1.3: Тригонометричні функції

Цілі навчання

• Перетворення кутових вимірювань між градусами і радіанами.
• Розпізнайте трикутні та кругові визначення основних тригонометричних функцій.
• Напишіть основні тригонометричні тотожності.
• Визначте графіки і періоди тригонометричних функцій.
• Опишіть зсув графа синуса або косинуса від рівняння функції.

Тригонометричні функції використовуються для моделювання багатьох явищ, включаючи звукові хвилі, коливання струн, змінний електричний струм і рух маятників. Насправді практично будь-який повторюваний, або циклічний рух можна моделювати деякою комбінацією тригонометричних функцій. У цьому розділі ми визначаємо шість основних тригонометричних функцій і розглянемо деякі основні ідентичності, що включають ці функції.

Радіан міра

Щоб використовувати тригонометричні функції, спочатку треба зрозуміти, як вимірювати кути. Хоча ми можемо використовувати як радіани, так і градуси, радіани є більш природним вимірюванням, оскільки вони пов'язані безпосередньо з одиничним колом, колом з радіусом 1. Радіан міра кута визначається наступним чином. Задано кут$θ$, нехай$s$ буде довжина відповідної дуги на одиничному окружності (рис.$\PageIndex{1}$). Ми говоримо, що кут, відповідний дузі довжини 1, має радіанову міру 1.

Малюнок$\PageIndex{1}$: Радіан міра кута$θ$ - це довжина дуги$s$ пов'язаної дуги на одиничному колі.

Оскільки кут$360°$ відповідає окружності кола, або дузі довжини$2π$, робимо висновок, що кут з градусною мірою$360°$ має радіанову міру$2π$. Аналогічно, ми бачимо,$180°$ що еквівалентно$\pi$ радіанам. Таблиця$\PageIndex{1}$ показує взаємозв'язок між загальним ступенем і радіановими значеннями.

Таблиця$\PageIndex{1}$: Загальні кути, виражені в градусах і радіанах

Градуси	Радіани	Градуси	Радіани
0	0	120	$2π/3$
30	$π/6$	135	$3π/4$
45	$π/4$	150	$5π/6$
60	$π/3$	180	$π$
90	$π/2$

Перетворення між радіанами та градусами

1. Експрес$225°$ using radians.
2. Експрес$5π/3$ rad using degrees.

Рішення

Використовуйте той факт, що$180$° еквівалентний$\pi$ радіанам як коефіцієнт перетворення (Таблиця$\PageIndex{1}$):

$$1=\dfrac{π \,\mathrm{rad}}{180°}=\dfrac{180°}{π \,\mathrm{rad}}. \nonumber$$

1. $225°=225°⋅\left(\dfrac{π}{180°}\right)=\left(\dfrac{5π}{4}\right)$ rad
2. $\dfrac{5π}{3}$ rad = $\dfrac{5π}{3}$⋅$\dfrac{180°}{π}$=$300$°

Вправа$\PageIndex{1}$

1. Експрес$210°$ за допомогою радіанів.
2. Експрес$11π/6$ rad using degrees.

Підказка

$π$радіани дорівнює 180°

Відповідь

1. $7π/6$
2. 330°

Шість основних тригонометричних функцій

Тригонометричні функції дозволяють нам використовувати кутові міри в радіанах або градусах, щоб знайти координати точки на будь-якому колі - не тільки на одиничному колі - або знайти кут, заданий точкою на колі. Вони також визначають співвідношення сторін і кутів трикутника.

Щоб визначити тригонометричні функції, спочатку розглянемо одиничну окружність з центром у початковій точці та точку$P=(x,y)$ на одиничному колі. $θ$Дозволяти кут з початковою стороною, яка лежить уздовж позитивної$x$ -осі і з кінцевою стороною, яка є відрізок лінії$OP$. Кут в цьому положенні, як кажуть, знаходиться в стандартному положенні (рис.$\PageIndex{2}$). Потім ми можемо визначити значення шести тригонометричних функцій для з$θ$ точки зору координат$x$ і$y$.

Малюнок$\PageIndex{2}$: Кут$θ$ знаходиться в стандартному положенні. Значення тригонометричних функцій для$θ$ визначені через координати$x$ і$y$.

Визначення: Тригонометричні функції

$P=(x,y)$Дозволяти точка на одиниці окружності з центром у початковій точці$O$. $θ$Дозволяти кут з початковою стороною вздовж позитивної$x$ -осі і кінцевої сторони, заданої відрізком лінії$OP$. Тригонометричні функції потім визначаються як

$\sin θ=y$	$\csc θ=\dfrac{1}{y}$
$\cos θ=x$	$\sec θ=\dfrac{1}{x}$
$\tan θ=\dfrac{y}{x}$	$\cot θ=\dfrac{x}{y}$

Якщо$x=0, \sec θ$ і$\tan θ$ не визначені. Якщо$y=0$, то$\cot θ$ і$\csc θ$ не визначені.

Ми бачимо, що для точки$P=(x,y)$ на колі радіуса$r$ з відповідним кутом$θ$ координати$x$ і$y$ задовольнити

$$\begin{align} \cos θ &=\dfrac{x}{r} \\ x &=r\cos θ \end{align} \nonumber$$

і

$$\begin{align} \sin θ &=\dfrac{y}{r} \\ y &=r\sin θ. \end{align} \nonumber$$

Значення інших тригонометричних функцій можуть бути виражені через$x,y$, і$r$ (рис.$\PageIndex{3}$).

Малюнок$\PageIndex{3}$: Для точки$P=(x,y)$ на колі радіуса$r$, координати$x$ і$y$ задовольнити$x=r\cos θ$ і$y=r\sin θ$.

Таблиця$\PageIndex{2}$ показує значення синуса і косинуса під великими кутами в першому квадранті. З цієї таблиці ми можемо визначити значення синуса і косинуса під відповідними кутами в інших квадрантах. Значення інших тригонометричних функцій обчислюються легко з значень$\sin θ$ and $\cos θ.$

Таблиця$\PageIndex{2}$: Значення$\sin θ$ та$\cos θ$ під великими кутами$θ$ в першому квадранті

$θ$θ	$\sin θ$	$\cos θ$
\ (θ\) θ» style="вирівнювання тексту: центр; "> 0	\ (\ sin θ\)» style="вирівнювання тексту: центр; "> 0	\ (\ cos θ\)» style="вирівнювання тексту: центр; "> 1
\ (θ\) θ» style="вирівнювання тексту: центр; ">$\dfrac{π}{6}$	\ (\ sin θ\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">$\dfrac{1}{2}$	\ (\ cos θ\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">$\dfrac{\sqrt{3}}{2}$
\ (θ\) θ» style="вирівнювання тексту: центр; ">$\dfrac{π}{4}$	\ (\ sin θ\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">$\dfrac{\sqrt{2}}{2}$	\ (\ cos θ\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">$\dfrac{\sqrt{2}}{2}$
\ (θ\) θ» style="вирівнювання тексту: центр; ">$\dfrac{π}{3}$	\ (\ sin θ\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">$\dfrac{\sqrt{3}}{2}$	\ (\ cos θ\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">$\dfrac{1}{2}$
\ (θ\) θ» style="вирівнювання тексту: центр; ">$\dfrac{π}{2}$	\ (\ sin θ\)» style="вирівнювання тексту: центр; "> 1	\ (\ cos θ\)» style="вирівнювання тексту: центр; "> 0

Приклад$\PageIndex{2}$: Evaluating Trigonometric Functions

Оцініть кожне з наступних виразів.

1. $\sin \left(\dfrac{2π}{3} \right)$
2. $\cos \left(−\dfrac{5π}{6} \right)$
3. $\tan \left(\dfrac{15π}{4}\right)$

Рішення:

а) На одиничній окружності кут$θ=\dfrac{2π}{3}$ відповідає точці$\left(−\dfrac{1}{2},\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)$. Тому,

$$\sin \left(\dfrac{2π}{3}\right)=y=\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right). \nonumber$$

б) Кут$θ=−\dfrac{5π}{6}$ corresponds to a revolution in the negative direction, as shown. Therefore,

$$\cos \left(−\dfrac{5π}{6}\right)=x=−\dfrac{\sqrt{3}}{2}. \nonumber$$

c) An angle $θ$=$\dfrac{15π}{4}$=$2π$+$\dfrac{7π}{4}$. Therefore, this angle corresponds to more than one revolution, as shown. Knowing the fact that an angle of $\dfrac{7π}{4}$ corresponds to the point $(\dfrac{\sqrt{2}}{2},-\dfrac{\sqrt{2}}{2})$, we can conclude that

$$\tan \left(\dfrac{15π}{4}\right)=\dfrac{y}{x}=−1. \nonumber$$

Exercise $\PageIndex{2}$

Evaluate $\cos(3π/4)$ and $\sin(−π/6)$.

Hint

Look at angles on the unit circle.

Answer

$$\cos(3π/4) = −\sqrt{2}/2\nonumber$$

$$\sin(−π/6) =−1/2 \nonumber$$

As mentioned earlier, the ratios of the side lengths of a right triangle can be expressed in terms of the trigonometric functions evaluated at either of the acute angles of the triangle. Let $θ$ be one of the acute angles. Let $A$ be the length of the adjacent leg, $O$ be the length of the opposite leg, and $H$ be the length of the hypotenuse. By inscribing the triangle into a circle of radius $H$, as shown in Figure $\PageIndex{4}$, we see that $A,H$, and $O$ satisfy the following relationships with $θ$:

$\sin θ=\dfrac{O}{H}$	$\csc θ=\dfrac{H}{O}$
$\cos θ=\dfrac{A}{H}$	$\sec θ=\dfrac{H}{A}$
$\tan θ=\dfrac{O}{A}$	$\cot θ=\dfrac{A}{O}$

Figure $\PageIndex{4}$: By inscribing a right triangle in a circle, we can express the ratios of the side lengths in terms of the trigonometric functions evaluated at $θ$.

Example $\PageIndex{3}$: Constructing a Wooden Ramp

A wooden ramp is to be built with one end on the ground and the other end at the top of a short staircase. If the top of the staircase is $4$ ft from the ground and the angle between the ground and the ramp is to be $10$°, how long does the ramp need to be?

Solution

Let $x$ denote the length of the ramp. In the following image, we see that $x$ needs to satisfy the equation $\sin(10°)=4/x$. Solving this equation for $x$, we see that $x=4/\sin(10°)$≈$23.035$ ft.

Exercise $\PageIndex{3}$

A house painter wants to lean a $20$-ft ladder against a house. If the angle between the base of the ladder and the ground is to be $60$°, how far from the house should she place the base of the ladder?

Hint

Draw a right triangle with hypotenuse 20.

Answer

10 ft

Trigonometric Identities

A trigonometric identity is an equation involving trigonometric functions that is true for all angles $θ$ for which the functions are defined. We can use the identities to help us solve or simplify equations. The main trigonometric identities are listed next.

Trigonometric Identities

Reciprocal identities

$$\tan θ=\dfrac{\sin θ}{\cos θ} \nonumber$$

$$\cot θ=\dfrac{\cos θ}{\sin θ} \nonumber$$

$$\csc θ=\dfrac{1}{\sin θ} \nonumber$$

$$\sec θ=\dfrac{1}{\cos θ} \nonumber$$

Pythagorean identities

$$\begin{align} \sin^2θ+\cos^2θ &=1 \label{py1} \\[4pt] 1+\tan^2θ &=\sec^2θ \\[4pt] 1+\cot^2θ &=\csc^2θ \end{align}$$

Addition and subtraction formulas

$$\sin(α±β)=\sin α\cos β±\cos α \sin β \nonumber$$

$$\cos(α±β)=\cos α\cos β∓\sin α \sin β \nonumber$$

Double-angle formulas

$$\sin(2θ)=2\sin θ\cos θ \label{double1}$$

$$\begin{align} \cos(2θ) &=2\cos^2θ−1 \\[4pt] &=1−2\sin^2θ \\[4pt] &=\cos^2θ−\sin^2θ \end{align} \nonumber$$

Example $\PageIndex{4}$: Solving Trigonometric Equations

For each of the following equations, use a trigonometric identity to find all solutions.

1. $1+\cos(2θ)=\cos θ$
2. $\sin(2θ)=\tan θ$

Solution

a) Using the double-angle formula for $\cos(2θ)$, we see that $θ$ is a solution of

$$1+\cos(2θ)=\cos θ \nonumber$$

if and only if

$$1+2\cos^2θ−1=\cos θ, \nonumber$$

which is true if and only if

$$2\cos^2θ−\cos θ=0. \nonumber$$

To solve this equation, it is important to note that we need to factor the left-hand side and not divide both sides of the equation by $\cos θ$. The problem with dividing by $\cos θ$ is that it is possible that $\cos θ$ is zero. In fact, if we did divide both sides of the equation by $\cos θ$, we would miss some of the solutions of the original equation. Factoring the left-hand side of the equation, we see that $θ$ is a solution of this equation if and only if

$$\cos θ(2\cos θ−1)=0. \nonumber$$

Since $\cos θ=0$ when

$$θ=\dfrac{π}{2},\dfrac{π}{2}±π,\dfrac{π}{2}±2π,…, \nonumber$$

and $\cos θ=1/2$ when

$$θ=\dfrac{π}{3},\dfrac{π}{3}±2π,…\mathrm{or}\ θ=−\dfrac{π}{3},−\dfrac{π}{3}±2π,…, \nonumber$$

we conclude that the set of solutions to this equation is

$$θ=\dfrac{π}{2}+nπ,\;θ=\dfrac{π}{3}+2nπ \nonumber$$

and

$$θ=−\dfrac{π}{3}+2nπ,\;n=0,±1,±2,….\nonumber$$

b) Using the double-angle formula for $\sin(2θ)$ and the reciprocal identity for $\tan(θ)$, the equation can be written as

$$2\sin θ\cos θ=\dfrac{\sin θ}{\cos θ}.\nonumber$$

To solve this equation, we multiply both sides by $\cos θ$ to eliminate the denominator, and say that if $θ$ satisfies this equation, then $θ$ satisfies the equation

$$2\sin θ \cos^2θ−\sin θ=0. \nonumber$$

However, we need to be a little careful here. Even if $θ$ satisfies this new equation, it may not satisfy the original equation because, to satisfy the original equation, we would need to be able to divide both sides of the equation by $\cos θ$. However, if $\cos θ=0$, we cannot divide both sides of the equation by $\cos θ$. Therefore, it is possible that we may arrive at extraneous solutions. So, at the end, it is important to check for extraneous solutions. Returning to the equation, it is important that we factor $\sin θ$ out of both terms on the left-hand side instead of dividing both sides of the equation by $\sin θ$. Factoring the left-hand side of the equation, we can rewrite this equation as

$$\sin θ(2\cos^2θ−1)=0. \nonumber$$

Therefore, the solutions are given by the angles $θ$ such that $\sin θ=0$ or $\cos^2θ=1/2$. The solutions of the first equation are $θ=0,±π,±2π,….$ The solutions of the second equation are $θ=π/4,(π/4)±(π/2),(π/4)±π,….$ After checking for extraneous solutions, the set of solutions to the equation is

$$θ=nπ \nonumber$$

and

$$θ=\dfrac{π}{4}+\dfrac{nπ}{2} \nonumber$$

with $n=0,±1,±2,….$

Exercise $\PageIndex{4}$

Find all solutions to the equation $\cos(2θ)=\sin θ.$

Hint

Use the double-angle formula for cosine (Equation $\ref{double1}$).

Answer

$θ=\dfrac{3π}{2}+2nπ,\dfrac{π}{6}+2nπ,\dfrac{5π}{6}+2nπ$

for $n=0,±1,±2,…$.

Example $\PageIndex{5}$: Proving a Trigonometric Identity

Prove the trigonometric identity $1+\tan^2θ=\sec^2θ.$

Solution:

We start with the Pythagorean identity (Equation $\ref{py1}$)

$$\sin^2θ+\cos^2θ=1. \nonumber$$

Dividing both sides of this equation by $\cos^2θ,$ we obtain

$$\dfrac{\sin^2θ}{\cos^2θ}+1=\dfrac{1}{\cos^2θ}. \nonumber$$

Since $\sin θ/\cos θ=\tan θ$ and $1/\cos θ=\sec θ$, we conclude that

$$\tan^2θ+1=\sec^2θ. \nonumber$$

Exercise $\PageIndex{5}$

Prove the trigonometric identity $1+\cot^2θ=\csc^2θ.$

Answer

Divide both sides of the identity $\sin^2θ+\cos^2θ=1$ by $\sin^2θ$.

Graphs and Periods of the Trigonometric Functions

We have seen that as we travel around the unit circle, the values of the trigonometric functions repeat. We can see this pattern in the graphs of the functions. Let $P=(x,y)$ be a point on the unit circle and let $θ$ be the corresponding angle . Since the angle $θ$ and $θ+2π$ correspond to the same point $P$, the values of the trigonometric functions at $θ$ and at $θ+2π$ are the same. Consequently, the trigonometric functions are periodic functions. The period of a function $f$ is defined to be the smallest positive value $p$ such that $f(x+p)=f(x)$ for all values $x$ in the domain of $f$. The sine, cosine, secant, and cosecant functions have a period of $2π$. Since the tangent and cotangent functions repeat on an interval of length $π$, their period is $π$ (Figure $\PageIndex{5}$).

Figure $\PageIndex{5}$: The six trigonometric functions are periodic.

Just as with algebraic functions, we can apply transformations to trigonometric functions. In particular, consider the following function:

$$f(x)=A\sin(B(x−α))+C. \nonumber$$

In Figure $\PageIndex{6}$, the constant $α$ causes a horizontal or phase shift. The factor $B$ changes the period. This transformed sine function will have a period $2π/|B|$. The factor $A$ results in a vertical stretch by a factor of $|A|$. We say $|A|$ is the “amplitude of $f$.” The constant $C$ causes a vertical shift.

Figure $\PageIndex{6}$: A graph of a general sine function.

Notice in Figure $\PageIndex{6}$ that the graph of $y=\cos x$ is the graph of $y=\sin x$ shifted to the left $π/2$ units. Therefore, we can write

$$\cos x=\sin(x+π/2). \nonumber$$

Similarly, we can view the graph of $y=\sin x$ as the graph of $y=\cos x$ shifted right $π/2$ units, and state that $\sin x=\cos(x−π/2).$

A shifted sine curve arises naturally when graphing the number of hours of daylight in a given location as a function of the day of the year. For example, suppose a city reports that June 21 is the longest day of the year with 15.7 hours and December 21 is the shortest day of the year with 8.3 hours. It can be shown that the function

$$h(t)=3.7\sin \left(\dfrac{2π}{365}(x−80.5)\right)+12 \nonumber$$

is a model for the number of hours of daylight $h$ as a function of day of the year $t$ (Figure $\PageIndex{7}$).

Figure $\PageIndex{7}$: The hours of daylight as a function of day of the year can be modeled by a shifted sine curve.

Example $\PageIndex{6}$: Sketching the Graph of a Transformed Sine Curve

Sketch a graph of $f(x)=3\sin(2(x−\frac{π}{4}))+1.$

Solution

This graph is a phase shift of $y=\sin (x)$ to the right by $π/4$ units, followed by a horizontal compression by a factor of 2, a vertical stretch by a factor of 3, and then a vertical shift by 1 unit. The period of $f$ is $π$.

Exercise $\PageIndex{6}$

Describe the relationship between the graph of $f(x)=3\sin(4x)−5$ and the graph of $y=\sin(x)$.

Hint

The graph of $f$ can be sketched using the graph of $y=\sin(x)$ and a sequence of three transformations.

Answer

To graph $f(x)=3\sin(4x)−5$, the graph of $y=\sin(x)$ needs to be compressed horizontally by a factor of 4, then stretched vertically by a factor of 3, then shifted down 5 units. The function $f$ will have a period of $π/2$ and an amplitude of 3.

Key Concepts

• Radian measure is defined such that the angle associated with the arc of length 1 on the unit circle has radian measure 1. An angle with a degree measure of $180$° has a radian measure of $\pi$ rad.
• For acute angles $θ$,the values of the trigonometric functions are defined as ratios of two sides of a right triangle in which one of the acute angles is $θ$.
• For a general angle $θ$, let $(x,y)$ be a point on a circle of radius $r$ corresponding to this angle $θ$. The trigonometric functions can be written as ratios involving $x$, $y$, and $r$.
• The trigonometric functions are periodic. The sine, cosine, secant, and cosecant functions have period $2π$. The tangent and cotangent functions have period $π$.

Key Equations

• Generalized sine function

$f(x)=A \sin(B(x−α))+C$

Glossary

periodic function

a function is periodic if it has a repeating pattern as the values of $x$ move from left to right

radians

for a circular arc of length $s$ on a circle of radius 1, the radian measure of the associated angle $θ$ is $s$

trigonometric functions

functions of an angle defined as ratios of the lengths of the sides of a right triangle

trigonometric identity

an equation involving trigonometric functions that is true for all angles $θ$ for which the functions in the equation are defined