4.3 Trigonometrische Eigenschaften

Aus Online Mathematik Brückenkurs 1

Version vom 13:43, 18. Jun. 2009

Einführung

Es gibt viele trigonometrische Formeln, um verschiedene trigonometrische Ausdrücke umzuwandeln. Diese Formeln nennt man meist die trigonometrischen Identitäten. Wir werden hier einige trigonometrische Identitäten zeigen, aber es gibt noch viele mehr. Die meisten können durch die Doppelwinkelfunktionen und durch den trigonometrischen Pythagoras hergeleitet werden, die deshalb zentrale Identitäten sind.

Der trigonometrische Pythagoras

Symmetrien

Mit Spiegelungen im Einheitskreis kann man viele Symmetrien der trigonometrischen Funktionen zeigen.

 \begin{align*}
   \cos (-v) &= \cos v\vphantom{\Bigl(}\\
   \sin (-v) &= - \sin v\vphantom{\Bigl(}\\
   \cos (\pi-v) &= - \cos v\vphantom{\Bigl(}\\
   \sin (\pi-v) &= \sin v\vphantom{\Bigl(}\\
 \end{align*}
 \qquad\quad
 \begin{align*}
   \cos \Bigl(\displaystyle \frac{\pi}{2} -v \Bigr) &= \sin v\\
   \sin \Bigl(\displaystyle \frac{\pi}{2} -v \Bigr) &= \cos v\\
   \cos \Bigl(v + \displaystyle \frac{\pi}{2} \Bigr) &= - \sin v\\
   \sin \Bigl( v + \displaystyle \frac{\pi}{2} \Bigr) &= \cos v\\
 \end{align*}

Wie gesagt kann man diese Symmetrien einfach mit dem Einheitskreis herleiten.

Spiegelung in der x-Achse

   \cos(-v) &= \cos v\,\mbox{,}\\
   \sin (-v) &= - \sin v\,\mbox{.}\\
 \end{align*}

Spiegelung in der y-Achse

   \cos(\pi-v) &= -\cos v\,\mbox{,}\\
   \sin (\pi-v) &= \sin v\,\mbox{.}\\
 \end{align*}

Spiegelung in der Geraden y = x

   \cos \Bigl(\frac{\pi}{2} - v \Bigr) &= \sin v\,\mbox{.}\\
   \sin \Bigl(\frac{\pi}{2} - v \Bigr) &= \cos v\,\mbox{.}\\
 \end{align*}

Drehung um den Winkel \displaystyle \mathbf{\pi/2}

   \cos \Bigl(v+\frac{\pi}{2}\Bigr) &= -\sin v\,\mbox{,}\\
   \sin \Bigl(v+\frac{\pi}{2} \Bigr) &= \cos v\,\mbox{.}
 \end{align*}

Die Additionstheoreme, die Doppelwinkelfunktionen und die Halbwinkelformeln

Oft kommen Ausdrücke mit Summen von Winkeln vor, sowie \displaystyle \sin(u+v). Sehr hilfreich sind bei solchen Ausdrücken die Additionstheoreme. Für Sinus und Kosinus lauten die Additionstheoreme

   \sin(u + v) &= \sin u\,\cos v + \cos u\,\sin v\,\mbox{,}\\
   \sin(u – v) &= \sin u\,\cos v – \cos u\,\sin v\,\mbox{,}\\
   \cos(u + v) &= \cos u\,\cos v – \sin u\,\sin v\,\mbox{,}\\
   \cos(u – v) &= \cos u\,\cos v + \sin u\,\sin v\,\mbox{.}\\
 \end{align*}

Um die Doppelwinkelfunktionen \displaystyle \sin 2v und \displaystyle \cos 2v zu erhalten, kann man die Sonderfälle \displaystyle \sin(v + v) und \displaystyle \cos(v + v) der Additionstheoreme betrachten

   \sin 2v &= 2 \sin v \cos v\,\mbox{,}\\
   \cos 2v &= \cos^2\!v – \sin^2\!v \,\mbox{.}\\
 \end{align*}

Indem man in diese Formel \displaystyle 2v mit \displaystyle v ersetzt und natürlich auch \displaystyle v mit \displaystyle v/2, erhält man für \displaystyle \cos 2v

 \cos v = \cos^2\!\frac{v}{2} – \sin^2\!\frac{v}{2}\,\mbox{.}

Durch den trigonometrischen Pythagoras werden wir den Term \displaystyle \cos^2(v/2) los

 \cos v = 1 – \sin^2\!\frac{v}{2} – \sin^2\!\frac{v}{2}
        = 1 – 2\sin^2\!\frac{v}{2}

also

 \sin^2\!\frac{v}{2} = \frac{1 – \cos v}{2}\,\mbox{.}

Man kann natürlich auch den trigonometrischen Pythagoras verwenden, um den Term \displaystyle \sin^2(v/2) loszuwerden. So erhalten wir statt dessen

 \cos^2\!\frac{v}{2} = \frac{1 + \cos v}{2}\,\mbox{.}

Übungen