16. Формулы приведения можно найти в отдельной статье

Зачем нужны тригонометрические формулы?

Как видите, тригонометрических формул очень много. Тут еще и не все приведены. Но на ваше счастье, учить всю эту таблицу не нужно. Достаточно знать только основные: №1-6, 9. Остальные на ЕГЭ по профильной математике встречаются крайне редко, а если и попадутся, то, скорее всего, будут даны в справочных материалах.

Но для участия в олимпиадах или, если вы хотите поступать в сильный математический ВУЗ через вступительные экзамены, то вам может понадобиться вся таблица. По крайней мере, у вас точно должно быть представление о существовании таких формул, чтобы их вывести в случае необходимости. Да, большинство из них легко выводятся.

Тригонометрические формулы нужны, чтобы связать все тригонометрические функции между собой. Если вы знаете одну из функций, например, синус, то, используя эти формулы, можно легко найти оставшиеся три тригонометрические функции (косинус, тангенс и котангенс). Кроме этого тождества позволяют упростить выражение под тригонометрической функцией: например, выразить синус от двойного угла через комбинацию тригонометрических функций от одинарного угла, что бывает очень полезно при решении тригонометрических уравнений и неравенств.

Обсудим и порешаем примеры на все формулы из таблицы.

Основное тригонометрическое тождество

$$mathbf{sin(alpha)^2+cos(alpha)^2=1;}$$

Эту формулу можно считать главной и самой часто используемой в тригонометрии. Она выводится при помощи определения синуса и косинуса через прямоугольный треугольник и теоремы Пифагора. Не буду еще раз описывать вывод, с ним можно познакомиться в самой первой главе по тригонометрии.

При помощи основного тригонометрического тождества очень удобно искать значение синуса, если известен косинус и наоборот. Разберем пример:

Пример 1
Найдите (3sqrt{2}*sin(alpha)=?), если (cos(alpha)=frac{1}{3}) и (alphain(0;frac{pi}{2})). (ЕГЭ)

Чтобы найти значение выражения (3sqrt{2}*sin(alpha)) необходимо сначала найти значение синуса.

Формула, которая связывает и синус, и косинус – это основное тригонометрическое тождество:
$$sin(alpha)^2+cos(alpha)^2=1;$$
Просто подставим в нее известное значение косинуса
$$sin(alpha)^2+left(frac{1}{3}right)^2=1;$$
$$sin(alpha)^2+frac{1}{9}=1;$$
$$sin(alpha)^2=1-frac{1}{9};$$
$$sin(alpha)^2=frac{8}{9};$$
$$sin(alpha)=pmsqrt{frac{8}{9}}=pmfrac{2sqrt{2}}{3};$$
Обратите внимание на знак (pm), отрицательное значение синуса нас тоже устраивает, так как при подстановке и возведении в квадрат знак минус исчезает.

В задании указано, что это пример из ЕГЭ первой части, значит должен быть только один ответ. Какое же значение синуса нам выбрать: положительное или отрицательное?

В этом нам поможет дополнительное условие на (alphain(0;frac{pi}{2})), что соответсвует первой четверти на тригонометрической окружности. Раз (alpha) лежит в первой четверти, то синус должен быть положительный. Выбираем положительное значение синуса:
$$sin(alpha)=frac{2sqrt{2}}{3};$$
И подставим найденное значение в искомое выражение:
$$3sqrt{2}*sin(alpha)=3sqrt{2}*frac{2sqrt{2}}{3}=4.$$

Ответ: (4.)

Аналогично по основному тригонометрическому тождеству можно находить значение косинуса, если известен синус.

Основные тригонометрическое тождество это ключ к решению более половины всех тригонометрических уравнений.

Основные связи тригонометрических функций

А как найти тангенс или котангенс, если нам, например, известен косинус? Посмотрите на формулы №2, для того, чтобы найти тангенс, нужно знать и косинус, и синус:

$$mathbf{tg(alpha)=frac{sin(alpha)}{cos(alpha)};}$$
$$mathbf{ctg(alpha)=frac{cos(alpha)}{sin(alpha)};}$$

Но зная косинус, мы легко можем найти синус по основному тригонометрическому тождеству, а потом уже найти тангенс.

Пример 2
Найдите (tg(alpha)) и (ctg(alpha)), если (cos(alpha)=frac{sqrt{10}}{10}) и (alpha in (frac{3pi}{2};2pi)).

Сначала находим значение синуса:
$$sin(alpha)^2+cos(alpha)^2=1;$$
$$sin(alpha)^2+left(frac{sqrt{10}}{10}right)^2=1;$$
$$sin(alpha)^2+frac{1}{10}=1;$$
$$sin(alpha)^2=1-frac{1}{10};$$
$$sin(alpha)^2=frac{9}{10};$$
$$sin(alpha)=pmsqrt{frac{9}{10}}=pmfrac{3}{sqrt{10}};$$
Так как по условию задачи (alpha in (frac{3pi}{2};2pi)), что соответсвует четвертой четверти на тригонометрической окружности, то (sin(alpha)<0). Выбираем отрицательное значение:
$$sin(alpha)=-frac{3}{sqrt{10}};$$
Теперь нам известны значения и косинуса, и синуса, можем найти тангенс:
$$tg(alpha)=frac{sin(alpha)}{cos(alpha)}=frac{-frac{3}{sqrt{10}}}{frac{sqrt{10}}{10}}=-frac{3}{sqrt{10}}*frac{10}{sqrt{10}}=-3;$$
Котангенс можно найти аналогично по формуле:
$$ctg(alpha)=frac{cos(alpha)}{sin(alpha)};$$
Но поступим проще и воспользуемся тригонометрической формулой, связывающей тангенс с котангенсом:
$$mathbf{сtg(alpha)=frac{1}{tg(alpha)};}$$
$$сtg(alpha)=frac{1}{-3}=-frac{1}{3};$$

Ответ: (tg(alpha)=-3;) (ctg(alpha)=-frac{1}{3}.)

Как видите, чтобы найти тангенс или котангенс через косинус или синус, необходимо воспользоваться сразу двумя тригонометрическими формулами. Это не очень удобно, поэтому очень полезны тригонометрические формулы, связывающие тангенс с косинусом или котангенс с синусом напрямую:
$$mathbf{tg(alpha)^2+1=frac{1}{cos(alpha)^2};}$$
$$mathbf{ctg(alpha)^2+1=frac{1}{sin(alpha)^2};}$$

Вывод связи тангенса с косинусом и котангенса с синусом

Полезно знать, как они выводятся. Вывод, на самом деле, элементарный, с использованием основного тригонометрического тождества и определения тангенса через синус и косинус:
$$tg(alpha)^2+1=frac{1}{cos(alpha)^2};$$
$$left(frac{sin(alpha)}{cos(alpha)}right)^2+1=frac{1}{cos(alpha)^2};$$
Приводим левую часть к общему знаменателю:
$$frac{sin(alpha)^2}{cos(alpha)^2}+frac{cos(alpha)^2}{cos(alpha)^2}=frac{1}{cos(alpha)^2};$$
$$frac{sin(alpha)^2+cos(alpha)^2}{cos(alpha)^2}=frac{1}{cos(alpha)^2};$$
В числителе у нас получилось основное тригонометрическое тождество:
$$frac{1}{cos(alpha)^2}=frac{1}{cos(alpha)^2};$$
Получилось верное равенство – формула доказана. Аналогично доказывается формула для котангенса и синуса. (В качестве упражнения докажите ее сами).

Если решать пример №2 по этим формулам, то решение заметно сокращается:
$$tg(alpha)^2+1=frac{1}{left(frac{sqrt{10}}{10}right)^2};$$
$$tg(alpha)^2+1=10;$$
$$tg(alpha)^2=9;$$
$$tg(alpha)=pm3;$$
Так как (alpha in (frac{3pi}{2};2pi)), то тангенс будет отрицательным:
$$tg(alpha)=-3;$$

Формулы суммы и разности тригонометрических функций

  1. Синус суммы и разности:
    $$mathbf{sin(alpha+beta)=sin(alpha)*cos(beta)+sin(beta)*cos(alpha);}$$
    $$mathbf{sin(alpha-beta)=sin(alpha)*cos(beta)-sin(beta)*cos(alpha);}$$
  2. Косинус суммы и разности:
    $$mathbf{cos(alpha+beta)=cos(alpha)*cos(beta)-sin(beta)*sin(alpha);}$$
    $$mathbf{cos(alpha-beta)=cos(alpha)*cos(beta)+sin(beta)*sin(alpha);}$$
  3. Тангенс суммы и разности:
    $$mathbf{tg(alpha+beta)=frac{tg(alpha)+tg(beta)}{1-tg(alpha)*tg(beta)};}$$
    $$mathbf{tg(alpha-beta)=frac{tg(alpha)-tg(beta)}{1+tg(alpha)*tg(beta)};}$$
  4. Котангенс суммы и разности:
    $$mathbf{сtg(alpha+beta)=frac{-1+сtg(alpha)*ctg(beta)}{ctg(alpha)+ctg(beta)};}$$
    $$mathbf{сtg(alpha-beta)=frac{-1-сtg(alpha)*ctg(beta)}{ctg(alpha)-ctg(beta)};}$$

Формулы суммы разности тригонометрических функций попадаются в ЕГЭ по профильной математике в №12. В прошлые года эти формулы давались в справочные материалах и учить их было не обязательно. Тем не менее, я бы рекомендовал выучить хотя бы формулы суммы и разности для синуса и косинуса.

Это не очень удобно, но иногда формулы суммы разности используют для вывода формул приведения:

Пример 3
Упростить выражение (sin(frac{pi}{2}+alpha)).

Воспользуемся формулой синуса суммы:
$$sin(alpha+beta)=sin(alpha)*cos(beta)+sin(beta)*cos(alpha);$$
$$sin(frac{pi}{2}+alpha)=sin(frac{pi}{2})*cos(alpha)+sin(alpha)*cos(frac{pi}{2})=$$
$$=1*cos(alpha)+sin(alpha)*0=cos(alpha);$$

Формулы суммы разности так же полезны, когда нужно посчитать значение тригонометрических функций некоторых нестандартных углов:

Пример 4
Найдите значение (sin(15^o)=?)

(15^o) нестандартный угол, вы его не найдете в тригонометрической таблице углов. Представим (15^o) в виде разности стандартных углов (15^o=45^o-30^o). И воспользуемся формулой синуса разности:
$$sin(alpha-beta)=sin(alpha)*cos(beta)-sin(beta)*cos(alpha);$$
$$sin(15^o)=sin(45^o-30^o)=sin(45^o)*cos(30^o)-sin(30^o)*cos(45^o)=$$
$$=frac{sqrt{2}}{2}*frac{sqrt{3}}{2}-frac{1}{2}*frac{sqrt{2}}{2}=$$
$$=frac{sqrt{6}}{4}-frac{sqrt{2}}{4}=frac{sqrt{6}-sqrt{2}}{4};$$
Вот мы наши синус (15^o). Получилось такое иррациональное некрасивое выражение, так и оставляем.

Ответ: (sin(15^o)=frac{sqrt{6}-sqrt{2}}{4}.)

Пример 5
Найдите значение (cos(75^o)=?)

(75^o) можно представить в виде суммы стандартных углов (75^o=30^o+45^o). Здесь воспользуемся формулой косинуса суммы:
$$cos(alpha+beta)=cos(30^o)*cos(45^o)-sin(30^0)*sin(45^0)=$$
$$=frac{sqrt{3}}{2}*frac{sqrt{2}}{2}-frac{1}{2}*frac{sqrt{2}}{2}=$$
$$=frac{sqrt{6}}{4}-frac{sqrt{2}}{4}=frac{sqrt{6}-sqrt{2}}{4};$$
У нас получился опять отвратительный ответ, но внимательный читатель заметит, что ответ такой же, как в предыдущем примере, это значит, что (cos(75^o)=sin(15^o)). Такой же вывод можно было бы сделать исходя из формул приведения и знания тригонометрической окружности.

Ответ: (cos(75^o)=frac{sqrt{6}-sqrt{2}}{4}.)

Мы не будем выводить эти формулы – это не самое приятное занятие. Их проще выучить, а вывод вам вряд ли когда-либо пригодится. Но сами формулы суммы и разности служат основой для доказательства других тригонометрических формул.

Формулы двойного угла

$$cos(2*alpha)=cos(alpha)^2-sin(alpha)^2=1-2*sin(alpha)^2=2*cos(alpha)^2-1;$$
$$sin(2*alpha)=2*sin(alpha)*cos(alpha);$$
$$tg(2*alpha)=frac{2*tg(alpha)}{1-tg(alpha)^2};$$
$$ctg(2*alpha)=frac{ctg(alpha)^2-1}{2*ctg(alpha)};$$

Формулы двойного угла для синуса, косинуса, тангенса и котангенса дают возможность выразить двойной угол (2alpha) через (alpha). Формулы для синуса и косинуса очень часто встречаются на ЕГЭ. Их обязательно нужно знать. Все они легко выводятся из формул синуса и косинуса суммы (формулы №5 и №6) :

$$cos(2alpha)=cos(alpha+alpha)=cos(alpha)*cos(alpha)-sin(alpha)*sin(alpha)=cos(alpha)^2-sin(alpha)^2;$$
Воспользовавшись основным тригонометрическим тождеством можно преобразовать эту формулу:
$$cos(2alpha)=cos(alpha)^2-sin(alpha)^2=1-sin(alpha)^2-sin(alpha)^2=1-2sin(alpha)^2;$$
$$cos(2alpha)=cos(alpha)^2-sin(alpha)^2=cos(alpha)^2-(1-cos(alpha)^2)=2cos(alpha)^2-1;$$

Синус двойного угла выводится аналогичным образом только с использованием формулы синуса суммы:
$$sin(2alpha)=sin(alpha)*cos(alpha)+sin(alpha)*cos(alpha)=2sin(alpha)cos(alpha);$$

Для вывода формул двойного угла для тангенса нам понадобится представить тангенс в виде отношения синуса к косинуса по определению и только что выведенные формулы синуса и косинуса двойного угла:
$$tg(2alpha)=frac{sin(2alpha)}{cos(2alpha)}=frac{2sin(alpha)cos(alpha)}{cos(alpha)^2-sin(alpha)^2}=frac{frac{2sin(alpha)cos(alpha)}{cos(alpha)^2}}{frac{cos(alpha)^2-sin(alpha)^2}{cos(alpha)^2}}=frac{frac{2sin(alpha)}{cos(alpha)}}{1-frac{sin(alpha)^2}{cos(alpha)^2}}=frac{2tg(alpha)}{1-tg(alpha)^2};$$
Котангенс двойного угла выводится абсолютно также:
$$сtg(2alpha)=frac{cos(2alpha)}{sin(2alpha)}=frac{cos(alpha)^2-sin(alpha)^2}{2sin(alpha)cos(alpha)}=frac{frac{cos(alpha)^2-sin(alpha)^2}{sin(alpha)^2}}{frac{2sin(alpha)cos(alpha)}{sin(alpha)^2}}=frac{frac{cos(alpha)^2}{sin(alpha)^2}-1}{frac{2cos(alpha)}{sin(alpha)}}=frac{ctg(alpha)^2-1}{2ctg(alpha)};$$

В первой части на ЕГЭ попадаются номера на преобразование тригонометрических выражений, где часто содержится двойной угол:

Пример 6
Найти значение (24cos(2alpha)=?), если (sin(alpha)=-0,2.)

Воспользуемся формулой косинуса двойного угла:
$$cos(2alpha)=1-2sin(alpha)^2;$$
$$24cos(2alpha)=24(1-2sin(alpha)^2)=24-48sin(alpha)^2=24-48*(-0,2)^2=24-48*0,04=22,08.$$

Пример 7
Найти значение (frac{10sin(6alpha)}{3cos(3alpha)}=?), если (sin(3alpha)=0,6.)

Используем синус двойного угла, для этого представим (6alpha=2*(3alpha)):
$$sin(6alpha)=sin(2*(3alpha))=2sin(3alpha)cos(3alpha);$$
$$frac{10sin(6alpha)}{3cos(3alpha)}=frac{10*2sin(3alpha)cos(3alpha)}{3cos(3alpha)}=frac{20sin(3alpha)}{3}=frac{20*0,6}{3}=frac{12}{3}=4.$$

Пример 8
Найти значение выражения (frac{12sin(11^o)cos(11^o)}{sin(22^o)}=?)

Замечаем, что (22^o=2*11^o) и воспользуемся синусом двойного угла:
$$frac{12sin(11^o)cos(11^o)}{sin(22^o)}=frac{12sin(11^o)cos(11^o)}{2sin(11^o)cos(11^o)}=frac{12}{2}=6.$$

Формулы тройного угла

Формулы тройного угла обычно попадаются на математических олимпиадах или вступительных экзаменах в математические ВУЗы. Учить их необязательно, но знать о существовании полезно, тем более, что они достаточно легко выводятся.
$$cos(3*alpha)=cos(alpha)^3-3*sin(alpha)^2*cos(alpha)=-3*cos(alpha)+4*cos(alpha)^3;$$
$$sin(3*alpha)=3*sin(alpha)*cos(alpha)^2-sin(alpha)^3=3*sin(alpha)-4*sin(alpha)^3;$$
$$tg(3*alpha)=frac{3*tg(alpha)-tg(alpha)^3}{1-3*tg(alpha)^2};$$
$$ctg(3*alpha)=frac{ctg(alpha)^3-3*ctg(alpha)}{3*ctg(alpha)^2-1};$$

Выведем эти формулы, использую формулы сложения. Начнем с косинуса тройного угла:
$$cos(3*alpha)=cos(2alpha+alpha)=cos(2alpha)*cos(alpha)-sin(2alpha)*sin(alpha)=$$
$$=(cos(alpha)^2-sin(alpha)^2)*cos(alpha)-2sin(alpha)*cos(alpha)*sin(alpha)=$$
$$=cos(alpha)^3-sin(alpha)^2*cos(alpha)-2sin(alpha)^2*cos(alpha)=$$
$$=cos(alpha)^3-3sin(alpha)^2*cos(alpha);$$

Если расписать (sin(alpha)^2=1-cos(alpha)^2), то получим еще один вариант формулы тройного угла:
$$cos(3*alpha)=cos(alpha)^3-3sin(alpha)^2*cos(alpha)=cos(alpha)^3-3(1-cos(alpha)^2)*cos(alpha)=$$
$$=4cos(alpha)^3-3cos(alpha);$$

Аналогично выводится формула синуса тройного угла:
$$sin(3alpha)=sin(2alpha+alpha)=sin(2alpha)*cos(alpha)+sin(alpha)*cos(2alpha)=$$
$$=2sin(alpha)*cos(alpha)*cos(alpha)+sin(alpha)*(cos(alpha)^2-sin(alpha)^2)=$$
$$=2sin(alpha)*cos(alpha)^2+sin(alpha)*cos(alpha)^2-sin(alpha)^3=3sin(alpha)*cos(alpha)^2-sin(alpha)^3;$$
Распишем по основному тригонометрическому тождеству (cos(alpha)^2=1-sin(alpha)^2) и подставим:
$$sin(3alpha)=3sin(alpha)*cos(alpha)^2-sin(alpha)^3=$$
$$=3sin(alpha)*(1-sin(alpha)^2)-sin(alpha)^3=3sin(alpha)-4sin(alpha)^3;$$

Для тангенса и котангенса формулы тройного угла здесь выводить не будем, так как они достаточно редки. Но в качестве упражнения можете сами выполнить вывод, представив тангенс или котангенс по определению: через отношение синуса тройного угла к косинусу тройного угла или наоборот соотвественно.

Формулы тройного угла обычно используются при преобразовании сложных тригонометрических выражений. Например, на вступительных экзаменах в МФТИ любят давать тригонометрические уравнения на тройной угол и больше.

Формулы половинного угла (двойного аргумента)

$$sin(frac{alpha}{2})^2=frac{1-cos(alpha)}{2};$$
$$cos(frac{alpha}{2})^2=frac{1+cos(alpha)}{2};$$
$$tg(frac{alpha}{2})^2=frac{1-cos(alpha)}{1+cos(alpha)};$$
$$ctg(frac{alpha}{2})^2=frac{1+cos(alpha)}{1-cos(alpha)};$$

Формулы половинного угла это по сути формулы обратные формулам двойного угла. Достаточно запомнить их элементарный вывод, тогда учить совсем необязательно. Здесь важный момент, что любой угол (alpha) всегда можно представить в виде удвоенного угла (frac{alpha}{2}):
$$alpha=2*frac{alpha}{2};$$

Выведем формулу синуса половинного угла, для этого нам понадобится формула косинуса двойного угла:
$$cos(alpha)=1-2*sin(frac{alpha}{2})^2;$$
Выразим отсюда (sin(frac{alpha}{2})):
$$sin(frac{alpha}{2})^2=frac{1-cos(alpha)}{2};$$
Иногда эту формулу записывают без квадрата:
$$sin(frac{alpha}{2})=pmsqrt{frac{1-cos(alpha)}{2}};$$
Плюс минус возникает при избавлении от квадрата.
Вывод косинуса половинного угла тоже получается из формулы косинуса двойного угла:
$$cos(alpha)=2*cos(frac{alpha}{2})^2-1;$$
$$cos(frac{alpha}{2})^2=frac{cos(alpha)+1}{2};$$
$$cos(frac{alpha}{2})=pmsqrt{frac{cos(alpha)+1}{2}};$$

Доказательство формул половинного угла для тангенса и котангенса следует из выше доказанных формул:
$$tg(frac{alpha}{2})=frac{sin(frac{alpha}{2})}{cos(frac{alpha}{2})}=frac{pmsqrt{frac{1-cos(alpha)}{2}}}{pmsqrt{frac{cos(alpha)+1}{2}}}=sqrt{frac{frac{1-cos(alpha)}{2}}{frac{cos(alpha)+1}{2}}}=frac{1-cos(alpha)}{1+cos(alpha)};$$
Точно так же для котангенса:
$$сtg(frac{alpha}{2})=frac{cos(frac{alpha}{2})}{sin(frac{alpha}{2})}=frac{pmsqrt{frac{cos(alpha)+1}{2}}}{pmsqrt{frac{1-cos(alpha)}{2}}}=sqrt{frac{frac{cos(alpha)+1}{2}}{frac{1-cos(alpha)}{2}}}=frac{1+cos(alpha)}{1-cos(alpha)};$$

Пример 9
При помощи формул половинного угла можно, например, посчитать (cos(15^o)):

$$cos(frac{alpha}{2})^2=frac{1+cos(alpha)}{2};$$
$$cos(15^o)^2=frac{1+cos(30^o)}{2}=frac{1+frac{sqrt{3}}{2}}{2}=frac{2+sqrt{3}}{4};$$
$$cos(15^o)=sqrt{frac{2+sqrt{3}}{4}}.$$

Кстати, формулы половинного угла справедливы не только в явном виде, когда аргумент правой части формулы (alpha), а левой (frac{alpha}{2}). Но и в неявном, достаточно, чтобы аргумент правой части был больше аргумента левой в два раза:
$$sin(5alpha)=pmsqrt{frac{1-cos(10alpha)}{2}};$$

Формулы понижения степени

$$sin(alpha)^2=frac{1-cos(2*alpha)}{2};$$
$$cos(alpha)^2=frac{1+cos(2*alpha)}{2};$$
$$sin(alpha)^3=frac{3*sin(alpha)-sin(3*alpha)}{4};$$
$$cos(alpha)^3=frac{3*cos(alpha)+cos(3*alpha)}{4};$$
$$sin(alpha)^4=frac{3-4*cos(2*alpha)+cos(4*alpha)}{8};$$
$$cos(alpha)^4=frac{3+4*cos(2*alpha)+cos(4*alpha)}{8};$$

Формулы понижения второй степени на самом деле дублируют формулы половинного угла.

Формулы понижения третей степени перестановкой слагаемых дублируют формулы тройного угла.

Преобразование суммы и разности тригонометрических функций:

$$sin(alpha)+sin(beta)=2*sinleft(frac{alpha+beta}{2}right)*cosleft(frac{alpha-beta}{2}right);$$
$$sin(alpha)-sin(beta)=2*sinleft(frac{alpha-beta}{2}right)*cosleft(frac{alpha+beta}{2}right);$$
$$cos(alpha)+cos(beta)=2*cosleft(frac{alpha+beta}{2}right)*cosleft(frac{alpha-beta}{2}right);$$
$$cos(alpha)-cos(beta)=-2*sinleft(frac{alpha+beta}{2}right)*sinleft(frac{alpha-beta}{2}right);$$
$$cos(alpha)-cos(beta)=2*sinleft(frac{alpha+beta}{2}right)*sinleft(frac{beta-alpha}{2}right);$$
$$tg(alpha)+tg(beta)=frac{sin(alpha+beta)}{cos(alpha)*cos(beta)};$$
$$tg(alpha)-tg(beta)=frac{sin(alpha-beta)}{cos(alpha)*cos(beta)};$$
$$ctg(alpha)+ctg(beta)=frac{sin(alpha+beta)}{sin(alpha)*sin(beta)};$$
$$ctg(alpha)-ctg(beta)=frac{sin(beta-alpha)}{sin(alpha)*sin(beta)};$$

Формулы для суммы и разности тригонометрических функций полезны, если необходимо превратить сумму двух функций в произведение. Они в основном используются в уравнениях и преобразованиях сложных выражений, когда необходимо слагаемые разложить на множители.

Для вывода формул суммы и разности синусов и косинусов нам понадобится пара трюков и формулы синуса и косинуса суммы и разности (тут можно запутаться, в названиях формул, будьте внимательны). Вывод получается не самый очевидный.

Обратите внимание, что любой угол (alpha) можно представить в таком странном виде:
$$alpha=frac{alpha}{2}+frac{alpha}{2}+frac{beta}{2}-frac{beta}{2}=frac{alpha+beta}{2}+frac{alpha-beta}{2};$$
Аналогично угол (beta):
$$beta=frac{alpha+beta}{2}-frac{alpha-beta}{2};$$
Эти странности нам понадобятся при выводе формул, просто обратите на них внимание.
А теперь перейдем непосредственно к выводу формулы суммы синусов двух углов. Для начала распишем угла (alpha) и (beta) по формулам выше:
$$sin(alpha)+sin(beta)=sin(frac{alpha+beta}{2}+frac{alpha-beta}{2})+sin(frac{alpha+beta}{2}-frac{alpha-beta}{2}); qquad (*)$$
Теперь воспользуемся формулами синуса суммы и синуса разности:

$$sin(gamma+sigma)=sin(gamma)*cos(sigma)+sin(sigma)*cos(gamma);$$
$$sin(gamma-sigma)=sin(gamma)*cos(sigma)-sin(sigma)*cos(gamma);$$

Только у нас под синусами будут стоять не (gamma) и (sigma), а целые выражения.
Пусть:
$$gamma=frac{alpha+beta}{2};$$
$$sigma=frac{alpha-beta}{2};$$
Применим формулы синуса суммы и разности в (*):
$$sin(alpha)+sin(beta)=sin(frac{alpha+beta}{2}+frac{alpha-beta}{2})+sin(frac{alpha+beta}{2}-frac{alpha-beta}{2})=$$
$$=left(sin(frac{alpha+beta}{2})*cos(frac{alpha-beta}{2})+sin(frac{alpha-beta}{2})*cos(frac{alpha+beta}{2})right)+$$
$$+left(sin(frac{alpha+beta}{2})*cos(frac{alpha-beta}{2})-sin(frac{alpha-beta}{2})*cos(frac{alpha+beta}{2})right)=$$
$$=2*sin(frac{alpha+beta}{2})*cos(frac{alpha-beta}{2}); $$
В самом конце мы просто раскрыли большие скобки и привели подобные слагаемые.

Аналогично выводятся все остальные формулы.

Пример 10
Вычислить (sin(165)+sin(75)=?)

(165^o) и (75^o) это не табличные углы. Значения синусов этих углов мы не знаем. Для решения этого примера воспользуемся формулой суммы синусов:
$$sin(alpha)+sin(beta)=2*sinleft(frac{alpha+beta}{2}right)*cosleft(frac{alpha-beta}{2}right);$$
$$sin(165^o)+sin(75^o)=2*sinleft(frac{165^o+75^o}{2}right)*cosleft(frac{165^o-75^o}{2}right)=$$
$$=2*sin(120^o)*cos(45^o)=2*frac{sqrt{3}}{2}*frac{sqrt{2}}{2}=frac{sqrt{6}}{2}.$$

Преобразование произведения тригонометрических функций

$$sin(alpha)*sin(beta)=frac{1}{2}*left(cos(alpha-beta)-cos(alpha+beta)right);$$
$$cos(alpha)*cos(beta)=frac{1}{2}*left(cos(alpha-beta)+cos(alpha+beta)right);$$
$$sin(alpha)*cos(beta)=frac{1}{2}*left(sin(alpha-beta)+sin(alpha+beta)right);$$

В некотором смысле формулы произведения синуса, косинуса, тангенса и котангенса являются обратными к тригонометрическим формулам суммы и разности тригонометрических функций. При помощи этих формул возможно перейти от произведения к сумме или разности.

Для вывода нам опять понадобятся формулы косинуса суммы и разности:
$$cos(alpha+beta)=cos(alpha)*cos(beta)-sin(beta)*sin(alpha);$$
$$cos(alpha-beta)=cos(alpha)*cos(beta)+sin(beta)*sin(alpha);$$

Сложим эти две формулы. Для этого складываем их левые части и приравниваем сумме правых частей:

$$cos(alpha+beta)+cos(alpha-beta)=cos(alpha)*cos(beta)-sin(beta)*sin(alpha)+cos(alpha)*cos(beta)+sin(beta)*sin(alpha);$$
Приводим подобные слагаемые:
$$cos(alpha+beta)+cos(alpha-beta)=2*cos(alpha)*cos(beta);$$
Отсюда получаем:
$$cos(alpha)*cos(beta)=frac{1}{2}*(cos(alpha+beta)+cos(alpha-beta));$$
Формула произведения косинусов доказана.

Произведение синусов доказывается похожим образом. Для этого домножим формулу косинуса суммы слева и справа на ((-1)):
$$-cos(alpha+beta)=-cos(alpha)*cos(beta)+sin(beta)*sin(alpha);$$
Косинус разности оставим без изменений:
$$cos(alpha-beta)=cos(alpha)*cos(beta)+sin(beta)*sin(alpha);$$
Сложим опять эти две формулы:
$$cos(alpha-beta)-cos(alpha+beta)=cos(alpha)*cos(beta)+sin(beta)*sin(alpha)-cos(alpha)*cos(beta)+sin(beta)*sin(alpha);$$
$$cos(alpha-beta)-cos(alpha+beta)=2*sin(beta)*sin(alpha);$$
$$sin(beta)*sin(alpha)=frac{1}{2}*(cos(alpha-beta)-cos(alpha+beta));$$
Произведение синусов тоже доказано.

Для того, чтобы вывести формулу произведения синуса и косинуса, нам понадобятся формулы синуса суммы и разности:
$$sin(alpha+beta)=sin(alpha)*cos(beta)+sin(beta)*cos(alpha);$$
$$sin(alpha-beta)=sin(alpha)*cos(beta)-sin(beta)*cos(alpha);$$
Сложим их:
$$sin(alpha+beta)+sin(alpha-beta)=sin(alpha)*cos(beta)+sin(beta)*cos(alpha)+sin(alpha)*cos(beta)-sin(beta)*cos(alpha);$$
$$sin(alpha+beta)+sin(alpha-beta)=2*sin(alpha)*cos(beta);$$
$$sin(alpha)*cos(beta)=frac{1}{2}*(sin(alpha+beta)+sin(alpha-beta));$$

Пример 11
Вычислить (sin(75^o)*cos(15^o)=?)

Воспользуемся формулой произведения синуса и косинуса:
$$sin(alpha)*cos(beta)=frac{1}{2}*(sin(alpha+beta)+sin(alpha-beta));$$
$$sin(75^o)*cos(15^o)=frac{1}{2}*(sin(75^o+15^o)+sin(75^o-15^o))=$$
$$=frac{1}{2}*(sin(90^o)+sin(60^o))=frac{1}{2}*(1+frac{sqrt{3}}{2})=frac{2+sqrt{3}}{4}.$$

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 2 февраля 2022 года; проверки требуют 16 правок.

Тригонометрические тождества — математические выражения для тригонометрических функций, которые выполняются при всех значениях аргумента (из общей области определения). В данной статье приведены только тождества с основными тригонометрическими функциями, но есть тождества и для редко используемых тригонометрических функций.

Пример шести тригонометрических функций угла θ = 0.7 радиан, построенный в единичной окружности. Величины, отмеченные 1, Sec(θ) и Csc(θ) равны длинам сегментов луча, исходящего из центра окружности. Величины Sin(θ), Tan(θ) и 1 равны высотам над осью

x, величины Cos(θ), 1 и Cot(θ) равны длинам сегментов оси

x от центра окружности.

Основные тригонометрические формулы[править | править код]

Формула Допустимые значения аргумента
1.1 operatorname {sin}^{2}alpha +operatorname {cos}^{2}alpha =1 forall alpha (то есть любое значение α)
1.2 operatorname {tg}^{2}alpha +1={frac  {1}{cos ^{2}alpha }}=operatorname {sec}^{2}alpha {displaystyle alpha neq {frac {pi }{2}}+pi n} при {displaystyle nin mathbb {Z} }
1.3 operatorname {ctg}^{2}alpha +1={frac  {1}{sin ^{2}alpha }}=operatorname {cosec}^{2}alpha {displaystyle alpha neq pi n,quad nin mathbb {Z} }
1.4 {displaystyle operatorname {tg} alpha cdot operatorname {ctg} alpha =1} {displaystyle alpha neq {frac {pi n}{2}},quad nin mathbb {Z} }

Формулы сложения и вычитания аргументов[править | править код]

Иллюстрация форм сложения и вычитания синусов и косинусов

Иллюстрация форм сложения тангенсов.

Формулы сложения и вычитания аргументов
2.1 sin left(alpha pm beta right)=sin alpha cos beta pm cos alpha sin beta
2.2 cos left(alpha pm beta right)=cos alpha cos beta mp sin alpha sin beta
2.3 operatorname {tg}left(alpha pm beta right)={frac  {operatorname {tg}alpha pm operatorname {tg}beta }{1mp operatorname {tg}alpha operatorname {tg}beta }}
2.4 operatorname {ctg}left(alpha pm beta right)={frac  {operatorname {ctg}alpha operatorname {ctg}beta mp 1}{operatorname {ctg}beta pm operatorname {ctg}alpha }}

Формула (2.3) получается при делении (2.1) на (2.2), а формула (2.4) — при делении (2.2) на (2.1).

Exclamation mark red.png Формула (2.3) верна при alpha , beta , {displaystyle alpha pm beta }, отличных от {displaystyle {pi  over 2}+pi n}, {displaystyle nin mathbb {Z} }.

Вывод формул для sin(alpha +beta ), cos(alpha +beta )

Рис 1. К доказательству вывода формулы

На Рис. 1 изображены четыре прямоугольных треугольника: ABC, ABD, AOC, BOD.

Принято, что {displaystyle AB=1,angle DAC=alpha ,angle DAB=beta ;}

По построению: {displaystyle angle ABC=90-alpha -beta ;angle ABD=90-beta ;}

Тогда: {displaystyle angle OBD=angle ABD-angle ABO=alpha ;}

Из треугольника ABD:

{displaystyle BD=sin beta ;AD=cos beta ;}

Из треугольника BOD:

{displaystyle OB={frac {BD}{cos alpha }}={frac {sin beta }{cos alpha }};}
{displaystyle OD=OBcdot sin alpha ={frac {sin alpha cdot sin beta }{cos alpha }}}

Так как O лежит на отрезке AD:

{displaystyle AO=AD-OD=cos beta -{frac {sin alpha cdot sin beta }{cos alpha }}={frac {cos alpha cdot cos beta -sin alpha cdot sin beta }{cos alpha }}}

Тогда сразу:

{displaystyle cos(alpha +beta )=AC=AOcdot cos alpha =cos alpha cdot cos beta -sin alpha cdot sin beta }

Из треугольника AOC:

{displaystyle OC=AOcdot sin alpha ={frac {sin alpha cdot (cos alpha cdot cos beta -sin alpha cdot sin beta )}{cos alpha }}}

Следовательно:

{displaystyle sin(alpha +beta )=BC=OB+OC={frac {sin beta }{cos alpha }}+{frac {sin alpha cdot (cos alpha cdot cos beta -sin alpha cdot sin beta )}{cos alpha }}=}
{displaystyle sin alpha cdot cos beta +{frac {sin beta cdot (1-sin ^{2}alpha )}{cos alpha }}=sin alpha cdot cos beta +cos alpha cdot sin beta }

Что и требовалось доказать[источник не указан 2613 дней].

Формулы двойного угла и половинного угла[править | править код]

Формулы двойного угла выводятся из формул (2.1)(2.4), если β приравнять α:

Формулы двойного угла
3.1 {displaystyle operatorname {sin} 2alpha =2{sin alpha } {cos alpha }={frac {2operatorname {tg} alpha }{1+operatorname {tg} ^{2}alpha }}}
3.2 operatorname {cos}2alpha ={cos ^{2}alpha }-{sin ^{2}alpha }
operatorname {cos}2alpha =2{cos ^{2}alpha }-1=1-2{sin ^{2}alpha }
3.3 operatorname {tg}2alpha ={frac  {2operatorname {tg}alpha }{1-operatorname {tg}^{2}alpha }}
3.4 operatorname {ctg}2alpha ={frac  {operatorname {ctg}^{2}alpha -1}{2operatorname {ctg}alpha }}

Из формулы двойного угла для косинуса (3.2) выводятся формулы половинного угла, в частности тангенса половинного угла:

Формулы половинного угла
3.5 {displaystyle sin {alpha  over 2}=pm {sqrt {1-cos alpha  over 2}}}
3.6 {displaystyle cos {alpha  over 2}=pm {sqrt {1+cos alpha  over 2}}}
3.7 {displaystyle operatorname {tg} {alpha  over 2}=pm {sqrt {1-cos alpha  over 1+cos alpha }}={sin alpha  over 1+cos alpha }={1-cos alpha  over sin alpha }={-1pm {sqrt {1+operatorname {tg} ^{2}alpha }} over operatorname {tg} alpha }}
3.8 {displaystyle operatorname {ctg} {alpha  over 2}=pm {sqrt {1+cos alpha  over 1-cos alpha }}={sin alpha  over 1-cos alpha }={1+cos alpha  over sin alpha }=operatorname {ctg} {alpha }pm {sqrt {1+operatorname {ctg} ^{2}alpha }}}

(!) В формулах половинного угла знаки перед радикалами следует брать в зависимости от знака тригонометрической функции, стоящей в левой части равенства.

Exclamation mark red.png В формуле {displaystyle operatorname {tg} {alpha  over 2}={1-cos alpha  over sin alpha }} и аналогичной для котангенса, левая и правая части имеют разные области определения и, следовательно, их неосторожное использование может приводить к приобретению корней!

Формулы тройного угла[править | править код]

Формулы тройного угла выводятся из формул (2.1)(2.4), если β приравнять 2α:

Формулы тройного угла
4.1 {displaystyle sin 3alpha =3sin alpha -4sin ^{3}alpha }
4.2 {displaystyle cos 3alpha =4cos ^{3}alpha -3cos alpha }
4.3 operatorname {tg}3alpha ={frac  {3operatorname {tg}alpha -operatorname {tg}^{3}alpha }{1-3operatorname {tg}^{2}alpha }}
4.4 operatorname {ctg}3alpha ={frac  {3operatorname {ctg}alpha -operatorname {ctg}^{3}alpha }{1-3operatorname {ctg}^{2}alpha }}

Примечания

для формулы operatorname {tg}3alpha : alpha not ={frac  {pi }6}+{frac  {pi }3}n,nin {mathbb  Z}
для формулы operatorname {ctg}3alpha : alpha not ={frac  {pi }3}n+pi n,nin {mathbb  Z};

Формулы понижения степени[править | править код]

Формулы понижения степени выводятся из формул (3.2):

Синус Косинус
5.1 sin ^{2}alpha ={frac  {1-cos 2alpha }{2}} 5.5 cos ^{2}alpha ={frac  {1+cos 2alpha }{2}}
5.2 sin ^{3}alpha ={frac  {3sin alpha -sin 3alpha }{4}} 5.6 cos ^{3}alpha ={frac  {3cos alpha +cos 3alpha }{4}}
5.3 sin ^{4}alpha ={frac  {3-4cos 2alpha +cos 4alpha }{8}} 5.7 cos ^{4}alpha ={frac  {3+4cos 2alpha +cos 4alpha }{8}}
5.4 sin ^{5}alpha ={frac  {10sin alpha -5sin 3alpha +sin 5alpha }{16}} 5.8 cos ^{5}alpha ={frac  {10cos alpha +5cos 3alpha +cos 5alpha }{16}}
Произведение
5.9 sin ^{2}alpha cos ^{2}alpha ={frac  {1-cos 4alpha }{8}}
5.10 sin ^{3}alpha cos ^{3}alpha ={frac  {3sin 2alpha -sin 6alpha }{32}}
5.11 sin ^{4}alpha cos ^{4}alpha ={frac  {3-4cos 4alpha +cos 8alpha }{128}}
5.12 sin ^{5}alpha cos ^{5}alpha ={frac  {10sin 2alpha -5sin 6alpha +sin 10alpha }{512}}

Формулы преобразования произведения функций[править | править код]

Формулы преобразования произведений функций
6.1 sin alpha sin beta ={frac  {cos(alpha -beta )-cos(alpha +beta )}{2}}
6.2 sin alpha cos beta ={frac  {sin(alpha -beta )+sin(alpha +beta )}{2}}
6.3 cos alpha cos beta ={frac  {cos(alpha -beta )+cos(alpha +beta )}{2}}

Вывод формул преобразования произведений функций

Формулы преобразования произведения функций выводятся из формул сложения аргументов (2.1) и (2.2).
Например, из формулы (2.1) следует:

sin(alpha +beta )+sin(alpha -beta )=sin alpha cos beta +cos alpha sin beta +sin alpha cos beta -cos alpha sin beta =
=2sin alpha cos beta .

То есть:

sin alpha cos beta ={frac  {sin(alpha +beta )+sin(alpha -beta )}{2}}    — формула (6.2).

Остальные формулы преобразования произведений функций выводятся аналогично.

Формулы преобразования суммы функций[править | править код]

Формулы преобразования суммы функций
7.1 sin alpha pm sin beta =2sin {frac  {alpha pm beta }{2}}cos {frac  {alpha mp beta }{2}}
7.2 cos alpha +cos beta =2cos {frac  {alpha +beta }{2}}cos {frac  {alpha -beta }{2}}
7.3 cos alpha -cos beta =-2sin {frac  {alpha +beta }{2}}sin {frac  {alpha -beta }{2}}
7.4 operatorname {tg}alpha pm operatorname {tg}beta ={frac  {sin(alpha pm beta )}{cos alpha cos beta }}
7.5 operatorname {ctg}alpha pm operatorname {ctg}beta ={frac  {sin(beta pm alpha )}{sin alpha sin beta }}

Вывод формул преобразования суммы функций

Формулы преобразования суммы функций выводятся из формул преобразования произведений функций (6.1)—(6.3) с помощью подстановки:

alpha ={frac  {alpha '+beta '}{2}}

и

beta ={frac  {alpha '-beta '}{2}}.

Подставим эти выражения в формулу (6.1):

sin {frac  {alpha '+beta '}{2}}sin {frac  {alpha '-beta '}{2}}={frac  {cos beta '-cos alpha '}{2}}, то есть
cos alpha '-cos beta '=-2sin {frac  {alpha '+beta '}{2}}sin {frac  {alpha '-beta '}{2}}    — опуская штрихи, получаем формулу (7.3).

Остальные формулы преобразования суммы синуса и косинуса выводятся аналогично.
Из формулы (2.3) следует:

operatorname {tg}alpha +operatorname {tg}beta =operatorname {tg}(alpha +beta )(1-operatorname {tg}(alpha )operatorname {tg}(beta ))=
={frac  {sin(alpha +beta )}{cos(alpha +beta )}}cdot {frac  {cos alpha cos beta -sin alpha sin beta }{cos alpha cos beta }}
={frac  {sin(alpha +beta )}{cos(alpha +beta )}}cdot {frac  {cos(alpha +beta )}{cos alpha cos beta }}, то есть
operatorname {tg}alpha pm operatorname {tg}beta ={frac  {sin(alpha pm beta )}{cos alpha cos beta }}qquad qquad   — формула (7.4).

Преобразование суммы синусов 3-x разных углов в произведение при {displaystyle alpha +beta +gamma =360^{circ }colon }

{displaystyle sin alpha +sin beta +sin gamma =4sin {frac {alpha }{2}}sin {frac {beta }{2}}sin {frac {gamma }{2}}} (7.6).

Решение простых тригонометрических уравнений[править | править код]

  • sin x=a.
Если |a|>1 — вещественных решений нет.
Если |a|leqslant 1 — решением является число вида {displaystyle x=(-1)^{n}arcsin a+pi n,} где {displaystyle nin mathbb {Z} .}
  • cos x=a.
Если |a|>1 — вещественных решений нет.
Если |a|leqslant 1 — решением является число вида {displaystyle x=pm arccos a+2pi n,~nin mathbb {Z} .}
  • operatorname {tg} ,x=a.
Решением является число вида {displaystyle x={text{arctg}}~a+pi n,~nin mathbb {Z} .}
  • operatorname {ctg} ,x=a.
Решением является число вида {displaystyle x={text{arcctg}}~a+pi n,~nin mathbb {Z} .}

Универсальная тригонометрическая подстановка[править | править код]

Нижеприведённые тождества имеют смысл, только когда тангенс имеет смысл (то есть при {displaystyle alpha neq pi +2pi n}).

Аналогичные соотношения имеют место и для котангенса ({displaystyle alpha neq 2pi n}):

Вспомогательный аргумент (формулы сложения гармонических колебаний)[править | править код]

Сумма двух гармонических колебаний с одинаковой частотой будет вновь гармоническим колебанием. В частности,

{displaystyle asin x+bcos x={sqrt {a^{2}+b^{2}}}sin(x+varphi ),}

где {displaystyle a,bin mathbb {R} ,} a и b не равны нулю одновременно, varphi — это угол, называемый вспомогательным аргументом, который может быть найден из системы уравнений:

{displaystyle left{{begin{matrix}sin varphi ={dfrac {b}{sqrt {a^{2}+b^{2}}}},\cos varphi ={dfrac {a}{sqrt {a^{2}+b^{2}}}}.end{matrix}}right.}

Примечание. Из вышеприведённой системы при {displaystyle aneq 0} следует, что {displaystyle mathrm {tg} ,varphi ,=,{tfrac {b}{a}}}, однако нельзя всегда считать, что {displaystyle varphi ={text{arctg}}~{tfrac {b}{a}}}, так как арктангенс определяет угол от -pi /2 до pi/2, а угол может быть, вообще говоря, любым. Нужно учитывать знаки a и b, чтобы определить, к какой четверти принадлежит угол varphi , в результате чего добавлять или убавлять pi при необходимости.

Представление тригонометрических функций в комплексной форме[править | править код]

Формула Эйлера утверждает, что для любого вещественного числа x выполнено следующее равенство:

{displaystyle e^{ix}=cos x+isin x,}

где e — основание натурального логарифма,

i — мнимая единица.

При помощи формулы Эйлера можно определить функции sin x и cos x следующим образом:

sin x={frac  {e^{{ix}}-e^{{-ix}}}{2i}},qquad qquad cos x={frac  {e^{{ix}}+e^{{-ix}}}{2}}.

Отсюда следует, что

{displaystyle operatorname {tg} ,x=-i{frac {e^{ix}-e^{-ix}}{e^{ix}+e^{-ix}}},qquad qquad operatorname {ctg} ,x=i{frac {e^{ix}+e^{-ix}}{e^{ix}-e^{-ix}}},}
sec x={frac  {2}{e^{{ix}}+e^{{-ix}}}},qquad qquad operatorname {cosec},x={frac  {2i}{e^{{ix}}-e^{{-ix}}}}.

Все эти тождества аналитически обобщаются на любые комплексные значения.

См. также[править | править код]

  • Гиперболические функции
  • Интегральный синус
  • Интегральный косинус
  • Комплексные числа
  • Многочлены Чебышёва
  • Обратные тригонометрические функции
  • Редко используемые тригонометрические функции
  • Решение треугольников
  • Синус-верзус
  • Сферическая тригонометрия
  • Треугольник § Тригонометрические тождества только с углами
  • Тригонометрические функции
  • Тригонометрические функции от матрицы
  • Тригонометрический ряд Фурье
  • Функция Гудермана
  • Четырёхзначные математические таблицы (Таблицы Брадиса)
  • Эллиптические функции

Добавить комментарий