Классы
Предметы

Тригонометрия

Вступление

На этом уроке мы поговорим, как возникает необходимость во введении тригонометрических функций и почему их изучают, что нужно понимать в этой теме, а где просто необходимо набить руку (что является техникой). Заметим, что техника и понимание – это разные вещи. Согласитесь, есть разница: научиться кататься на велосипеде, то есть понимать, как это делать, или стать профессиональным велогонщиком. Мы будем говорить именно о понимании, о том, зачем нужны тригонометрические функции.

Тригонометрические функции

Существует четыре тригонометрические функции, но их все можно выразить через одну используя тождества (равенства, которые их связывают).

Формальные определения тригонометрических функций для острых углов в прямоугольных треугольниках (Рис. 1).

Синусом острого угла прямоугольного треугольника называют отношение противолежащего катета к гипотенузе.

Косинусом острого угла прямоугольного треугольника называют отношение прилежащего  катета к гипотенузе.

Тангенсом острого угла прямоугольного треугольника называют отношение противоположного катета к прилежащему катету.

Котангенсом острого угла прямоугольного треугольника называют отношение прилежащего катета к противолежащему катету.

Рис. 1. Определение тригонометрических функций острого угла прямоугольного треугольника

Эти определения являются формальными. Правильнее сказать, что существует только одна функция, например, синус. Если бы они не были так нужны (не так часто использовались) в технике, не вводили бы и столько разных тригонометрических функций.

Например, косинус угла равен синусу этого же угла с добавлением  (). Кроме того, косинус угла всегда можно выразить через синус этого же угла с точностью до знака, используя основное тригонометрическое тождество (). Тангенс угла – это отношение синуса к косинусу или перевёрнутый котангенс (Рис. 2). Некоторые не используют котангенс вообще, заменяя его на . Поэтому важно понимать и уметь работать с одной тригонометрической функцией.

Рис. 2. Связь различных тригонометрических функций

Но зачем вообще понадобились такие функции? Для решения каких практических задач их используют? Давайте рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. Выталкивание машины

Два человека (А и В) выталкивают машину из лужи (Рис. 3). Человек В может толкать машину вбок, при этом он вряд ли поможет А. С другой стороны, направление его усилий может постепенно сдвигаться (Рис. 4).

Рис. 3. В толкает машину вбок

Рис. 4. В начинает менять направление своих усилий

Ясно, что наиболее эффективно их усилия сложатся тогда, когда они будут толкать машину в одну сторону (Рис. 5).

Рис. 5. Наиболее эффективное совместное направление усилий

То, насколько В помогает выталкиванию машины, насколько направление его силы близко к направлению силы, с которой действует А, является функцией угла и выражается через его косинус (Рис. 6).

Рис. 6. Косинус, как характеристика эффективности усилий В

Если умножить величину силы, с которой действует В, на косинус угла, получим проекцию его силы на направление силы, с которой действует А. Чем ближе угол между направлениями сил к , тем эффективнее будет результат совместных действий А и В (Рис. 7). Если они будут толкать машину с одинаковой силой в противоположных направлениях, то машина останется на месте (Рис. 8).

Рис. 7. Эффективность совместных усилий А и В

Рис. 8. Противоположное направление действия сил А и В

Важно понимать, почему мы можем заменить угол (его вклад в конечный результат) на косинус (или другую тригонометрическую функцию угла). На самом деле это следует из такого свойства подобных треугольников. Так как фактически мы говорим следующее: угол можно заменить на отношение двух чисел (катет-гипотенуза или катет-катет). Это было бы невозможно, если бы, например, для одного и того же угла разных прямоугольных треугольников эти отношения были бы разные (Рис. 9).

 Рис. 9. Равные отношения сторон в подобных треугольниках

Например, если бы отношение  и отношение  было бы разным, то мы бы не смогли ввести функцию тангенса, так как для одного и того же угла в разных прямоугольных треугольниках тангенс оказался бы разным. Но благодаря тому, что отношения длин катетов подобных прямоугольных треугольников одинаковы, значение функции не будет зависеть от треугольника, а значит, острый угол и значения его тригонометрических функций взаимно однозначны.

Пример 2. Определение высоты дома

Предположим, мы знаем высоту некоего дерева (Рис. 10). Как измерить высоту здания, расположенного рядом?

Рис. 10. Иллюстрация условия примера 2

Находим точку , такую, что линия, проведённая через эту точку и вершину дома, пройдёт через вершину дерева (Рис. 11).

Рис. 11. Иллюстрация решения задачи примера 2

Мы можем измерить расстояние от этой точки до дерева, расстояние от неё до дома и знаем высоту дерева. Из пропорции можно найти высоту дома: .

Пропорция – это равенство отношения двух чисел. В данном случае равенство отношения длин катетов подобных прямоугольных треугольников. Причём эти отношения равны некоторой мере угла, которая выражается через тригонометрическую функцию (по определению, это тангенс). Получаем, что для каждого острого угла значение его тригонометрической функции однозначно. То есть синус, косинус, тангенс, котангенс – это действительно функции, так как каждому острому углу соответствует ровно одно значение каждой из них. Следовательно, их можно дальше исследовать и пользоваться их свойствами. Значения тригонометрических функций для всех углов уже вычислены, ими можно пользоваться (их можно узнать из таблиц Брадиса или с помощью любого инженерного калькулятора). А вот решить обратную задачу (например, по значению синуса восстановить меру угла, который ему соответствует) мы можем не всегда.

Многозначность обратных тригонометрических функций

Пусть синус некоторого угла равен  или приблизительно  (Рис. 12). Какой угол будет соответствовать данному значению синуса? Конечно, мы может опять воспользоваться таблицей Брадиса и найти какое-то значение, но оказывается, что оно не будет единственным (Рис. 13).

Рис. 12. Нахождение угла по значению его синуса

Рис. 13. Многозначность обратных тригонометрических функций

Следовательно, при восстановлении по значению тригонометрической функции угла, возникает многозначность обратных тригонометрических функций. Это может показаться сложным, но на самом деле мы сталкиваемся с похожими ситуациями каждый день.

Пример 3. Определение времени по часам

Если зашторить окна и не знать, светло или темно на улице, или же оказаться в пещере, то, проснувшись, трудно сказать, сейчас час дня, ночи или же следующего дня (Рис. 14). На самом деле, если спросить у нас «Который час?», мы должны честно ответить: «Час плюс  умножить на , где »

Рис. 14. Иллюстрация многозначности на примере с часами

Можно сделать вывод, что  – это период (промежуток, через который часы будут показывать то же время, что и сейчас). Периоды есть и у тригонометрических функций: синуса, косинуса и т.д. То есть их значения через некоторое изменение аргумента повторяются.

Если бы на планете не было смены дня и ночи или смены сезонов, то мы не могли бы пользоваться периодическим временем. Ведь у нас только нумерация лет идёт по возрастающей, а в сутках  часа, и каждые новые сутки счёт начинается заново. С месяцами та же ситуация: если сейчас январь, то через  месяцев опять наступит январь и т.д. Использовать периодический счёт времени ( часа,  месяцев) нам помогают внешние ориентиры – например, вращение Земли вокруг своей оси и изменение положения Солнца и Луны на небе. Если бы Солнце всегда висело в одном и том же положении, то для подсчёта времени нам бы считать количество секунд (минут) с момента возникновения этого самого подсчёта. Дата и время могли бы тогда звучать так: миллиард секунд.

Вывод: никаких сложностей в плане многозначности обратных функций нет. Действительно могут быть варианты, когда для одного и того же синуса существуют разные значения угла (Рис. 15).

Рис. 15. Восстановление угла по значению его синуса

Обычно при решении практических задач мы всегда работаем в стандартном диапазоне от  до . В этом диапазоне для каждого значения тригонометрической функции есть всего два соответствующих значения меры угла.

Пример 4. Маятник с песком

Рассмотрим движущуюся ленту и маятник в виде ведра с отверстием, из которого высыпается песок. Маятник качается, лента движется (Рис. 16). В результате песок оставит след в виде графика функции синус (или косинус), который называют синусоида.

На самом деле графики синуса и косинуса отличаются друг от друга только точкой отсчёта (если нарисовать один из них, а затем стереть оси координат, то определить, какой именно график был нарисован, не получится). Поэтому называть график косинусоида нет смысла (зачем придумывать отдельное название для того же самого графика)?

Рис. 16. Иллюстрация постановки задачи в примере 4

По графику функции также можно понять, почему обратные функции будут иметь много значений. Если значение синуса зафиксировать, т.е. провести прямую параллельно оси абсцисс, то на пересечении получим все точки, в которых синус угла равен данному. Понятно, что таких точек будет бесконечно много. Как в примере с часами, где было значение времени отличалось на , только здесь значение угла будет отличаться на величину  (Рис. 17).

Рис. 17. Иллюстрация многозначности для синуса

Если рассмотреть пример с часами, то точка (конец часовой стрелки) двигается по окружности. Точно так же можно определить и тригонометрические функции – рассматривать не углы в прямоугольном треугольнике, а угол между радиусом окружности и положительным направлением оси . Количество кругов, который пройдёт точка (договорились считать движение по часовой стрелке со знаком минус, а против – со знаком плюс), это период  (Рис. 18).

Рис. 18. Значение синуса на окружности

Итак, обратная функция однозначно определена на некотором интервале. Для этого интервала мы можем посчитать её значения, а все остальные получить из найденных значений, добавляя и вычитая период функции.

Рассмотрим ещё один пример периода. Машина движется по дороге. Представим, что её колесо въехало в краску или в лужу. Можно увидеть периодические отметины от краски или лужи на дороге (Рис. 19).

Рис. 19. Иллюстрация периода

Тригонометрические формулы

Тригонометрических формул в школьном курсе достаточно много, но по большому счёту достаточно помнить всего одну (Рис. 20).

Рис. 20. Тригонометрические формулы

Дальше, если помнить свойства чётности/нечётности, легко вывести такую же формулу для разности .

Формулу двойного угла так же легко вывести из синуса суммы, подставив  (аналогично для косинуса). Также можно вывести формулы произведения.

На самом деле помнить нужно очень мало, так как с решением задач эти формулы сами запомнятся. Конечно, кто-то много решать поленится, но ему тогда эта техника, а значит, и сами формулы, нужны и не будут.

А раз формулы не понадобятся, то не нужно их и запоминать. Нужно просто понимать идею, что тригонометрические функции – это функции, при помощи которых рассчитываются, например, мосты. Без их использования и расчёта не обходится практически ни один механизм.

Примеры сложения сил

1. Часто возникает вопрос, могут ли провода быть абсолютно параллельны земле. Ответ: нет, не могут, так как одна сила действует вниз, а другие параллельно – они никогда не уравновесятся (Рис. 21).

2. Лебедь, рак и щука тянут воз в одной плоскости. Лебедь летит в одну сторону, рак тянет в другую, а щука – в третью (Рис. 22). Их силы могут уравновешиваться. Посчитать это уравновешивание можно как раз с помощью тригонометрических функций.

3. Вантовый мост (Рис. 23). Тригонометрические функции помогают посчитать количество вантов, как они должны быть направлены и натянуты.

Рис. 23. Вантовый мост

Рис. 24. «Струнный мост»

Рис. 25. Большой Обуховский мост

 

Ссыл­ки на ма­те­ри­а­лы сайта InternetUrok

 

Математика 6 класс:

  1. Отношения

Геометрия 8 класс:

  1. Синус, косинус и тангенс острого угла прямоугольного треугольника
  2. Значения синуса, косинуса и тангенса для углов 30, 45 и 60 градусов

Геометрия 9 класс:

  1. Синус, косинус и тангенс угла. Основное тригонометрическое тождество

Алгебра 10 класс:

  1. Введение. Длина дуги окружности
  2. Числовая окружность
  3. Числовая окружность на координатной плоскости
  4. Решение задач по теме «Числовая окружность на координатной плоскости»
  5. Синус и косинус
  6. Тангенс и котангенс
  7. Тригонометрические функции числового аргумента
  8. Тригонометрические функции числового аргумента (типовые задачи)
  9. Тригонометрические функции углового аргумента
  10. Тригонометрические функции углового аргумента и типовые задачи
  11. Формулы приведения
  12. Формулы приведения и решение типовых задач
  13. Функция y=sinx, ее основные свойства и график
  14. Функция y=sinx, её свойства, график и типовые задачи
  15. Функция y=cos t, её основные свойства и график
  16. Функция y=cos t, её свойства, график и типовые задачи
  17. Периодичность функций y=sin t, y=cos t
  18. График гармонического колебания
  19. Функция y=tgx, ее свойства и график
  20. Функция y=сtgx, ее свойства и график
  21. Синус и косинус суммы аргументов
  22. Синус и косинус разности аргументов
  23. Решение задач на косинус и синус разности аргументов
  24. Тангенс суммы и разности аргументов
  25. Формулы двойного аргумента
  26. Формулы понижения степени
  27. Преобразование сумм тригонометрических функций в произведение (сумма и разность синусов)
  28. Преобразование сумм тригонометрических функций в произведение (сумма и разность косинусов)
  29. Преобразование сумм тригонометрических функций в произведение (задачи)
  30. Преобразование произведений тригонометрических функций в сумму
  31. Преобразование произведений тригонометрических функций в сумму (продолжение)