4.2 Trigonometrische Funktionen
Aus Online Mathematik Brückenkurs 1
Innehåll:
- De trigonometriska funktionerna cosinus, sinus och tangens.
Lärandemål:
Efter detta avsnitt ska du ha lärt dig att:
- Känna till begreppen spetsig, trubbig och rät vinkel.
- Förstå definitionen av cosinus, sinus och tangens i enhetscirkeln.
- Utantill kunna värdena på cosinus, sinus och tangens för standardvinklarna \displaystyle 0, \displaystyle \pi/6 , \displaystyle \pi/4 , \displaystyle \pi/3 och \displaystyle \pi/2.
- Bestämma värdena på cosinus, sinus och tangens för argument som kan reduceras till standardvinklarna i någon kvadrant av enhetscirkeln.
- Skissera graferna till cosinus, sinus och tangens.
- Lösa trigonometriska problem som involverar rätvinkliga trianglar.
Trigonometri i rätvinkliga trianglar
I den rätvinkliga triangeln nedan kallas kvoten mellan den motstående kateten \displaystyle a och den närliggande kateten \displaystyle b för tangens av vinkeln \displaystyle u och betecknas \displaystyle \tan u.
|
4.2 - Figur - Rätvinklig triangel med vinkeln u och kateterna a och b |
\displaystyle \tan u = \displaystyle \frac{a}{b} |
Värdet på kvoten \displaystyle \frac{a}{b} är inte beroende av storleken på triangeln utan bara på vinkeln \displaystyle u. För olika värden på vinkeln kan man få fram motsvarande tangensvärde antingen i en trigonometrisk tabell eller genom att använda en miniräknare (knappen heter ofta tan).
Exempel 1
Hur hög är flaggstången?
Flaggstången och dess skugga bildar tillsammans en rätvinklig triangel där den vertikala kateten är okänd (markerad med \displaystyle x nedan).
Från definitionen av tangens har vi att Vorlage:Fristående formel
och eftersom \displaystyle \tan 40^\circ \approx 0{,}84 så är Vorlage:Fristående formel
Exempel 2
Bestäm längden av sidan markerad med \displaystyle x i figuren.
Om vi kallar vinkeln längst till vänster för \displaystyle u så finns det två sätt att ställa upp ett uttryck för \displaystyle \tan u.
|
4.2 - Figur - Dubbeltriangel med den lilla triangeln framhävd |
\displaystyle \tan u = \displaystyle \frac{22}{40} |
|
4.2 - Figur - Dubbeltriangel med den stora triangeln framhävd |
\displaystyle \tan u = \dfrac{x}{60} |
Sätter vi de två uttrycken för \displaystyle \tan u lika fås Vorlage:Fristående formel
vilket ger att \displaystyle x=60 \cdot \displaystyle \frac{22}{40} = 33.
Det finns två andra kvoter i rätvinkliga trianglar som har speciella namn och det är \displaystyle \cos u = b/c ("cosinus av \displaystyle u") och \displaystyle \sin u = a/c ("sinus av \displaystyle u").
|
4.2 - Figur - Rätvinklig triangel med vinkeln u och sidorna a, b och c |
\displaystyle \begin{align*} \cos u &= \frac{b}{c}\\[8pt] \sin u &= \frac{a}{c} \end{align*} |
Precis som för tangens är kvoterna som definierar cosinus och sinus inte beroende av triangelns storlek utan bara på vinkeln \displaystyle u.
Exempel 3
|
|
4.2 - Figur - Rätvinklig triangel med vinkeln u och sidor 3, 4 och 5 |
I triangeln till vänster är Vorlage:Fristående formel |
|
|
4.2 - Figur - Rätvinklig triangel med vinkeln 38° och sidor x och 5 |
Definitionen av sinus ger att Vorlage:Fristående formel och vet vi att \displaystyle \sin 38^\circ \approx 0{,}616 så får vi att Vorlage:Fristående formel |
|
|
4.2 - Figur - Rätvinklig triangel med vinkeln 34° och sidor 3 och x |
Cosinus är kvoten mellan den närliggande kateten och hypotenusan Vorlage:Fristående formel Alltså är Vorlage:Fristående formel |
Exempel 4
Bestäm \displaystyle \sin u i triangeln
Med hjälp av Pythagoras sats kan kateten till höger bestämmas
|
4.2 - Figur - Rätvinklig triangel med vinkel u och sidor ½, x och 1 |
\displaystyle 1^2= \bigl( \tfrac{1}{2} \bigr)^2 + x^2 \quad\Leftrightarrow\quad x = \frac{\sqrt{3}}{2} |
och därför är \displaystyle \sin u = \frac{\sqrt{3}/2}{1} = \frac{\sqrt{3}}{2}.
Några standardvinklar
För vissa vinklar 30°, 45° och 60° går det relativt enkelt att räkna ut exakta värden på de trigonometriska funktionerna.
Exempel 5
Vi utgår från en kvadrat med sidlängd 1. En diagonal i kvadraten delar de räta vinklarna i motsatta hörn i två lika delar 45°.
Med Pythagoras sats kan vi bestämma diagonalens längd \displaystyle x, Vorlage:Fristående formel
I triangeln som har diagonalen som hypotenusa får vi fram värdet på de trigonometriska funktionerna för vinkeln \displaystyle 45^\circ.
|
4.2 - Figur - Enhetskvadrat vars halva är en rätvinklig triangel |
\displaystyle \begin{align*} \cos 45^\circ &= \frac{1}{\sqrt{2}}\\[8pt] \sin 45^\circ &= \frac{1}{\sqrt{2}}\\[8pt] \tan 45^\circ &= \frac{1}{1}= 1\\ \end{align*} |
Exempel 6
Betrakta en liksidig triangel där alla sidor har längd 1. Vinklarna i triangeln är alla 60°. Triangeln kan delas upp i två halvor av linjen som delar toppvinkeln mitt itu.
Pythagoras sats ger att den vertikala sidan av en triangelhalva är \displaystyle x=\sqrt{3}/2. Från en triangelhalva får vi att
|
\displaystyle \begin{align*} \cos 30^\circ &= \frac{\sqrt{3}/2}{1} = \frac{\sqrt{3}}{2}\,;\\[8pt] \sin 30^\circ &= \frac{1/2}{1} = \frac{1}{2}\,;\\[8pt] \tan 30^\circ &= \frac{1/2}{\sqrt{3}/2} = \frac{1}{\sqrt{3}}\,;\\ \end{align*} \qquad\quad \begin{align*} \cos 60^\circ &= \frac{1/2}{1} = \frac{1}{2}\\[8pt] \sin 60^\circ &= \frac{\sqrt{3}/2}{1} = \frac{\sqrt{3}}{2}\\[8pt] \tan 60^\circ &= \frac{\sqrt{3}/2}{1/2}=\sqrt{3}\\ \end{align*} |
Trigonometriska funktioner för allmänna vinklar
För vinklar som är mindre än 0° eller större än 90° definieras de trigonometriska funktionerna med hjälp av enhetscirkeln (cirkeln som har medelpunkt i origo och radie 1).
|
De trigonometriska funktionerna \displaystyle \cos u och \displaystyle \sin u är x- respektive y-koordinaterna för skärningspunkten mellan enhetscirkeln och det radiella linjesegmentet som bildar vinkeln \displaystyle u med den positiva x-axeln. |
4.2 - Figur - Enhetscirkeln med vinkeln u och punkten (cos u, sin u) |
Tangensfunktionen definieras som
och tangensvärdet kan tolkas som riktningskoefficienten för det radiella linjesegmentet.
Exempel 7
Från figurerna nedan avläser vi värdena på cosinus och sinus.
|
|
4.2 - Figur - Enhetscirkeln med vinkeln 104° och punkten (-0,24; 0,97) |
\displaystyle \begin{align*} \cos 104^\circ &\approx -0{,}24\\[8pt] \sin 104^\circ &\approx 0{,}97\\[8pt] \tan 104^\circ &\approx \dfrac{0{,}97}{-0{,}24} \approx -4{,}0\\ \end{align*} | |
|
|
4.2 - Figur - Enhetscirkeln med vinkeln 201° och punkten (-0,93; -0,36) |
\displaystyle \begin{align*} \cos 201^\circ &\approx -0{,}93\\[8pt] \sin 201^\circ &\approx -0{,}36\\[8pt] \tan 201^\circ &\approx \dfrac{-0{,}36}{-0{,}93} \approx 0{,}4\\ \end{align*} |
Exempel 8
Vilket tecken har
|
4.2 - Figur - Enhetscirkeln med vinkeln 209° och linjen x = cos 209° |
|
4.2 - Figur - Enhetscirkeln med vinkeln 133° och linjen y = sin 133° |
|
4.2 - Figur - Enhetscirkeln med vinkeln -40° och linjen med riktningskoefficient tan -40° |
Exempel 9
Bestäm \displaystyle \,\sin\frac{2\pi}{3}.
Omskrivningen
Vorlage:Fristående formel
visar att vinkeln \displaystyle 2\pi/3 hamnar i enhetscirkelns andra kvadrant och bildar vinkeln \displaystyle \pi/6 med den positiva y-axeln. Om vi ritar in en hjälptriangel som i figuren nedan till höger så ser vi att \displaystyle 2\pi/3-punkten på enhetscirkeln har en y-koordinat som är lika med den närliggande kateten \displaystyle \cos \frac{\pi}{6} = \sqrt{3}/2. Alltså är Vorlage:Fristående formel
De trigonometriska funktionernas grafer
I förra avsnittet använde vi enhetscirkeln för att definiera cosinus och sinus för godtyckliga vinklar och vi kommer använda enhetscirkeln ofta framöver för att t.ex. härleda trigonometriska samband och lösa trigonometriska ekvationer. Det finns dock vissa egenskaper hos de trigonometriska funktionerna som bättre illustreras genom att rita upp deras funktionsgrafer.
I graferna kan vi observera flera saker kanske tydligare än i enhetscirkeln. Några exempel är
- Kurvorna för cosinus och sinus upprepar sig efter en vinkeländring på \displaystyle 2\pi, dvs. det gäller att \displaystyle \cos (x+2\pi) = \cos x och \displaystyle \sin (x+2\pi) = \sin x. I enhetscirkeln motsvarar \displaystyle 2\pi ett varv och efter ett helt varv återkommer vinklar till samma läge på enhetscirkeln och har därför samma koordinater.
- Kurvan för tangens upprepar sig redan efter en vinkeländring på \displaystyle \pi, dvs. \displaystyle \tan (x+\pi) = \tan x. Två vinklar som skiljer sig åt med \displaystyle \pi ligger på samma linje genom origo i enhetscirkeln och deras vinkellinjer har därför samma riktningskoefficient.
- Förutom en fasförskjutning på \displaystyle \pi/2 är kurvorna för cosinus och sinus identiska, dvs. \displaystyle \cos x = \sin (x+ \pi/2); mer om detta i nästa kapitel.
Graferna kan också vara viktiga när man undersöker trigonometriska ekvationer. Med en enkel skiss kan man ofta få en uppfattning om hur många lösningar en ekvation har, och var lösningarna finns.
Exempel 10
Hur många lösningar har ekvationen \displaystyle \cos x = x^2? (där \displaystyle x mäts i radianer)
Genom att rita upp graferna \displaystyle y=\cos x och \displaystyle y=x^2 ser vi att kurvorna skär varandra i två punkter. Det finns alltså två x-värden för vilka motsvarande y-värden är lika. Med andra ord har ekvationen två lösningar.
Råd för inläsning
Grund- och slutprov
Efter att du har läst texten och arbetat med övningarna ska du göra grund- och slutprovet för att bli godkänd på detta avsnitt. Du hittar länken till proven i din student lounge.
Tänk på att:
Har du läst trigonometri, så ska du inte vara rädd för att använda den i geometriska problem. Det ger ofta en enklare lösning.
Du kan behöva lägga ner mycket tid på att förstå hur man använder enhetscirkeln för att definiera de trigonometriska funktionerna.
Ta för vana att räkna med exakta trigonometriska värden. Det ger en bra träning på bråkräkning och så småningom i räkning med algebraiska rationella uttryck.
Lästips
för dig som vill fördjupa dig ytterligare eller behöver en längre förklaring vill vi tipsa om:
Läs mer om Trigonometri i Per Edströms "Interaktiv Matematik"
Läs mer om trigonometri på engelska Wikipedia
Läs mer om enhetscirkeln på engelska Wikipedia
Länktips
