Урок 7. Введение в тригонометрию. Теория

На этом уроке мы познакомимся с определениями тригонометрических функций и их основными свойствами, узнаем, как работать с тригонометрической окружностью, выясним, что такое период функции и вспомним о различных способах измерения углов. Кроме этого, разберемся с применением формул приведения.

Данный урок поможет Вам подготовиться к одному из типов задания В7.

Подготовка к ЕГЭ по математике

Эксперимент

Урок 7.Введение в тригонометрию.

Теория

Конспект урока

Сегодня мы с вами начинаем раздел, который имеет пугающее для многих название «Тригонометрия». Давайте сразу выясним, что это не отдельный предмет, похожий по названию на геометрию, как некоторые думают. Хотя в переводе с греческого слово «тригонометрия» означает «измерение треугольников» и имеет прямое отношение к геометрии. Кроме этого тригонометрические вычисления широко применяются в физике и технике. Но начнем мы с вами именно с рассмотрения того, как основные тригонометрические функции вводятся в геометрии с помощью прямоугольного треугольника.

Только что мы использовали термин «тригонометрическая функция» ‑ это означает, что мы введем целый класс определенных законов соответствия одной переменной величины от другой.

Тригонометрические функции в прямоугольном треугольнике и тригонометрическая окружность

Для этого рассмотрим прямоугольный треугольник, в котором для удобства используются стандартные обозначения сторон и углов, которые вы можете видеть на рисунке:

Рассмотрим, например, угол и введем для него следующие действия:

- отношение противолежащего катета к гипотенузе назовем синусом, т. е. ;

- отношение прилежащего катета к гипотенузе назовем косинусом, т. е. ;

- отношение противолежащего катета к прилежащему назовем тангенсом, т. е. ;

- отношение прилежащего катета к противолежащему назовем котангенсом, т. е. .

Все эти действия с углом называют тригонометрическими функциями. Сам угол, при этом, принято называть аргументом тригонометрической функции и его можно обозначать, например, иксом, как это обыкновенно принято в алгебре.

Важно сразу понять, что тригонометрические функции зависят именно от угла в прямоугольном треугольнике, а не от его сторон. Это легко доказать, если рассмотреть треугольник, подобный данному, в нем длины сторон будут другими, а все углы и отношения сторон не изменятся, т. е. останутся неизменными и тригонометрические функции углов.

После такого определения тригонометрических функций может возникнуть вопрос: «А существует ли например ? Ведь угла в прямоугольном треугольнике быть не может». Как ни странно, но ответ на этот вопрос утвердительный, причем, значение этого выражения равно , а это еще больше удивляет, поскольку все тригонометрические функции являются отношением сторон прямоугольного треугольника, а длины сторон являются положительными числами.

Но никакого парадокса в этом нет. Дело в том, что, например, в физике при описании некоторых процессов необходимо использовать тригонометрические функции углов не только больших , но и больших и даже . Для этого необходимо ввести более обобщенное правило вычисления тригонометрических функций с помощью так называемой «единичной тригонометрической окружности».

Она представляет собой окружность с единичным радиусом, изображенную так, что ее центр находится в начале координат декартовой плоскости.

Для изображения углов в этой окружности необходимо договориться, откуда их откладывать. Принято за луч отсчета углов принимать положительное направление оси абсцисс, т. е. оси иксов. Направлением отложения углов принято считать направление против часовой стрелки. Исходя из этих договоренностей, отложим сначала острый угол . Именно для таких острых углов мы уже умеем вычислять значения тригонометрических функций в прямоугольном треугольнике. Оказывается, что с помощью изображенной окружности также можно вычислять тригонометрические функции, только более удобно.

Значения синуса и косинуса острого угла являются координатами точки пересечения стороны этого угла с единичной окружностью:

Это можно записывать в таком виде:

:

Исходя из того факта, что координаты по оси абсцисс показывают значение косинуса, а координаты по оси ординат значения синуса угла, названия осей в системе координат с единичной окружностью удобно переименовать так, как вы видите на рисунке:

Ось абсцисс переименовывается в ось косинусов, а ось ординат в ось синусов.

Указанное правило определения синуса и косинуса обобщается и на тупые углы, и на углы, лежащие в диапазоне от до . В таком случае синусы и косинусы могут принимать, как положительные, так и отрицательные значения. Различные знаки значений этих тригонометрических функций в зависимости от того, в какую четверть попадает рассматриваемый угол, принято изображать следующим образом:

Как видите, знаки тригонометрических функций определяются положительными и отрицательными направлениями соответствующих им осей.

Кроме того, стоит обратить внимание на то, что поскольку наибольшая координата точки на единичной окружности и по оси абсцисс и по оси ординат равна единице, а наименьшая минус единице, то и значения синуса и косинуса ограничены этими числами:

Эти записи еще принято записывать в таком виде:

Для того чтобы ввести функции тангенса и котангенса на тригонометрической окружности, необходимо изобразить дополнительные элементы: касательную к окружности в точке A – по ней определяется значение тангенса угла , и касательную к в точке B – по ней определяется значение котангенса угла .

Однако мы не будем углубляться в определение тангенсов и котангенсов по тригонометрической окружности, т. к. их легко можно вычислить, зная значения синуса и косинуса данного угла, что мы уже умеем делать. Если вам интересно ознакомиться с вычислением тангенса и котангенса по тригонометрической окружности, повторите программу курса алгебры 10 класса.

Укажем только изображение на окружности знаков тангенсов и котангенсов в зависимости от угла:

Отметим, что аналогично диапазонам значений синуса и косинуса можно указать диапазоны значений тангенса и котангенса. Исходя из их определения на тригонометрической окружности, значения этих функций не ограничены:

Что можно записать еще так:

Кроме углов в диапазоне от до тригонометрическая окружность позволяет работать и с углами, которые больше и даже с отрицательными углами. Такие значения углов хоть и кажутся бессмысленными для геометрии, но используются для описания некоторых физических процессов. Например, что вы ответите на вопрос: «На какой угол повернется стрелка часов за сутки?» За такое время она выполнит два полных оборота, а за один оборот пройдет , т. е. за сутки повернется на . Как видите, такие значения имеют вполне практический смысл. Знаки углов используются для обозначения направления вращения – одно из направлений договариваются измерять положительными углами, а другое отрицательными. Как же это учитывать в тригонометрической окружности?

На окружности с такими углами работают следующим образом:

1) Углы, которые больше , откладываются против часовой стрелки с прохождением начала отсчета столько раз, сколько это нужно. Например, для построения угла необходимо пройти два полных оборота и еще . Для окончательного положения и вычисляются все тригонометрические функции. Несложно увидеть, что значение всех тригонометрических функций для и для будут одинаковыми.

2) Отрицательные углы откладываются точно по тому же принципу, что и положительные, только по часовой стрелке.

Уже по способу построения больших углов можно сделать вывод, что значения синусов и косинусов углов, которые отличаются на , одинаковы. Если проанализировать значения тангенсов и котангенсов, то они будут одинаковы для углов, отличающихся на .

Такие минимальные ненулевые числа, при добавлении которых к аргументу, не меняется значение функции, называют периодом этой функции.

Таким образом, период синуса и косинуса равен , а тангенса и котангенса . А это означает, что сколько не добавляй или отнимай эти периоды от рассматриваемых углов, значения тригонометрических функций не изменятся.

Например, , а и т. д.

Позже мы еще вернемся к более подробному объяснению и применению этого свойства тригонометрических функций.

Основные тригонометрические тождества

Между тригонометрическими функциями одного и того же аргумента существуют определенные соотношения, которые очень часто используются и называются основные тригонометрические тождества.

Они выглядят следующим образом:

1), так называемая «тригонометрическая единица»

2)

3)

       

4)

5)

Заметим, что, например, обозначение обозначает, что вся тригонометрическая функция возводится в квадрат. Т. е. это можно представить в такой форме: . Важно понимать, что это не равно такой записи как , в этом случае возводится в квадрат только аргумент, а не вся функция, к тому же выражения такого вида встречаются крайне редко.

Из первого тождества есть два очень полезных следствия, которые могут пригодиться при решении многих типов заданий. После несложных преобразований можно выразить синус через косинус того же угла и наоборот:

Два возможных знака выражений появляются, т. к. извлечение арифметического квадратного корня дает только неотрицательные значения, а синус и косинус, как мы уже видели, могут иметь и отрицательные значения. Причем знаки этих функций удобнее всего определять именно с помощью тригонометрической окружности в зависимости от того, какие углы в них присутствуют.

Градусы и радианы. Таблица значений тригонометрических функций

Теперь давайте вспомним о том, что измерение углов можно осуществлять двумя способами: в градусах и в радианах. Укажем определения одного градуса и одного радиана.

Один градус – это угол, образованный двумя радиусами, которые стягивают дугу равную окружности.

Один радиан – это угол, образованный двумя радиусами, которые стягивает дуга равная по длине радиусам.

Т. е. это просто два различных способа измерять углы, которые абсолютно равноправны. В описании физических процессов, которые характеризуются тригонометрическими функциями, принято использовать радианную меру углов, поэтому нам тоже придется к ней привыкать.

Измерять углы в радианах принято долями числа «пи», например, или . При этом значение числа «пи», которое равно 3,14, можно подставлять, но это делается редко.

Для перевода градусной меры углов в радианную пользуются тем фактом, что угол , из чего легко получить общую формулу перевода:

Например, переведем в радианы: .

Существует и обратная формула перевода из радиан в градусы:

Например, переведем в градусы: .

Использовать радианную меру угла в этой теме мы будем достаточно часто.

Теперь самое время вспомнить, какие конкретно значения могут давать тригонометрические функции различных углов. Для некоторых углов, кратных , существует таблица значений тригонометрических функций. В ней для удобства приведены углы в градусной и радианной мерах.

Эти углы часто встречаются во многих задачах и в указанной таблице желательно уметь уверенно ориентироваться. Значения тангенса и котангенса некоторых углов не имеют смысла, что указано в таблице в виде прочерков. Подумайте сами почему так или ознакомьтесь с этим более подробно во вставке к уроку.

Формулы приведения

Последнее, с чем нам надо ознакомиться в нашем первом уроке по тригонометрии, это преобразование тригонометрических функций по так называемым формулам приведения.

Оказывается, что есть определенный вид выражений для тригонометрических функций, который достаточно часто встречается и удобно упрощается. Например, это такие выражения: и т. п.

Т. е. речь пойдет о функциях, у которых в качестве аргумента выступает произвольный угол, измененный на целую или половинную часть . Такие функции упрощаются до аргумента, который равен произвольному углу добавления или вычитания частей . Например, , а . Как видим результатом может стать противоположная функция, и функция может поменять знак.

Поэтому правила преобразования таких функций можно разбить на два этапа. Во-первых, необходимо определить какая функция получится после преобразования:

1) Если произвольный аргумент изменен на целое число , то функция не изменяется. Это верно для функций типа , где любое целое число;

2) Если произвольный аргумент изменен на половинное число частей , то функция меняется на противоположную (кофункцию). Это верно для функций типа , где любое целое нечетное число.

Во-вторых, необходимо определить знак результирующей функции. Это действие выполняется с помощью тригонометрической окружности. При этом для удобства предполагаем, что произвольный угол острый. Понять это удобнее на примере.

Рассмотрим функцию . Т. к. в ней произвольный аргумент изменен на половинное число частей , то она преобразуется в кофункцию, т. е. в синус. Осталось определить ее знак. Выполним это с помощью единичной окружности:

Отложим на ней указанное в функции смещение аргумента на , что равно и добавим острый угол . В результате иксовая координата точки пересечения луча, которым ограничен наш угол, с окружностью оказалась положительной. Нас интересует именно координата по оси абсцисс, т. к. именно по ней определяется значение косинуса, который мы преобразуем. Таким образом, имеем, что результирующая функция будет с положительным знаком.

Т. е. .

После рассмотренного примера можно понять, почему такие формулы называют формулами приведения. Как видим, они позволяют привести функцию к более простому виду.

Иногда основные формулы приведения предлагают в виде таблицы, однако она достаточно большая и сложная для запоминания, поэтому удобнее запомнить более короткие правила преобразований.

Более подробно разобраться со смыслом формул приведения вы сможете, повторив тему «Тригонометрия» из курса 10 класса.

Используя тригонометрическую окружность можно ввести понятие четности тригонометрических функций, т. е. указать, что будет при подстановке в функцию аргумента с противоположным знаком. Вот эти результаты:

1) - нечетная функция

2) - четная функция

3) - нечетная функция

4) - нечетная функция

Попробуйте сами проверить правильность этих формул. А более подробно мы поговорим о них на следующих уроках.

Заключение

На этом уроке мы ввели основные понятия, связанные с тригонометрическими функциями и их простейшими преобразованиями.

В практической части урока мы познакомимся с основными задачами на вычисление и преобразование тригонометрических выражений.

Полезные ссылки:

1) Алгебра 9 класс: "Числовая окружность"

2) Алгебра 9 класс: "Числовая окружность на координатной плоскости. Синус и косинус"

3) Алгебра 9 класс: "Синус и косинус. Их свойства и уравнения"

4) Алгебра 9 класс: "Тангенс и котангенс"

5) Алгебра 9 класс: "Тригонометрические функции числового аргумента"

6) Алгебра 9 класс: "Тригонометрические функции углового аргумента"

7) Алгебра 10 класс: "Введение (длина дуги окружности)"

8) Алгебра 10 класс: "Числовая окружность"

9) Алгебра 10 класс: "Числовая окружность на координатной плоскости"

10) Алгебра 10 класс: "Синус и косинус"

11) Алгебра 10 класс: "Тангенс и котангенс"

12) Алгебра 10 класс: "Тригонометрические функции числового аргумента"

13) Алгебра 10 класс: "Тригонометрические функции числового аргумента (типовые задачи)"

14) Алгебра 10 класс: "Тригонометрические функции углового аргумента"

15) Алгебра 10 класс: "Тригонометрические функции углового аргумента и типовые задачи"

16) Алгебра 10 класс: "Формулы приведения"

17) Алгебра 10 класс: "Формулы приведения и решение типовых задач"