Trigonometriset funktiot
Tällä sivulla esitellään trigonometrisiä funktioita ja niiden ominaisuuksia, laskusääntöjä sekä esimerkkejä.
Määrittely
Sini, kosini ja tangentti voidaan määritellä suorakulmaisen kolmion avulla seuraavasti: ja
Yleisempi määritelmä saadaan origokeskisen yksikköympyrän avulla. Otetaan jokin ympyrän piste Tämän pisteen paikkavektoriVektori, joka alkaa origosta ja päättyy pisteeseen. muodostaa kulman akselin kanssa. Kulman kiertosuunnalla ei ole väliä. Nyt funktiot voidaan määritellä seuraavasti: ja
Arkusfunktiot
Arkusfunktiot ovat nimitys trigonometristen funktioiden käänteisfunktioille Esimerkiksi arkussini kulman sinistä on kulma itse: Arkusfunktioiden kuvaaja saadaan peilaamalla sopiva pätkä siniä, kosinia tai tangenttia suoran suhteen. Kulmien ratkaisemisen lisäksi arkusfunktiot ovat hyödyllisiä integraalilaskennassa.
Muita trigonometrisiä funktioita
Funktio | Lyhenne | Kuvaus | Relaatio |
---|---|---|---|
kotangentti | |||
sekantti | |||
kosekantti | (tai ) |
Sekantti on parillinen, mutta kotangentti ja kosekantti ovat parittomia funktioita:
Asteet ja radiaanit
Radiaani on kulman yksikkö siinä missä asteetkin. Kun asteilla mitataan kulman suuruutta, radiaani ilmaisee kulman piirtämän kaaren pituuden yksikköympyrällä. Yleisemmin voidaan kirjoittaa radiaanin määritelmä, että kulman suuruus radiaaneissa on yhtä suuri kuin sitä vastaavan kaaren pituus jaettuna säteellä eli
Alla oleva kuva hahmottaa tilannetta.
Asteet voidaan muuntaa radiaaneiksi ja päinvastoin verrannon avulla ja seuraavalla (muisti)kaavalla:
Yleensä radiaanit yksikkönä jätetään merkitsemättä ja ilmoitetaan kulma vain lukuna: .
Kirjoitetaan verrantotaulukko ja lasketaan sen avulla kuinka monta radiaania on . Merkitään tuntematonta kirjaimella .
Asteet | Radiaanit |
---|---|
Nyt verranto antaa ristiinkertomisella
Kun ollaan yksikköympyrällä eli , niin kulman suuruus radiaaneissa on sitä vastaavan kaaren pituus.
Vastaus: .
Laskusääntöjä
Tässä on lueteltuna joitakin laskusääntöjä trigonometrisille funktioille, joista hyödyllisimpiä lienee kaksinkertaisen kulman kaavat ja pythagoraan trigonometrinen identiteetti Kaikkia kaavoja ei tietenkään kannata opetella ulkoa, mutta on hyvä tietää että trigonometrisiä funktioita voi esittää monella eri tavalla.
Tavallisia laskusääntöjä sinille, kosinille ja tangentille
Tasasivuisen kolmion avulla saadaan tarkan arvot trigonometrisille funktioille kulmilla ja Asetetaan sivun pituudeksi 1, jolloin kolmion korkeus on pythagoraan lauseen mukaan Tasakylkisestä suorakulmaisesta kolmiosta saadaan tarkat arvot kulmalle asettamalla kateettien pituudeksi , jolloin hypotenuusan pituus on ja kulmat ovat
Sini ja kosini ovat jaksollisia, eli kaikilla ja kokonaisluvuilla pätee tangentti taas on jaksollinen, eli Sini ja kosini ovat vaihessiirron päässä toisistaan, eli Sini ja tangentti ovat parittomia funktioita ja kosini on parillinen
missä on merkkifunktio, joka palauttaa vakion etumerkin.
Jos kolmiosta tiedetään kaikkien sivujen pituudet tai sivu-kulma-sivu tai kulma-sivu-kulma määräävät nämä kolmion yksikäsitteisesti, ja puuttuvat kulmat/sivut voidaan laskea seuraavien lauseiden avulla.
Kun kolmion kulmat ovat ja niiden vastaiset sivut ja ja kolmion pinta-ala , saadaan
Lisää laskusääntöjä löytyy wikipedian listasta trigonometric indentities.
Trigonometristen funktioiden derivaattoja ja integraaleja
Sarjakehitelmiä
Sini-, kosini- ja tangenttifunktiot voidaan esittää Taylorin sarjoina:
Esimerkkejä
Kuinka korkealle heilurin, jonka pituus on pää nousee, kun se heilahtaa yhdelle puolelle?
Pystysuora etäisyys heilurin nivelestä pallon korkeuteen on missä
Nyt pallon korkeus mitattuna matalimmasta pisteestä on
Ratkaise yhtälö kun
Sovelletaan kaksinkertaisen sinin lauseketta
Nyt tulon nollasääntöä soveltamalla saadaan:
tai
Ensimmäisestä yhtälöstä saadaan:
tai kun
Toisella yhtälöllä ei ole reaalisia ratkaisuja, joten ja ovat yhtälön kaikki ratkaisut.
Hyperboliset funktiot
Samalla tavalla kuin määrittelee ympyrän, määrittelee hyperbelin. Hyperboliset funktiot voidaan kirjoittaa eksponenttifunktion avulla:
Hyperbolinen sini ja kosini esiintyvät monella fysiikan alalla Laplacen yhtälön ratkaisuina. Esimerkiksi tunnetaan ketjukäyränä, sillä päistään kiinnitetty ketju asettuu tähän muotoon oman painonsa vaikutuksesta.
Voit tutkia yksikköhyperbelin pisteitä tällä geogebralla:
- Kun liukusäädin on valittu, voit säätää kulmaa itse, tai käynnistää animaation vasemmasta alakulmasta.
- Kun liukusäädin ei ole valittuna, voit liikuttaa pistettä hyperbelillä.
Kompleksinen eksponenttifunktio
Kompleksinen eksponenttifunktio voidaan Eulerin lauseen mukaan lausua trigonometristen funktioiden avulla:
Kompleksinen eksponenttifunktio on siis jaksollinen. Funktio piirtää kompleksitasoon yksikköympyrän.
Tämän avulla trigonometriset funktiot voidaan laajentaa koko kompleksitasolle: ja
ja joten Tämän tuloksen nojalla kompleksinen kosini määritellään:
ja joten Tämän tuloksen nojalla kompleksinen sini määritellään:
These are the current permissions for this document; please modify if needed. You can always modify these permissions from the manage page.