Funkcje trygonometryczne

sinusoida – wykres funkcji
kosinusoida – wykres funkcji
tangensoida – wykres funkcji
Leonhard Euler (1707–1783) – szwajcarski matematyk, który udowodnił pewne własności funkcji trygonometrycznych, m.in. ich związek z funkcją wykładniczą[1] nazywany wzorem Eulera.

Funkcje trygonometrycznefunkcje matematyczne wyrażające między innymi stosunki długości boków trójkąta prostokątnego zależnie od miary jego kątów wewnętrznych. Funkcje te wywodzą się z geometrii, konkretniej planimetrii, ale są rozważane także w oderwaniu od niej, dla różnych argumentów rzeczywistych i zespolonych[1]. To uogólnienie funkcji trygonometrycznych umożliwiła analiza matematyczna, w której opisano je szeregami potęgowymi[1]. Powstały też inne definicje, oparte np. na równaniach różniczkowych, innych równaniach funkcyjnych, iloczynach nieskończonych oraz ułamkach łańcuchowych, podane w dalszych sekcjach.

Do funkcji trygonometrycznych zalicza się przede wszystkim sinus, kosinus[a] i tangens, a także kotangens, sekans, kosekans[a][1] i kilka innych, wspominanych rzadziej. Funkcje trygonometryczne to główny przedmiot badań trygonometrii; jej dział poświęcony tym funkcjom nazywano goniometrią[2], przy czym termin ten ma też inne znaczenia. Badania te rozpoczęto w starożytności, a konkretniej starożytnej Grecji, po czym rozwijali ją uczeni indyjscy, islamscy[1] i ze średniowiecznej Europy[3]. W czasach nowożytnych podano dla tych funkcji:

Pierwotnie matematycy uważali wartości trygonometryczne za linie ciągłe połączone okręgami, jednak w XVIII wieku Leonhard Euler wprowadził współczesne pojęcie funkcji trygonometrycznych[4]. Na przestrzeni stuleci podano dziesiątki tożsamości trygonometrycznych, które m.in. wiążą te funkcje ze sobą. Funkcje trygonometryczne zalicza się do elementarnych i stosuje w różnych działach matematyki jak geometria, analiza i teoria liczb. Korzystają z nich nauki ścisłe – zarówno przyrodnicze, społeczne, jak i techniczne. Jednym z powodów jest to, że funkcjami sinus i kosinus można modelować zjawiska okresowe jak drgania mechaniczne[1].

Definicje[edytuj | edytuj kod]

Istnieje kilka definicji funkcji trygonometrycznych, bazujących zarówno na pojęciach geometrycznych, jak i analitycznych.

Przez trójkąt prostokątny[edytuj | edytuj kod]

Oznaczenia boków i kątów trójkąta prostokątnego użyte w definicji

Funkcje trygonometryczne danego kąta ostrego w trójkącie prostokątnym definiuje się jako stosunek długości odpowiednich dwóch boków tego trójkąta:

funkcja polskie

oznaczenie[b]

definicje[5]
przez boki – stosunek długości przez inne funnkcje
sinus przyprostokątnej leżącej naprzeciw kąta i przeciwprostokątnej [6]
kosinus[a] przyprostokątnej przyległej do kąta i przeciwprostokątnej [7]
tangens przyprostokątnej leżącej naprzeciw kąta i przyprostokątnej przyległej do tego kąta[8]
kotangens[a] przyprostokątnej przyległej do kąta i przyprostokątnej leżącej naprzeciw tego kąta[9]
sekans[a] przeciwprostokątnej i przyprostokątnej przyległej do kąta [10] odwrotność kosinusa [c]
kosekans[a] przeciwprostokątnej i przyprostokątnej leżącej naprzeciw kąta [11] odwrotność sinusa [d]

Powyższe definicje można zebrać w postaci tabelki[12]:

Do tej listy włączano też kilka innych funkcji; haversin upraszcza obliczanie odległości punktów na powierzchni Ziemi[13][14][15]:

funkcja symbol i definicja
sinus versus[16][17]
haversin

(ang. half of the versine)[18]

cosinus versus[19]
exsecans[20]


Przez okrąg jednostkowy i etymologia nazw[edytuj | edytuj kod]

Definicja na okręgu jednostkowym

Jeżeli wokół wierzchołka kąta poprowadzony zostanie okrąg o promieniu 1, czyli tzw. okrąg jednostkowy, to funkcje trygonometryczne miary kąta ostrego wyrażać się będą przez długości odpowiednich odcinków[21]:

Alternatywnie, jako argument funkcji trygonometrycznych zamiast długości łuku można przyjąć pole wycinka – ich wartości dla promienia 1 są równe. Definicja na okręgu jednostkowym ma swój odpowiednik dla funkcji hiperbolicznych, gdzie argument funkcji definiowany jest jako pole wycinka hiperboli, analogicznego do [22].

Definicja ta była historycznie pierwsza. Wynikają z niej nazwy funkcji trygonometrycznych. Pierwotnie tymi nazwami określano właśnie długości odpowiednich odcinków, niekoniecznie na okręgu jednostkowym.

  • Sinus, czyli połowa długości cięciwy był w pracach hinduskiego matematyka Aryabhaty w sanskrycie nazywany ardha-jiva („połowa cięciwy”), co zostało skrócone do jiva, a następnie transliterowane do arabskiego jiba (جب). Europejscy tłumacze, Robert z Chester i Gerardo z Cremony w XII-wiecznym Toledo pomylili jiba z jaib (جب), oznaczającym „zatokę” prawdopodobnie dlatego, że jiba (جب) i jaib (جب) są tak samo pisane po arabsku (informacja o samogłoskach jest gubiona w piśmie). Sinus znaczy po łacinie właśnie zatoka[23].
  • Tangens pochodzi od łacińskiego tangeredotykający, styczny, gdyż odcinek jest styczny do okręgu.
  • Secans pochodzi z łacińskiego secaredzielić, rozcinać, rozstrzygać i znaczy odcięcie. Pierwotnie nazwa odnosiła się do odcinka odcinanego przez styczną (tangens).
  • Cosinus, cotangens i cosecans powstały przez złożenie łacińskiego co- (wspólnik, towarzysz) i słów sinus, tangens i secans. Pierwotnie cosinus był nazywany complementi sinus, czyli sinus kąta dopełniającego. Rzeczywiście jest on równy sinusowi miary kąta dopełniającego Podobnie cotangens i cosecans są równe tangensowi i secansowi tego kąta. Przedrostek „ko-” był jednak używany w stosunku do cosinusa już w sanskrycie u Aryabhaty (koti-jya, kojya); trudno określić, w jakim stopniu nazwa łacińska do tego nawiązuje[24].

Przez szereg Taylora[edytuj | edytuj kod]

Funkcja sinus i jej aproksymacje wielomianami stopnia 1, 3, 5, 7, 9, 11 i 13 utworzonymi z początkowych wyrazów szeregu Taylora

Definicje za pomocą szeregów Taylora określają wartości funkcji trygonometrycznych dla dowolnych liczb rzeczywistych, dla których da się je zdefiniować, pozwalają też na uogólnienie tych funkcji na zbiór liczb zespolonych, kwaternionów, macierzy, a nawet na algebry operatorów, przestrzenie unormowane czy pierścienie nilpotentne[25]. Definicje te są stosowane do numerycznego obliczania wartości funkcji trygonometrycznych.

Zachodzą równości[26][27][28]:

gdzie to liczby Bernoulliego,

gdzie to liczby Eulera,

Każdą z funkcji trygonometrycznych, na dowolnym przedziale zawierającym się w jej dziedzinie, można z dowolną dokładnością jednostajnie przybliżać wielomianami. W otoczeniu zera mogą do tego służyć początkowe wyrazy szeregu Taylora. Nie jest jednak możliwe jednostajne przybliżenie wielomianami funkcji trygonometrycznych w całej ich dziedzinie, jeśli dziedzina przybliżanej funkcji nie jest zbiorem liczb rzeczywistych

Przez równania funkcyjne[edytuj | edytuj kod]

Twierdzenie: Istnieje dokładnie jedna para funkcji rzeczywistych taka, że dla każdego

Tymi funkcjami są[29]:

Funkcje trygonometryczne sinus i cosinus można zdefiniować[30] również jako jedyne funkcje oraz spełniające poniższe trzy warunki:

Przez równania różniczkowe[edytuj | edytuj kod]

Sinus i cosinus są rozwiązaniami szczególnymi równania różniczkowego

które opisuje m.in. ruch masy podwieszonej na sprężynie (tzw. oscylator harmoniczny, patrz Harmoniki).

Sinus jest jedynym rozwiązaniem tego równania spełniającym warunki[31]:

Cosinus natomiast jest jedynym rozwiązaniem, dla którego[31]

Przez iloczyny nieskończone[edytuj | edytuj kod]

Funkcje trygonometryczne można też wprowadzić za pomocą iloczynów nieskończonych[32]:

Przez ułamki łańcuchowe[edytuj | edytuj kod]

Niektóre funkcje trygonometryczne można wyrazić w postaci ułamków łańcuchowych[33][34][35]:

Przez ogólniejsze funkcje[edytuj | edytuj kod]

Funkcje trygonometryczne można też zdefiniować analitycznie jako szczególne przypadki funkcji Bessela, funkcji Mathieu albo funkcji eliptycznych Jacobiego[36].

Własności w dziedzinie rzeczywistej[edytuj | edytuj kod]

Przebieg zmienności funkcji[edytuj | edytuj kod]

W matematyce na poziomie szkół średnich i w wielu praktycznych zastosowaniach rozpatruje się funkcje trygonometryczne dla argumentu będącego liczbą rzeczywistą. Mają one wówczas następujące własności:

Dziedzina i asymptoty
  • Funkcje sinus i cosinus określone są dla każdej liczby rzeczywistej.
  • Tangens jest określony w zbiorze powstałym ze zbioru wszystkich liczb rzeczywistych przez usunięcie liczb mających postać gdzie jest liczbą całkowitą.
  • Cotangens jest określony w zbiorze wszystkich liczb rzeczywistych poza liczbami postaci gdzie jest liczbą całkowitą.
  • Tangens i secans mają asymptoty pionowe w punktach postaci a cotangens i cosecans w punktach postaci Żadna z tych funkcji nie ma asymptot innego rodzaju.
Przeciwdziedzina
  • Sinus i cosinus są ograniczone: przyjmują wartości z przedziału Tangens i cotangens przyjmują dowolne wartości rzeczywiste, a secans i cosecans wartości ze zbioru[37]
Ekstrema
  • Maksymalną wartość, dla obu funkcji sinus przyjmuje w punktach a cosinus w punktach gdzie jest liczbą całkowitą.
  • Minimalną wartość, dla obu funkcji sinus przyjmuje w punktach a cosinus w punktach gdzie jest liczbą całkowitą.
Miejsca zerowe
  • Miejscami zerowymi sinusa i tangensa są punkty postaci gdzie jest liczbą całkowitą.
  • Miejscami zerowymi cosinusa i cotangensa są punkty postaci gdzie jest liczbą całkowitą.
Parzystość i nieparzystość
  • Funkcje sinus, tangens, cotangens, cosecans są nieparzyste, a funkcje cosinus i secans parzyste:
Okresowość
  • Funkcje trygonometryczne są funkcjami okresowymi. Okresem podstawowym sinusa, cosinusa, secansa i cosecansa jest liczba a tangensa i cotangensa [38][39]:
gdzie jest liczbą całkowitą.
Ciągłość i różniczkowalność
  • Funkcje sinus i cosinus są ciągłe i różniczkowalne w każdym punkcie prostej rzeczywistej. Tangens, cotangens, secans i cosecans także są ciągłe i różniczkowalne w swoich dziedzinach (zob. wyżej).
Odwracalność
Własności algebraiczne

Wykresy[edytuj | edytuj kod]

Cosinusoida jest sinusoidą przesuniętą o wektor Szare linie pionowe na dolnych wykresach to asymptoty. Wykresy można powiększyć przez kliknięcie myszką.


Wartości dla typowych kątów[edytuj | edytuj kod]

Wartości funkcji trygonometrycznych dla kątów 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°, 180°[41]:

radiany
stopnie
nieokreślony
nieokreślony nieokreślony
nieokreślony
nieokreślony nieokreślony

Wartości wszystkich funkcji trygonometrycznych dla argumentów postaci dają się zapisać za pomocą skończonego wzoru z użyciem podstawowych działań arytmetycznych i pierwiastka kwadratowego wtedy i tylko wtedy, gdy po skróceniu ułamka liczba jest iloczynem potęgi dwójki i różnych liczb pierwszych Fermata (jak dotąd znanych jest pięć takich liczb: 3, 5, 17, 257, 65537)[42][43]. W szczególności nie da się zapisać w ten sposób dokładnej wartości funkcji kąta 1°, gdyż a ma drugą potęgę przy trójce. Warunek na jest identyczny jak warunek konstruowalności -kąta foremnego za pomocą cyrkla i linijki (por. twierdzenie Gaussa-Wantzela).

Wzory redukcyjne[edytuj | edytuj kod]

Wzory redukcyjne pozwalają sprowadzić dowolny rzeczywisty argument funkcji trygonometrycznej do argumentu z przedziału czyli [44]:

I ćwiartka II ćwiartka III ćwiartka IV ćwiartka

Aby zapamiętać zmianę funkcji, można wspomagać się następującą obserwacją: funkcja przechodzi w swoją kofunkcję, jeżeli rozpatrywany kąt ma postać bądź w przypadkach oraz funkcja nie ulega zmianie. Znaki w poszczególnych ćwiartkach układu dla odpowiednich funkcji w powyższej tabelce zgodne są ze znakami redukowanych funkcji w danej ćwiartce według tabeli[37]:

Ćwiartki układu współrzędnych
I ćwiartka II ćwiartka III ćwiartka IV ćwiartka
+ +
+ +
+ +
+ +
+ +
+ +

Metodą mnemotechniczną zapamiętania znaków dla stosowanych najczęściej w redukcji pierwszych czterech spośród powyższych funkcji jest popularny wierszyk nieznanego autora:

W pierwszej ćwiartce są dodatnie,
w drugiej tylko sinus,
w trzeciej tangens i cotangens,
a w czwartej cosinus.

W innych wersjach pierwszy wers brzmi:

W pierwszej ćwiartce same plusy lub W pierwszej wszystkie są dodatnie.

Podstawowe tożsamości trygonometryczne[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: Tożsamości trygonometryczne.

Związki między funkcjami trygonometrycznymi spełnione dla dowolnego argumentu ich dziedziny to tzw. tożsamości trygonometryczne. Są one prawdziwe zarówno w dziedzinie rzeczywistej, jak i zespolonej. Często używane są:

  • definicja tangensa i cotangensa za pomocą sinusa i cosinusa (pozwala wyprowadzić tożsamości dla tangensa i cotangensa z tożsamości dla sinusa i cosinusa)[45]:
Geometryczny dowód wzoru
  • wzory na sinus i cosinus sumy i różnicy kątów[45]:
  • wzory na sumę i różnicę sinusów i cosinusów[45]:
  • wzory na sinus i cosinus podwojonego argumentu[46]:
  • wzory na sinus i cosinus połowy argumentu[47]:
  • iloczyn w postaci sumy[47]:
  • wzory na wyrażanie jednych funkcji trygonometrycznych przez inne[45][48]:

(Zastrzeżenie formalne: Równości powyżej są prawdziwe tylko dla argumentów, dla których wszystkie użyte funkcje są określone, a w mianownikach nie występują zera)

Pochodne funkcji trygonometrycznych[edytuj | edytuj kod]

Zachodzą równości[49]:

Można z nich otrzymać pochodne wyższych rzędów:

Wzory na -te pochodne pozostałych funkcji trygonometrycznych również istnieją, jednak są o wiele bardziej skomplikowane[50][51][52][53].

Całki funkcji trygonometrycznych[edytuj | edytuj kod]

Podstawowe całki to[54]:

gdzie


Każda całka funkcji wymiernej postaci jest elementarna, można ją obliczyć przez podstawienie[55]:

wówczas:

Własności w dziedzinie zespolonej[edytuj | edytuj kod]

Używając definicji analitycznych funkcji trygonometrycznych można te funkcje uogólnić m.in. na liczby zespolone.

Porównanie z funkcjami zmiennej rzeczywistej[edytuj | edytuj kod]

Uogólnione w ten sposób funkcje trygonometryczne zachowują większość własności zmiennej rzeczywistej:

  • okresowość (w tym okres podstawowy),
  • tożsamości trygonometryczne,
  • miejsca zerowe,
  • punkty nieokreśloności:
    • sinus i cosinus są określone w całym zbiorze liczb zespolonych,
    • tangens jest określony w zbiorze liczb zespolonych, których usunięto liczby postaci a cotangens – punktów postaci gdzie jest całkowita.

Zasadniczą różnicą jest brak ograniczoności funkcji sinus i cosinus. Przykładowo cosinus niezerowego argumentu urojonego jest zawsze liczbą rzeczywistą większą od w szczególności:

Funkcje trygonometryczne zmiennej zespolonej są (nieskończenie) wielokrotne na całej płaszczyźnie zespolonej.

Części rzeczywiste, urojone, moduły i argumenty[edytuj | edytuj kod]

Funkcja Część rzeczywista Część urojona Moduł