Тригонометрические константы

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

Синусы и косинусы основных углов на тригонометрической окружности.

В данной статье приведены точные алгебраические выражения для некоторых тригонометрических чисел. Такие выражения могут потребоваться, например, для приведения результатов выражений с тригонометрическими функциями в радикальную форму, что даёт возможность для дальнейшего упрощения.

Любое тригонометрическое число алгебраично. Некоторые тригонометрические числа могут быть выражены в комплексных радикалах, однако не всегда в действительных: в частности, среди значений тригонометрических функций в углах, выражающихся целым числом градусов, в действительных радикалах могут быть выражены только значения в тех из них, количество градусов в которых кратно трём. Но по теореме Абеля бывают и те, которые неразрешимы в радикалах.

По теореме Нивена[англ.] у синуса с рациональным в градусах аргументом значение либо иррационально, либо равно одному из чисел среди , , .

По теореме Бейкера[англ.] если синус, косинус или тангенс в данной точке дают алгебраическое число, то их аргумент в градусах либо рационален, либо трансцендентен. Иначе говоря, если аргумент в градусах алгебраичен и иррационален, то значения всех тригонометрических функций от этого аргумента будут трансцендентны.

Критерии включения

[править | править код]

Значения для тригонометрических функций от аргумента, соизмеримого с , выразимы в действительных радикалах, только если знаменатель сокращённой рациональной дроби, полученной делением его на , является степенью двойки, умноженной на произведение нескольких простых чисел Ферма (см. теорема Гаусса — Ванцеля). Данная страница посвящена преимущественно углам, выражающимся в действительных радикалах.

При помощи формулы половинного угла можно получать алгебраические выражения для значений тригонометрических функций в любом угле, для которого они уже найдены, делённом пополам. В частности, для углов, лежащих на промежутке от до , верны формулы

, и .

Выражения ниже позволяют также получать выражения в комплексных радикалах значений тригонометрических функций в тех углах, в которых они не выражаются в действительных. К примеру, при наличии формулы для угла формула для /3 может быть получена путём решения следующего уравнения третьей степени:

Однако в его решении в общем виде могут возникнуть комплексные невещественные числа (этот случай называется casus irreducibilis).

Таблица некоторых часто встречающихся углов

[править | править код]

Встречаются различные единицы измерения углов, например, градусы, радианы, обороты, грады (гоны).

Эта таблица показывает переводы из одних мер в другие и значения тригонометрических функций от наиболее часто встречающихся углов:

Обороты Градусы Радианы Грады (гоны) Синус Косинус Тангенс
0 0 0 0 1 0
1/12 30° /6 33+1/3 1/2 3/2 3/3
1/8 45° /4 50 2/2 2/2 1
1/6 60° /3 66+2/3 3/2 1/2 3
1/4 90° /2 100 1 0
1/3 120° 2/3 133+1/3 3/2 1/2 3
3/8 135° 3/4 150 2/2 2/2 −1
5/12 150° 5/6 166+2/3 1/2 3/2 3/3
1/2 180° 200 0 −1 0
7/12 210° 7/6 233+1/3 1/2 3/2 3/3
5/8 225° 5/4 250 2/2 2/2 1
2/3 240° 4/3 266+2/3 3/2 1/2 3
3/4 270° 3/2 300 −1 0
5/6 300° 5/3 333+1/3 3/2 1/2 3
7/8 315° 7/4 350 2/2 2/2 −1
11/12 330° 11/6 366+2/3 1/2 3/2 3/3
1 360° 2 400 0 1 0

Дальнейшие углы

[править | править код]
Таблица значений синуса и косинуса углов с градусной мерой, кратной трём (от 0 до 45°).

Значения тригонометрических функций в углах, не находящихся в промежутке от до , элементарно выводятся из значений в углах этого промежутка при помощи формул приведения. Все углы записаны в градусах и радианах, при этом число, обратное множителю, стоящему перед в выражении для данного угла, является единственным числом символа Шлефли правильного (возможно, звёздчатого) многоугольника с внешним углом, равным данному.

1,5°=(1/120)π (rad)

[править | править код]

1,875°=(1/96)π (rad)

[править | править код]

2,25°=(1/80)π (rad)

[править | править код]

2,8125°=(1/64)π (rad)

[править | править код]

3,75°=(1/48)π (rad)

[править | править код]

4,5°=(1/40)π (rad)

[править | править код]

5,625°=(1/32)π (rad)

[править | править код]

7,5°=(1/24)π (rad)

[править | править код]

11,25°=(1/16)π (rad)

[править | править код]

12°=(1/15)π (rad)

[править | править код]

15°=(1/12)π (rad)

[править | править код]

21°=(7/60)π (rad)

[править | править код]

22,5°=(1/8)π (rad)

[править | править код]
, серебряное сечение

24°=(2/15)π (rad)

[править | править код]

27°=(3/20)π (rad)

[править | править код]

33°=(11/60)π (rad)

[править | править код]
[1]
где  — золотое сечение;

39°=(13/60)π (rad)

[править | править код]

42°=(7/30)π (rad)

[править | править код]

54°=(3/10)π (rad)

[править | править код]

67,5°=(3/8)π (rad)

[править | править код]
где  — золотое сечение;

75°=(5/12)π (rad)

[править | править код]

Список значений тригонометрических функций от аргумента, равного 2π/n

[править | править код]

Приведены только формулы, не использующие корней степени больше . Так как (по теореме Муавра) в множестве комплексных чисел извлечение корня целой степени n приводит к n различным значениям, то для корней 3-й и 5-й степеней от невещественных чисел, появляющихся в этом разделе ниже, следует брать главное значение, равное корню с наибольшей действительной частью: она всегда положительна. Следовательно, суммы корней 3-й или 5-й степени от комплексно сопряжённых чисел, появляющиеся в таблице, тоже положительны. Тангенс приведён в тех случаях, когда его можно записать сильно проще, чем отношение записей синуса и косинуса.

В некоторых случаях ниже используются два числа , обладающие таким свойством, что .

Доказательство

[править | править код]

Одно из общих и наглядных методов вывести формулы для (n и o — целые числа) — это решить уравнение xn = 1, то есть найти комплексные корни из 1. При этом сами косинус и синус равны и соответственно. Данный метод обосновывается теоремой Муавра:

если модуль, а — аргумент комплексного числа, то все корни целой степени от выражаются числами где пробегает множество целых чисел

В свою очередь, эта теорема доказывается утверждением, что при умножении комплексных чисел их модули умножаются, а аргументы — складываются (последнее равносильно тригонометрическим тождествам для суммы):

Среди корней натуральной степени n из 1 есть те, которые не являются корнями никакой другой натуральной степени m < n из 1, — они называются первообразными, или примитивными, корнями n-й степени из 1. А многочлен, в качестве своих корней содержащий только примитивные радикалы из 1, причём с единичной кратностью, называется круговым. Для корней n-й степени из 1 степень кругового многочлена равна φ(n), где φ — функция Эйлера, и обязательно чётна при n ≥ 3, поскольку при n ≥ 3 все первообразные корни (среди которых уже нет ±1) невещественны и образуют комплексно сопряжённые пары.

При n ≥ 2 круговой полином является симметричным, то есть все его коэффициенты отражаются относительно степени φ(n)/2. Если n ≥ 3, то, чтобы решить уравнение с круговым многочленом sφ(n)(x) = 0 чётной степени φ(n), симметричный полином sφ(n)(x) надо разделить на xφ(n)/2, а затем сгруппировать по степеням числа x + 1/x (это возможно из-за симметричности), которое, как совпадение, и оказывается искомым косинусом, умноженным на 2.

Пример 1: n = 3

[править | править код]

Способ 1 — решение уравнения 2-й степени по общему методу

[править | править код]

Полином раскладывается на круговые множители и у первого из каких корень равен 1, а второй является полиномом 2-й степени. И в общем случае, чтобы решить квадратное уравнение, надо поделить многочлен на старший коэффициент (здесь он равен 1), а затем выделить точный квадрат так, чтобы избавиться от слагаемого-одночлена той степени, которая меньше степени полинома на 1, — то есть привести многочленное уравнение к каноническому виду:

(канонический вид).

В итоге в совокупности с уравнением получается, что

или

Способ 2 — сведение уравнения к уравнению 1-й степени

[править | править код]

Вместо того, чтобы решать уравнение как квадратное, симметричный многочлен можно поделить на x, сгруппировать относительно x + 1/x, учитывая, что x + 1/x — это искомый косинус, умноженный на 2:

Пример 2: n = 5

[править | править код]

Круговой полином равен и, чтобы найти его корни, его нужно поделить на x2, сгруппировать по степеням x + 1/x (сведя к квадратному полиному) и приравнять 0:

(искомый косинус, умноженный на 2),

Пример 3: n = 7

[править | править код]

Условные обозначения. Обозначим как

Шаг 1 — приведение уравнения к канонической форме

[править | править код]

Проведя с круговым многочленом преобразования, аналогичные каким представлены для n = 5, получаем уравнение 3-й степени Далее, как и в случае с квадратным уравнением, это уравнение нужно привести к каноническому виду, то есть поделить обе части уравнения на старший коэффициент (единицу) и затем выделить точный куб, избавившись от слагаемого той степени, которая меньше степени многочлена на 1:

(каноническая форма).

Метод решения канонических кубических уравнений вошёл в историю под именем Джероламо Кардано, но впервые был открыт Сципионом дель Ферро. Он заключается в следующем: заменим искомую переменную () на сумму :

а затем зададим между v и w такую зависимость, чтобы уравнение можно было свести к менее чем 3-й степени. Тогда оказывается, что в числе множитель надо приравнять нулю. В таком случае и (сам косинус), а само кубическое уравнение сокращается до квадратного:

а с учётом главных значений кубических корней получается:

где

где o = 1 (o = 6) соответствует m = 0, o = 2 (o = 5) — m = 1, а o = 3 (o = 4) — m = 2.

Шаг 3 — синус[2]

[