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减少第二、第三、第四象限

一个点及其反射 选择$0<\alpha<\pi/2$,其图像为$(\cos\alpha,\sin\alpha)$。垂直轴上的反射会改变第一个坐标的符号;水平轴上的反射与第二个轴上的反射交换;关于原点的对称性交换两者。 这三个操作生成点$\pi-\alpha$、$\pi+\alpha$和$2\pi-\alpha$。标识: 角度 正弦 余弦 切线 $\pi-\alpha$ $\sin\alpha$ $-\cos\alpha$ $-\tan\alpha$ $\pi+\alpha$ $-\sin\alpha$ $-\cos\alpha$ $\tan\alpha$ $2\pi-\alpha$ $-\sin\alpha$ $\cos\alpha$ $-\tan\alpha$ 第二象限演示 $P=(u,v)$ 在垂直轴上的反射是 $P'=(-u,v)$。高度保持不变,但水平位置变为负值。由于 $P'$ 对应于角度 $\pi-\alpha$: $$\sin(\pi-\alpha)=\sin\alpha,\qquad \cos(\pi-\alpha)=-\cos\alpha.$$除以坐标,$\tan(\pi-\alpha)=-\tan\alpha$。表的其他行通过相应的反射来演示。 其他三个函数 余切与正切具有相同的符号;正割与余弦具有相同的符号;余割,与正弦符号相同。考虑到分母不能为零的点,取表项的倒数即可得到它们的值。 三个例子 $$\sin\frac{5\pi}{6}=\sin\frac\pi6=\frac12,$$ $$\cos\frac{5\pi}{4}=-\cos\frac\pi4=-\frac{\sqrt2}{2},$$ $$\tan\frac{11\pi}{6}=-\tan\frac\pi6=-\frac{\sqrt3}{3}.$$首先我们确定象限,然后确定参考角,最后确定符号。如果输入有多个循环,我们在这些步骤之前删除多个 $2\pi$。 在日常生活中 **计算器和计算机。**每个计算器在计算之前都会将弧线缩小到第一象限,这可以让您节省一个小表格。 导航。 第三象限中的航向(如 $225^\circ$)有两个负面组成部分:船向西和向南行驶。 **游戏。**通过改变水平分量的符号,从$30^\circ$的方向获得角色面向$150^\circ$的方向。 任何象限中的方向:余弦和正弦符号给出位移方向。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa. 有决心的练习 **1。**计算$\cos(7\pi/6)$和$\sin(7\pi/4)$。 检查分辨率 1$7\pi/6=\pi+\pi/6$,则余弦为$-\sqrt3/2$。作为$7\pi/4=2\pi-\pi/4$,正弦为$-\sqrt2/2$。 **2。**计算$\sec(2\pi/3)$。 检查分辨率 2$\cos(2\pi/3)=-1/2$。它的倒数是$-2$。 在互动书中 交互式三角学书中包含相同的主题以及所有演示和完整的练习列表: 从第二象限减少到第一象限——书籍,第四章. 从第三象限减少到第一象限——书,第四章. 从第四象限减少到第一象限——书,第四章. 本课程是对该主题的简短介绍;在书中,该理论还附有本章中已解决和提出的练习。 阶段索引 · ←上一堂课 · 下一堂课→

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身份和三种示范路径

函数之间的相等性 三角恒等式是对声明域的所有条目都有效的等式。有必要检查值和表达式存在的点。 例如,$\sec^2x-\tan^2x=1$在$\cos x\ne0$时有效。右侧也存在于排除点中,但这不会将表达式的域扩展到左侧。 第一种方式:改造成员之一 为了演示 $\sin x\tan x+\cos x=\sec x$,使用 $\cos x\ne0$,我们从左侧开始: $$\begin{aligned} \sin x\tan x+\cos x &=\frac{\sin^2x}{\cos x}+\frac{\cos^2x}{\cos x}\\ &=\frac{\sin^2x+\cos^2x}{\cos x}=\frac1{\cos x}. \end{aligned}$$我们通过割线的定义来识别右手成员。 方式二:将两者转化为通用表达式 考虑: $$\frac{1-\cos^2x}{\sin x}=\sin x.$$在域 $\sin x\ne0$ 中,左侧成员缩减为 $\sin^2x/\sin x=\sin x$。我们还可以将两边都转换为第三个表达式,只要每个转换都尊重域。 第三种方式:可逆等价 如果每个步骤都是可逆的,我们就可以研究所提出的等式。对于 $\sin x\ne0$: $$\begin{aligned} \frac{1-\cos^2x}{\sin x}=\sin x &\iff1-\cos^2x=\sin^2x\\ &\iff1=\sin^2x+\cos^2x. \end{aligned}$$最后的等式已知,所有步骤都可以撤消。相反,平方并不总是可逆的:$u=v$ 意味着 $u^2=v^2$,但返回可以给出 $u=-v$。 数值示例并非演示 测试 $x=0$ 和 $x=\pi/2$ 可能有助于发现错误,但它并不能证明有关所有实数的陈述。一个反例足以反驳;证明需要一般性论证。 在日常生活中 **地图。**用于计算地球表面距离的半正矢公式取决于身份$\operatorname{sen}^2\frac{\theta}{2} = \frac{1 - \cos\theta}{2}$。 Rms 电压。 鉴定显示 127 Rms 等于出口处约 180 V 的峰值。 **检查公式。**工程师通过测试它是否在简单情况下简化为已知恒等式来检查长公式。 插座处的标识 $\operatorname{sen}^2x = \frac{1 - \cos 2x}{2}$:180 V 的峰值和 127 V 的均方根电压。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa.

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已证明的基本关系

毕达哥拉斯在圆中 点 $P=(\cos x,\sin x)$ 距原点 1 个单位。轴上的投影形成一个边为 $|\cos x|$ 和 $|\sin x|$ 的直角三角形。应用毕达哥拉斯,我们得到: $$\sin^2x+\cos^2x=1.$$在轴上,直接验证相等性:一个坐标为零,另一个坐标具有模数 1。因此,该恒等式适用于每个真实的 $x$。 将关系融为一体 定义和先前的身份提供: $$\tan x=\frac{\sin x}{\cos x},\quad \cot x=\frac{\cos x}{\sin x},$$ $$\sec x=\frac1{\cos x},\quad\csc x=\frac1{\sin x}.$$将基本恒等式除以 $\cos^2x$ 需要 $\cos x\ne0$ 并给出: $$1+\tan^2x=\sec^2x.$$除以 $\sin^2x$ 和 $\sin x\ne0$,得出: $$1+\cot^2x=\csc^2x.$$当正弦和余弦不为零时,$\tan x\cot x=1$仍然有效。这些结果并不免除分母的条件。 示例:检索其他函数 假设$\sin x=5/13$和$x$位于第二象限。然后: $$\cos^2x=1-\frac{25}{169}=\frac{144}{169}.$$该象限中的余弦为负,因此为 $\cos x=-12/13$。由此可见: $$\tan x=-\frac5{12},\quad\cot x=-\frac{12}{5},\quad \sec x=-\frac{13}{12},\quad\csc x=\frac{13}{5}.$$平方根提供两种符号可能性;象限是允许您选择的数据。 关于符号的警告 $\sin^2x$ 表示$(\sin x)^2$。 $\sin(x^2)$ 将正弦应用于输入的平方,是一个不同的函数。同样,方格之间的恒等式不允许在不考虑符号的情况下直接使值相等。 在日常生活中 斜面。 坡道上重量的分量 $P\operatorname{sen}\alpha$ 和 $P\cos\alpha$ 通过基本关系重新组合重量。 电能。 有功功率、无功功率和视在功率形成直角三角形:$S^2 = P^2 + Q^2$、$P = S\cos\varphi$ 和 $Q = S\operatorname{sen}\varphi$。 **检索数据。**如果传感器仅测量角度的余弦,则基本关系将返回正弦 - 只是缺少来自象限的信号。 相同角度的正弦和余弦重新构成屏幕的对角线。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa.

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正切函数:斜率、域和图

比较坐标 在第一象限中,穿过 $P=(\cos x,\sin x)$ 的半径直线的斜率等于高度除以水平位移。我们将此比率扩展到分母不为零的所有角度: $$\tan x=\frac{\sin x}{\cos x}.$$标识: $$\operatorname{Dom}(\tan)=\mathbb R\setminus \left\{\frac\pi2+k\pi:k\in\mathbb Z\right\}.$$图像是$\mathbb R$。正切在象限 I 和 III 中为正,在象限 II 和 IV 中为负。它的零点是$x=k\pi$。 期间报表 半圈后,两个坐标改变符号: $$\tan(x+\pi)=\frac{-\sin x}{-\cos x}=\tan x.$$因此,$\pi$ 是一个句点。对于正周期$T$重复$\tan0=0$的值,需要是$\pi$的正倍数;最小的是$\pi$。正切也是奇数,因为: $$\tan(-x)=\frac{-\sin x}{\cos x}=-\tan x.$$该图是由分支组成的 在每个区间 $(-\pi/2+k\pi,\pi/2+k\pi)$ 中,正切严格递增。当水平坐标接近零而垂直坐标抵消时,商的大小无限制地增加。 线 $x=\pi/2+k\pi$ 是垂直渐近线。它们不是图表上的点。 $\pi/2$ 中不存在“无限正切”作为实际值;该函数根本没有在该输入中定义。 分支经过$(-\pi/4,-1)$、$(0,0)$和$(\pi/4,1)$。其余的都是通过$\pi$的翻译获得的。 对代数运算的限制 $\tan x$ 存在时,等式 $\tan x\cos x=\sin x$ 成立。简化的乘积不允许在 $x=\pi/2$ 中使用原始表达式,即使在那里定义了正弦。 在日常生活中 坡度百分比。 坡度为 10% 的街道具有 $\operatorname{tg}\alpha = 0{,}10$,即 $\alpha \approx 5{,}7^\circ$。 视场。 光圈为 $90^\circ$ 的相机在 3 米处看到的宽度为 $2 \cdot 3\operatorname{tg} 45^\circ = 6$ 米。 为什么切线会“爆炸”。 接近 $90^\circ$ 时,斜坡会变成一堵墙:每行走一米,坡道就必须无限上升。 相机在 $d$ 距离处看到的宽度是 $2d\operatorname{tg}\beta$。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa.

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余弦函数:横坐标和图形

带标志的宽度 对于循环中的$P=(u,v)$,我们定义$\cos x=u$。余弦在右半圆为正,在左半圆为负。它的域是$\mathbb R$,它的镜像是$[-1,1]$。 轴点提供: $x$ $0$ $\pi/2$ $\pi$ $3\pi/2$ $2\pi$ $\cos x$ $1$ $0$ $-1$ $0$ $1$ 零是 $x=\pi/2+k\pi$。最大值出现在 $x=2k\pi$ 处,最小值出现在 $x=\pi+2k\pi$ 处,其中 $k\in\mathbb Z$。 奇偶性和周期的演示 $x$和$-x$的点是水平轴上的反射。其横坐标相等: $$\cos(-x)=\cos x.$$因此,余弦是偶数。完整的旋转会保留坐标,因此 $\cos(x+2\pi)=\cos x$。为了存在正周期 $T$,特别是 $\cos T=\cos0=1$ 必须有效。具有该值的最小$T>0$是$2\pi$,这是其基本周期。 增长和减少 当该点从右向左移动上半圆时,其水平坐标从1下降到$-1$。因此,$[2k\pi,\pi+2k\pi]$中的余弦减小。在下半圆中,它在 $[\pi+2k\pi,2\pi+2k\pi]$ 处增长。 与正弦的关系 $\pi/2$ 的旋转会根据旋转方向交换水平位置和高度。结果是: $$\cos x=\sin\left(x+\frac\pi2\right).$$两个图具有相同的形状并且水平偏移。不应该得出结论,对于相同的输入,它们的值是相同的:在$x=0$中,正弦是0,余弦是1。 例如,$f(x)=3\cos(2x)+1$具有幅度3、周期$\pi$和图像$[-2,4]$。 在日常生活中 **太阳能电池板。**接收到的功率与入射角的余弦成正比:太阳在前面时功率最大,当太阳靠近电池板时功率降至零。 发动机活塞。 活塞的位置大约遵循 $r\cos\theta$,其中 $\theta$ 是轴的旋转。 投影。 一根长度为 $L$ 的棍子的影子倾斜于 $\alpha$,太阳位于其头部,测量结果为 $L\cos\alpha$。 来自太阳能电池板的能量遵循入射角的余弦。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa.

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正弦函数:定义、符号和图形

点的高度 如果循环中真实的$x$的图像是$P=(u,v)$,则定义$\sin x=v$。正弦是垂直的有符号坐标,而不是到水平轴的无符号距离。 任何实数在循环中都有一个图像。高度从 $-1$ 到 1 变化,包括极值。所以: $$\operatorname{Dom}(\sin)=\mathbb R,\qquad\operatorname{Im}(\sin)=[-1,1].$$在每一圈中,上半圆的正弦值为正,下半圆的正弦值为负。它的零是$x=k\pi$到$k\in\mathbb Z$。 图表一转 $x$ $0$ $\pi/2$ $\pi$ $3\pi/2$ $2\pi$ $\sin x$ $0$ $1$ $0$ $-1$ $0$ 在每个区间 $[-\pi/2+2k\pi,\pi/2+2k\pi]$ 中,正弦值从 $-1$ 增加到 1,在 $[\pi/2+2k\pi,3\pi/2+2k\pi]$ 中,正弦值从 1 到 $-1$ 减小。重复这些部分就形成了正弦曲线。 两个属性的演示 水平轴上的反射将 $x$ 的图像变换为 $-x$ 的图像,保持水平坐标并反转垂直坐标。像这样: $$\sin(-x)=-\sin x.$$因此,正弦是奇函数。完整的转弯保留该点,因此 $\sin(x+2\pi)=\sin x$。最小正周期为 $2\pi$,因为最大高度 1 仅在完整旋转后重新出现。 最大值出现在 $x=\pi/2+2k\pi$;最小的,在 $x=3\pi/2+2k\pi$ 中。 读取转换 在 $h(x)=4+3\sin x$ 处,中线为 4,振幅为 3。图像是$[1,7]$。周期保持为 $2\pi$,因为添加常数或乘以输出不会改变完成模式所需的时间。 在日常生活中 音乐。 音叉上的 A 音符是每秒 440 个周期的正弦曲线;较高的音符周期较短。 海浪。 远离海滩的规则波浪的轮廓接近正弦曲线;振幅是波峰和波谷之间距离的一半。 手机的振动。 使手机振动的小电机会产生正弦来回运动。 声音是正弦曲线:两个附近的音符加在一起会产生脉动的音量。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa.

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循环函数和周期性

从运动到功能 函数将单个输出与域的每个输入相关联。当一个点经过三角循环时,我们可以观察到它的高度、水平位置或其他几何构造量。每个选择都会产生一个循环函数。 输入通常是代表旋转弧度的实数。即使两个不同的输入导致相同的点,每个输入都有一个独特的图像。函数可以重复输出。 重复是什么意思? 我们说 $T>0$ 是一个周期,对于所有允许的输入,域和值按以下偏移量重复: $$f(x+T)=f(x).$$当存在最小正周期时,称为基本周期。需要区分“一个周期”和“最小周期”:如果$T$是一个周期,那么$2T$和$3T$也是一个周期。 常数函数允许所有 $T>0$ 作为周期,并且没有最小的正周期。这说明了为什么未成年人的存在需要审查。 循环重复演示 $x+2\pi$的点与$x$的点重合。因此,该点的任意坐标在$2\pi$之后重复。正弦和余弦将在接下来的类中定义,满足: $$\sin(x+2\pi)=\sin x,\qquad\cos(x+2\pi)=\cos x.$$周期函数的图形可以通过重复与周期相对应的部分来构建。本节的结尾必须与函数的定义兼容;它不存在的点仍然不存在。 改变输入速度 如果 $g(x)=\sin(bx+c)$ 与 $b\ne0$,我们希望 $x$ 的变化在参数中产生一个完整的回合: $$|b|T=2\pi\quad\Rightarrow\quad T=\frac{2\pi}{|b|}.$$对于 $g(x)=a\sin(bx+c)+d$,对于 $a\ne0$,这仍然是基本周期。振幅为$|a|$,平均轴为$y=d$。如果 $a=0$,则函数为常数,基本周期规则不再有效。 例如,$g(x)=2\sin(3x)-1$从$-3$振荡到1并具有周期$2\pi/3$。 在日常生活中 心脏。 每分钟 75 次心跳,心动周期的周期为 $\frac{60}{75} = 0{,}8$ 秒。 插座。 巴西交流电的频率为 60 Hz:周期为 $\frac{1}{60}$ 秒。 **季节。**一天的长度和平均温度以大约 365,25 天的周期重复。 心、插座、红绿灯、月亮和星期:每种现象都有其周期。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa. 有决心的练习 1。 $f(x)=\cos(4x)$ 的基本周期是多少? 检查分辨率 1$2\pi/4=\pi/2$. 2. 函数 $f(x)=5$ 有基本周期吗?

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三角测量:测量不交叉的距离

想象一个球位于溪流的另一边。你想知道到它的距离,但你不知道 您不能将卷尺横过或拉过水面。三角形可以帮助:代替 测量整个路径,我们测量安全部分并观察两个角度。 显示测量值的三角形 我们将 P 称为我们想要到达的点。在边缘上找到一个点 A 使得 从 A 到 P 的线段与边缘形成直角。在页边空白处标记另一个点 B,即 距A有一段距离。 在 B 处,将返回 A 的方向与返回 P 的方向进行比较。当这些方向形成一个 角度 $45°$,三角形 ABP 有: 与 A 成直角; B 处的角度为 $45°$; P 中的角为 $45°$,因为三角形的三个角加起来为 $180°$。 $45°$ 的两个角的相对边具有相同的长度。因此,$AB=AP$。从远处看 从 A 到点 P 等于我们可以测量的边距延伸。 带有步骤的示例 假设您在 A 的 8 m 处标记了 B。从 B 到 P 时,您会看到与方向的角度 BA 来自 $45°$。然后: $$AP=AB=8\text{ m}.$$结果并没有说明从 B 到 P 的距离也是 8 米:那条边是斜边并且尺寸更大。 确定正在计算的距离与进行数学计算一样重要。 在日常生活中 我们的眼睛。 每只眼睛看到物体的角度都略有不同;大脑“解出三角形”并估计距离。闭上一只眼睛会让这变得更加困难。 带有两个摄像头的手机。“人像模式”背景模糊使用相同的原理:两个分开的镜头比较角度并计算到每个点的距离。 **恒星。**天文学家通过在地球轨道两侧观察到的角度差(视差)来测量到附近恒星的距离。 两只眼睛形成一个三角形的底边:物体距离越远,视图之间的角度越小。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa.

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任何三角形:完整的工具箱

在互动书中: 完成第 X 章,包含所有演示和练习. 从银行看到的一座桥 两点 A 和 B 位于河的同一岸上,相距已知距离。 C点在对岸。通过测量A和B的角度,我们可以在不交叉的情况下计算AC和BC。所形成的三角形可能没有直角。 我们将角度称为 $A,B,C$,将其对边称为 $a,b,c$。始终$A+B+C=180°$。非简并三角形的边均为正,并且每条边都小于其他两条边的和。 余弦定律的演示 将 A 放置在原点,将 B 放置在 $(c,0)$ 处,将 C 放置在 $(b\cos A,b\operatorname{sen} A)$ 处。 BC 侧尺寸为 $a$。通过两点之间的距离,来自毕达哥拉斯: $$\begin{aligned} a^2&=(b\cos A-c)^2+(b\operatorname{sen} A)^2\\ &=b^2(\cos^2A+\operatorname{sen}^2A)+c^2-2bc\cos A\\ &=b^2+c^2-2bc\cos A. \end{aligned}$$该表达式也适用于 $A$ 钝角,因为 C 的水平坐标变为负值。如果$A=90°$,余弦项为零,我们再次找到毕达哥拉斯。 例如,对于 $b=5$、$c=7$ 和 $A=60°$,我们有 $a^2=25+49-70/2=39$,然后是 $a=\sqrt{39}$。 面积公式演示 相对于边 $c$ 的高度测量为 $b\operatorname{sen} A$。如果 $A$ 是钝角,则高度落在底边的延长线上,并且正弦保持为正值。因此面积 $K$ 为: $$K=\frac{bc\operatorname{sen} A}{2}.$$选择其他对边,我们也得到$K=ac\operatorname{sen} B/2=ab\operatorname{sen} C/2$。使表达式相等并除以 $abc/2$(正数),结果为: $$\frac{\operatorname{sen} A}{a}=\frac{\operatorname{sen} B}{b}=\frac{\operatorname{sen} C}{c}.$$反演,我们得到正弦定律: $$\frac a{\operatorname{sen} A}=\frac b{\operatorname{sen} B}=\frac c{\operatorname{sen} C}.$$如果 $R$ 是穿过三个顶点的圆的半径,则与 $A$ 相对的弦的尺寸为 $a=2R\operatorname{sen} A$。这是将具有两个半径的三角形分成两半的结果:对于 $A$ 钝角,我们使用具有相同正弦的补角。所以上面的公比是$2R$和$K=abc/(4R)$。

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直角三角形:无需触及即可测量

在互动书中: 完成第九章,包含所有演示和练习. 树的高度 您距离一棵树 6 米,位于水平地面上,并且您看到树顶的仰角为 $45°$。不用爬就能知道高度。我们需要建立一个三角形并准确说出我们从哪里观察到它。 直角三角形的角为 $90°$。与之相对的一边是斜边;其他的是导管。对于选定的锐角,一侧相对,另一侧相邻。 毕达哥拉斯的面积演示 剪出四个相等的直角三角形,其边为 $a,b$,斜边为 $c$。将它们排列在边 $a+b$ 的正方形内,角处的直角和斜边形成边 $c$ 的中心正方形。 中心正方形具有直角,因为每个三角形的两个锐角之和为 $90°$。大面积是四个三角形面积与中心面积之和: $$\begin{aligned} (a+b)^2&=4\frac{ab}{2}+c^2,\\ a^2+2ab+b^2&=2ab+c^2,\\ a^2+b^2&=c^2. \end{aligned}$$该演示解释了任何直角三角形的相等性,而不仅仅是整数测量的绘图。 为什么比率仅取决于角度? 具有相同锐角的两个直角三角形的三个角都相等。它们相似:它们的对应边比例相同。如果我们将所有边都乘以相同的数字,则商不会改变。我们定义: $$\operatorname{sen}\alpha=\frac{\text{oposto}}{\text{hipotenusa}},\qquad \cos\alpha=\frac{\text{adjacente}}{\text{hipotenusa}},$$ $$\tan\alpha=\frac{\text{oposto}}{\text{adjacente}}.$$当将斜边缩小到1并将角度置于平面原点时,两条腿就是循环点的坐标。因此,前几章的定义和三角形的定义是一致的。 创建三个相似三角形的高度 称斜边为 $c$。从直角绘制的高度$h$将$c$分为部分$p$和$q$。设 $a$ 为在斜边上投影为 $p$ 的边,$b$ 为与 $q$ 关联的边。 三角形的相似度给出 $a/c=p/a$ 和 $b/c=q/b$。横向相乘: $$a^2=cp,\qquad b^2=cq.$$比较区域,$ab/2=ch/2$,然后是$h=ab/c$。标识: $$h^2=\frac{a^2b^2}{c^2}=\frac{cp\,cq}{c^2}=pq.$$我们还有$p+q=c$。这些是直角三角形的度量关系。 工作示例:树和它的眼睛 如果眼睛距离地面 1,4 米,则垂直腿从眼睛高度到顶部。称此差异为$d$: $$\tan45°=\frac d6\quad\Rightarrow\quad d=6\text{ m}.$$这棵树的尺寸为 $6+1{,}4=7{,}4$ 米。测量取决于以下假设:平坦的地形、垂直的树木和 6 米的水平距离。粗略估计角度可得出近似高度。 如何选择工具 如果您知道两个方面并想要第三个方面,请使用毕达哥拉斯。如果您知道锐角和边,请选择涉及已知边和所需边的比率。另一个锐角是$90°-\alpha$。在结果中写入单位并检查斜边是否大于每条边。