Тригонометрия. Тригонометрия с нуля: основные понятия, история Тригонометрия с самого начала подробное объяснение

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

1. Введение.

Подходя к школе, слышу голоса ребят из спортивного зала, иду дальше – поют, рисуют… везде эмоции, чувства. Мой кабинет, урок алгебры, десятиклассники. Вот и наш учебник, в котором курс тригонометрии составляет половину его объема, и в нем две закладки – это те места, где я нашла слова, не относящиеся к теории тригонометрии.

К числу немногих относятся учащиеся, которые любят математику, чувствует ее красоту и не спрашивает, зачем нужно изучать тригонометрию, где применяется изученный материал? Большинство – кто просто выполняет задания, чтобы не получить плохую оценку. И твердо уверены в том, что прикладное значение математики – это получить знания, достаточные для успешной сдачи ЕГЭ и поступления в ВУЗ (поступить и забыть).

Основная цель представляемого урока – показать прикладное значение тригонометрии в различных сферах деятельности человека. Приведенные примеры помогут учащимся увидеть связь этого раздела математики с другими предметами, изучаемыми в школе. Содержание этого урока – элемент профессиональной подготовки учащихся.

Рассказать новое о, казалось бы, давно известном факте. Показать логическую связь между тем, что уже знаем, и то, что предстоит изучить. Немного приоткрыть дверь и заглянуть за рамки школьной программы. Необычные задачи, связь с событиями сегодняшнего дня – вот те приемы, которые я использую для достижения поставленных целей. Ведь школьная математика как предмет способствует не столько обучению, сколько развитию личности, его мышления, культуры.

2. Конспект урока по алгебре и началам анализа (10 класс).

Организационный момент: Расставить шесть столов полукругом (модель транспортира), листы с заданиями для учащихся на столах (Приложение 1) .

Объявление темы урока: “Тригонометрия – это просто и понятно”.

В курсе алгебры и начал анализа мы приступаем к изучению тригонометрии, мне хотелось бы рассказать о прикладном значении этого раздела математики.

Тезис урока:

“Великая книга природы может быть прочтена только теми, кто знает язык, на котором она написана, и этот язык – математика”.
(Г. Галилей).

В конце урока подумаем вместе, смогли ли мы заглянуть в эту книгу и понять язык, на котором она написана.

Тригонометрия острого угла.

Тригонометрия – слово греческое и в переводе означает “измерение треугольников”. Возникновение тригонометрии связано с измерениями на земле, строительным делом, астрономией. А первое знакомство с ней произошло тогда, когда вы взяли в руки транспортир. Обратили вы внимание на то, как стоят столы? Прикиньте в уме: если принять один стол за хорду, то какова градусная мера дуги, которую она стягивает?

Вспомним о мере измерения углов: 1 ° = 1/ 360 часть окружности (“градус” – от латинского grad – шаг). Знаете ли вы, почему окружность разделили на 360 частей, почему не разбили на 10, 100 или 1000 частей, как это происходит, например, при измерении длин? Расскажу вам одну из версий.

Раньше люди считали, что Земля – это центр Вселенной и она неподвижна, а Солнце совершает за сутки один оборот вокруг Земли, геоцентрическая система мира, “гео” – Земля (Рисунок № 1 ). Вавилонские жрецы, проводившие астрономические наблюдения, обнаружили, что в день равноденствия Солнце от восхода до заката описывает на небесном своде полуокружность, в которой видимый поперечник (диаметр) Солнца укладывается ровно 180 раз, 1 ° – след Солнца. (Рисунок № 2) .

Долгое время тригонометрия носила чисто геометрический характер. В вы продолжаете знакомство с тригонометрией, решая прямоугольные треугольники. Узнаёте, что синус острого угла прямоугольного треугольника – это есть отношение противолежащего катета к гипотенузе, косинус – отношение прилежащего катета к гипотенузе, тангенс – отношение противолежащего катета к прилежащему катету и котангенс – отношение прилежащего катета к противолежащему. И запоминаете, что в прямоугольном треугольнике, имеющем данный угол, отношения сторон не зависят от размеров треугольника. Знакомитесь с теоремами синусов и косинусов для решения произвольных треугольников.

В 2010 году московскому метрополитену исполнилось 75 лет. Каждый день мы спускаемся в метро и не замечаем, что …

Задача № 1. Угол наклона всех эскалаторов московского метро равен 30 градусам. Зная это, количество ламп на эскалаторе и примерное расстояние между лампами, можно вычислить примерную глубину заложения станции. На эскалаторе станции “Цветной бульвар” 15 ламп, а на станции “Пражская” 2 лампы. Рассчитайте, какова глубина заложения этих станций, если расстояния между лампами, от входа эскалатора до первой лампы и от последней лампы до выхода с эскалатора равны 6 м (Рисунок № 3 ). Ответ: 48 м и 9 м

Домашнее задание . Самая глубокая станция московского метро – “Парк Победы”. Какова глубина её заложения? Предлагаю вам самостоятельно найти недостающие данные для решения домашней задачи.

У меня в руках лазерная указка, она же – дальномер. Измерим, например, расстояние до доски.

Китайский дизайнер Хуань Цяокун догадался соединить в одно устройство два лазерных дальномера, транспортир и получил инструмент, позволяющий определять расстояние между двумя точками на плоскости (Рисунок № 4 ). Как вы думаете, с помощью какой теоремы решается эта задача? Вспомните формулировку теоремы косинусов. Согласны ли вы со мной, что ваших знаний уже достаточно для того, чтобы сделать такое изобретение? Решайте задачи по геометрии и совершайте каждый день маленькие открытия!

Сферическая тригонометрия.

Помимо плоской геометрии Евклида (планиметрии) могут существовать и другие геометрии, в которых рассматриваются свойства фигур не на плоскости, а на других поверхностях, например на поверхности шара (Рисунок № 5 ). Первый математик, заложивший фундамент для развития неевклидовых геометрий был Н.И. Лобачевский – “Коперник геометрии”. С 1827 г. в течение 19 лет он был ректором Казанский Университета.

Сферическая тригонометрия, являющаяся частью сферической геометрии, рассматривает соотношения между сторонами и углами треугольников на сфере, образованных дугами больших кругов на сфере (Рисунок № 6 ).

Исторически сферическая тригонометрия и геометрия возникли из потребностей астрономии, геодезии, навигации, картографии. Подумайте, какое из этих направлений в последние годы получило столь бурное развитие, что его результат уже применяется в современных коммуникаторах. … Современное применение навигации – это система спутниковой навигации, которая позволяет определить местоположение и скорость объекта по сигналу его приемника.

Глобальная Навигационная Система (GPS). Для определения широты и долготы приемника необходимо, как минимум, принимать сигналы от трех спутников. Прием сигнала от четвертого спутника позволяет определить и высоту объекта над поверхностью (Рисунок № 7 ).

Компьютер приемника решает четыре уравнения с четырьмя неизвестными до тех пор, пока не найдется решение, которое проводит все окружности через одну точку (Рисунок № 8 ).

Знания из тригонометрии острого угла оказались недостаточны для решения более сложных практических задач. При изучении вращательных и круговых движений значение величины угла и круговой дуги не ограничены. Возникла необходимость перехода к тригонометрии обобщенного аргумента.

Тригонометрия обобщенного аргумента.

В качестве модели, с помощью которой математики работают с углами, была выбрана окружность (Рисунок № 9 ). Положительные углы откладываются против часовой стрелки, отрицательные – по часовой. Знакомы ли вы с историей такого соглашения?

Как известно, механические и солнечные часы устроены так, что их стрелки вращаются “по солнцу”, т.е. в том же направлении, в каком мы видим кажущееся нам движение Солнца вокруг Земли. (Вспомните начало урока – геоцентрическая система мира). Но с открытием Коперником истинного (положительного) движения Земли вокруг Солнца, видимое нами (т.е. кажущееся) движение Солнца вокруг Земли является фиктивным (отрицательным). Гелиоцентрическая система мира (гелио – Солнце) (Рисунок № 10 ).

Разминка .

Вытянуть правую руку перед собой, параллельно поверхности стола и выполнить круговой поворот на 720 градусов.
Вытянуть левую руку перед собой, параллельно поверхности стола и выполнить круговой поворот на (–1080) градусов.
Положите кисти рук на плечи и сделайте по 4 круговых движения вперед и назад. Какова сумма углов поворота?

В 2010 прошли Зимние Олимпийские игры в Ванкувере, критерии выставления оценок за выполненное упражнение фигуристом мы узнаем, решив задачу.

Задача № 2. Если фигурист совершает поворот на угол 10 800 градусов при выполнении упражнения “винт” за 12 секунд, то он получает оценку “отлично”. Определите, какое количество оборотов совершит фигурист за это время и скорость его вращения (обороты в секунду). Ответ: 2,5 оборота/сек.

Домашнее задание . На какой угол поворачивается фигурист, получивший оценку “неудовлетворительно”, если при таком же времени вращения его скорость была 2 оборота в секунду.

Наиболее удобной мерой измерения дуг и углов, связанных с вращательными движениями, оказалась радианная (радиусная) мера, как более крупная единица измерения угла или дуги (Рисунок № 11 ). Эта мера измерения углов вошла в науку через замечательные труды Леонарда Эйлера. Швейцарец по происхождению, он 30 лет прожил в России, был членом Петербургской Академии наук. Именно ему мы обязаны “аналитической” трактовкой всей тригонометрии, он вывел формулы, которые вы сейчас изучаете, ввел единообразные знаки:.sin x , cos x , tg x , ctg x .

Если до 17-го века развитие учения о тригонометрических функциях строилось на геометрической основе, то, начиная с 17-го века, тригонометрические функции начали применять к решению задач механики, оптики, электричества, для описания колебательных процессов, распространения волн. Везде, где приходится иметь дело с периодическими процессами и колебаниями, нашли применение тригонометрические функции. Функции, выражающие законы периодических процессов, обладают особым только им присущим свойством: они повторяют свои значения через один и тот же промежуток изменения аргумента. Изменения всякой функции наиболее наглядно передаются на её графике (Рисунок № 12 ).

Мы уже обращались за помощью к своему организму, при решении задач на вращение. Давайте прислушаемся к биению своего сердца. Сердце – самостоятельный орган. Головной мозг управляет любой нашей мышцей, кроме сердечной. У нее есть собственный центр управления – синусный узел. При каждом сокращении сердца по всему организму – начиная от синусного узла (размером с просяное зерно)– распространяется электрический ток. Его можно зарегистрировать с помощью электрокардиографа. Он вычерчивает электрокардиограмму (синусоиду) (Рисунок № 13 ).

Теперь поговорим о музыке. Математика – это музыка, это союз ума и красоты.
Музыка – это математика по вычислениям, алгебра по абстрагированию, тригонометрия по красоте. Гармоническое колебание (гармоника) – это синусоидальное колебание. График показывает, как изменяется воздушное давление на барабанную перепонку слушателя: вверх и вниз по дуге, периодически. Воздух давит то сильнее, то слабее. Сила воздействия совсем невелика и колебания происходят очень быстро: сотни и тысячи толчков каждую секунду. Такие периодические колебания мы воспринимаем как звук. Сложение двух различных гармоник дает колебание более сложной формы. Сумма трех гармоник – еще сложнее, а естественные, природные звуки и звуки музыкальных инструментов складываются из большого количества гармоник. (Рисунок № 14 .)

Каждая гармоника характеризуется тремя параметрами: амплитудой, частотой и фазой. Частота колебаний показывает, сколько толчков давления воздуха происходит за одну секунду. Большие частоты воспринимаются как "высокие", "тонкие" звуки. Выше 10 КГц – писк, свист. Маленькие частоты воспринимаются как "низкие", "басовые" звуки, рокот. Амплитуда – это размах колебаний. Чем размах больше, тем сильнее воздействие на барабанную перепонку, и тем громче звук, который мы слышим (Рисунок № 15 ). Фаза – это смещение колебаний во времени. Фаза может измеряться в градусах или радианах. В зависимости от фазы смещается нулевой отсчет на графике. Для задания гармоники достаточно указать фазу от –180 до +180 градусов, поскольку при больших значениях колебание повторяется. Два синусоидальных сигнала с одинаковыми амплитудой и частотой, но разными фазами складываются алгебраически (Рисунок № 16 ).

Итог урока. Как вы думаете, смогли мы прочитать несколько страниц из Великой книги природы? Узнав о прикладном значении тригонометрии, стала ли вам более понятна ее роль в различных сферах деятельности человека, понятен ли вам был изложенный материал? Тогда вспомните и перечислите сферы применения тригонометрии, с которыми вы познакомились сегодня или знали ранее. Я надеюсь, что каждый из вас нашел в сегодняшнем уроке что-то новое для себя, интересное. Быть может, это новое подскажет вам путь в выборе будущей профессии, но, кем бы вы ни стали, ваша математическая образованность поможет стать профессионалом своего дела и интеллектуально развитым человеком.

Домашнее задание . Ознакомиться с конспектом урока (

Когда-то в школе на изучение тригонометрии выделялся отдельный курс. В аттестат выставляли оценки по трём математическим дисциплинам: алгебре, геометрии и тригонометрии.

Затем в рамках реформы школьного образования тригонометрия перестала существовать как отдельный предмет. В современной школе первое знакомство с тригонометрией происходит в курсе геометрии 8 класса. Более глубокое изучение предмета продолжается в курсе алгебры 10 класса.

Определения синуса, косинуса, тангенса и котангенса сначала даются в геометрии через связь сторон прямоугольного треугольника.

Острого угла в прямоугольном треугольнике называется отношение противолежащего катета к гипотенузе.

Косинусом острого угла в прямоугольном треугольнике называется отношение прилежащего катета к гипотенузе.

Тангенсом острого угла в прямоугольном треугольнике называется отношение противолежащего катета к прилежащему.

Котангенсом острого угла в прямоугольном треугольнике называется отношение прилежащего катета к противолежащему.

Эти определения применимы только для острых углов (от 0º до 90°).

Например,

в треугольнике ABC, где ∠C=90°, BC — катет, противолежащий углу A, AC — прилежащий к углу A катет, AB — гипотенуза.

В курсе алгебры 10 класса вводятся определения синуса, косинуса, тангенса и котангенса для любого угла (в том числе, отрицательного).

Рассмотрим окружность радиуса R с центром в начале координат — точке O(0;0). Точку пересечения окружности с положительным направлением оси абсцисс обозначим P 0 .

В геометрии угол рассматривается как часть плоскости, ограниченная двумя лучами. При таком определении величина угла изменяется от 0° до 180°.

В тригонометрии угол рассматривают как результат поворота луча OP 0 вокруг начальной точки O.

При этом поворот луча против часовой стрелки договорились считать положительным направлением обхода, по часовой стрелке — отрицательным (это соглашение связано с истинным движением Солнца вокруг Земли).

Например, при повороте луча OP 0 вокруг точки O на угол α против часовой стрелки точка P 0 перейдёт в точку P α ,

при повороте на угол α по часовой стрелке — в точку F.

При таком определении величина угла может принимать любые значения.

Если продолжить вращение луча OP 0 против часовой стрелки, при повороте на угол α°+360°, α°+360°·2,…,α°+360°·n, где n — целое число (n∈Ζ), снова попадём в точку P α:

Углы измеряют в градусах и в радианах.

1° — это угол, равный 1/180 части градусной меры развёрнутого угла.

1 радиан — это центральный угол, длина дуги которого равна радиусу окружности:

∠AOB=1 рад.

Обозначения радиана обычно не пишут. Обозначение градуса в записи пропускать нельзя.

Например,

Точка P α , полученная из точки P 0 поворотом луча OP 0 вокруг точки O на угол α против часовой стрелки, имеет координаты P α (x;y).

Опустим из точки P α перпендикуляр P α A на ось абсцисс.

В прямоугольном треугольнике OP α A:

P α A — катет, противолежащий углу α,

OA — катет, прилежащий к углу α,

OP α — гипотенуза.

P α A=y, OA=x, OP α =R.

По определению синуса, косинуса, тангенса и котангенса в прямоугольном треугольнике имеем:

Таким образом, в случае окружности с центром в начале координат произвольного радиуса синусом угла α называется отношение ординаты точки P α к длине радиуса.

Косинусом угла α называется отношение абсциссы точки P α к длине радиуса.

Тангенсом угла α называется отношение ординаты точки P α к её абсциссе.

Котангенсом угла α называется отношение абсциссы точки P α к её ординате.

Значения синуса, косинуса, тангенса и котангенса зависят только от величины α и не зависят от длины радиуса R (это следует из подобия окружностей).

Поэтому удобно выбрать R=1.

Окружность с центром в начале координат и радиусом R=1 называется единичной.

Определения

1) Синусом угла α называется ордината точки P α (x;y) единичной окружности:

2) Косинусом угла α называется абсцисса точки P α (x;y) единичной окружности:

3) Тангенсом угла α называется отношение ординаты точки P α (x;y) к её абсциссе, то есть отношение sinα к cosα (где cosα≠0):

4) Котангенсом угла α называется отношение абсциссы точки P α (x;y) к её ординате, то есть отношение cosα к sinα (где sinα≠0):

Введённые таким образом определения позволяют рассматривать не только тригонометрические функции углов, но и тригонометрические функции числовых аргументов (если рассматривать sinα, cosα, tgα и ctgα как соответствующие тригонометрические функции угла в α радиан, то есть синус числа α — это синус угла в α радиан, косинус числа α — это косинус угла в α радиан и т.д.).

Свойства тригонометрических функций изучаются в курсе алгебры в 10 или 11 классе отдельной темой. Тригонометрические функции широко применяются в физике.

Рубрика: |

Синус, косинус, тангенс - при произнесении этих слов в присутствии учеников старших классов можно быть уверенным, что две трети из них потеряют интерес к дальнейшему разговору. Причина кроется в том, что основы тригонометрии в школе преподаются в полном отрыве от реальности, а потому учащиеся не видят смысла в изучении формул и теорем.

В действительности данная область знаний при ближайшем рассмотрении оказывается весьма интересной, а также прикладной - тригонометрия находит применение в астрономии, строительстве, физике, музыке и многих других областях.

Ознакомимся с основными понятиями и назовем несколько причин изучить этот раздел математической науки.

История

Неизвестно, в какой момент времени человечество начало создавать будущую тригонометрию с нуля. Однако документально зафиксировано, что уже во втором тысячелетии до нашей эры египтяне были знакомы с азами этой науки: археологами найден папирус с задачей, в которой требуется найти угол наклона пирамиды по двум известным сторонам.

Более серьезных успехов достигли ученые Древнего Вавилона. На протяжении веков занимаясь астрономией, они освоили ряд теорем, ввели особые способы измерения углов, которыми, кстати, мы пользуемся сегодня: градусы, минуты и секунды были заимствованы европейской наукой в греко-римской культуре, в которую данные единицы попали от вавилонян.

Предполагается, что знаменитая теорема Пифагора, относящаяся к основам тригонометрии, была известна вавилонянам почти четыре тысячи лет назад.

Название

Дословно термин «тригонометрия» можно перевести как «измерение треугольников». Основным объектом изучения в рамках данного раздела науки на протяжении многих веков был прямоугольный треугольник, а точнее - взаимосвязь между величинами углов и длинами его сторон (сегодня с этого раздела начинается изучение тригонометрии с нуля). В жизни нередки ситуации, когда практически измерить все требуемые параметры объекта (или расстояние до объекта) невозможно, и тогда возникает необходимость недостающие данные получить посредством расчётов.

Например, в прошлом человек не мог измерить расстояние до космических объектов, а вот попытки эти расстояния рассчитать встречаются задолго до наступления нашей эры. Важнейшую роль играла тригонометрия и в навигации: обладая некоторыми знаниями, капитан всегда мог сориентироваться ночью по звездам и скорректировать курс.

Основные понятия

Для освоения тригонометрии с нуля требуется понять и запомнить несколько основных терминов.

Синус некоторого угла - это отношение противолежащего катета к гипотенузе. Уточним, что противолежащий катет - это сторона, лежащая напротив рассматриваемого нами угла. Таким образом, если угол составляет 30 градусов, синус этого угла всегда, при любом размере треугольника, будет равен ½. Косинус угла - это отношение прилежащего катета к гипотенузе.

Тангенс - это отношение противолежащего катета к прилежащему (либо, что то же самое, отношение синуса к косинусу). Котангенс - это единица, деленная на тангенс.

Стоит упомянуть и знаменитое число Пи (3,14…), которое представляет собой половину длины окружности с радиусом в одну единицу.

Этимология слова «синус»

История слова «синус» поистине необычна. Дело в том, что буквальный перевод этого слова с латыни означает «впадина». Всё потому, что верное понимание слова затерялось при переводе с одного языка на другой.

Названия базовых тригонометрических функций произошли из Индии, где понятие синуса обозначалось словом «тетива» на санскрите - дело в том, что отрезок вместе с дугой окружности, на которую он опирался, походил на лук. Во времена расцвета арабской цивилизации индийские достижения в области тригонометрии были заимствованы, и термин перешел в арабский язык в виде транскрипции. Случилось так, что в этом языке уже было похожее слово, обозначающее впадину, и если арабы понимали фонетическую разницу между родным и заимствованным словом, то европейцы, переводящие научные трактаты на латынь, по ошибке буквально перевели арабское слово, никакого отношения к понятию синуса не имеющее. Им мы и пользуемся по сей день.

Таблицы значений

Существуют таблицы, в которые занесены числовые значения для синусов, косинусов и тангенсов всех возможных углов. Ниже представим данные для углов в 0, 30, 45, 60 и 90 градусов, которые необходимо выучить как обязательный раздел тригонометрии для «чайников», благо запомнить их довольно легко.

Если случилось так, что числовое значение синуса или косинуса угла «вылетело из головы», есть способ вывести его самостоятельно.

Геометрическое представление

Начертим круг, через его центр проведем оси абсцисс и ординат. Ось абсцисс располагается горизонтально, ось ординат - вертикально. Обычно они подписываются как «X» и «Y» соответственно. Теперь из центра окружности проведем прямую таким образом, чтобы между ней и осью X получился нужный нам угол. Наконец, из той точки, где прямая пересекает окружность, опустим перпендикуляр на ось X. Длина получившегося отрезка будет равна численному значению синуса нашего угла.

Данный способ весьма актуален, если вы забыли нужное значение, например, на экзамене, и учебника по тригонометрии под рукой нет. Точной цифры вы таким образом не получите, но разницу между ½ и 1,73/2 (синус и косинус угла в 30 градусов) вы точно увидите.

Применение

Одними из первых специалистов, использующих тригонометрию, были моряки, не имеющие никакого другого ориентира в открытом море, кроме неба над головой. Сегодня капитаны кораблей (самолётов и других видов транспорта) не ищут кратчайший путь по звёздам, зато активно прибегают к помощи GPS-навигации, которая без использования тригонометрии была бы невозможна.

Практически в каждом разделе физики вас ждут расчёты с использованием синусов и косинусов: будь то приложение силы в механике, расчёты пути объектов в кинематике, колебания, распространение волн, преломление света - без базовой тригонометрии в формулах просто не обойтись.

Ещё одна профессия, которая немыслима без тригонометрии - это геодезист. Используя теодолит и нивелир либо более сложный прибор - тахиометр, эти люди измеряют разницу в высоте между различными точками на земной поверхности.

Повторяемость

Тригонометрия имеет дело не только с углами и сторонами треугольника, хотя именно с этого она начинала своё существование. Во всех областях, где присутствует цикличность (биологии, медицине, физике, музыке и т. д.) вы встретитесь с графиком, название которого наверняка вам знакомо - это синусоида.

Такой график представляет собой развёрнутую вдоль оси времени окружность и внешне похож на волну. Если вы когда-нибудь работали с осциллографом на занятиях по физике, вы понимаете, о чем идет речь. Как музыкальный эквалайзер, так и прибор, отображающий сердечные ритмы, используют формулы тригонометрии в своей работе.

В заключение

Задумываясь о том, как выучить тригонометрию, большинство учащихся средней и старшей школы начинают считать её сложной и непрактичной наукой, поскольку знакомятся лишь со скучной информацией из учебника.

Что касается непрактичности - мы уже увидели, что в той или иной степени умение обращаться с синусами и тангенсами требуется практически в любой сфере деятельности. А что касается сложности… Подумайте: если люди пользовались этими знаниями больше двух тысяч лет назад, когда взрослый человек имел меньше знаний, чем сегодняшний старшеклассник, реально ли изучить данную область науки на базовом уровне лично вам? Несколько часов вдумчивых занятий с решением задач - и вы достигнете своей цели, изучив базовый курс, так называемую тригонометрию для «чайников».

На этом уроке мы познакомимся с определениями тригонометрических функций и их основными свойствами , узнаем, как работать с тригонометрической окружностью , выясним, что такое период функции и вспомним о различных способах измерения углов . Кроме этого, разберемся с применением формул приведения .

Данный урок поможет Вам подготовиться к одному из типов задания В7 .

Подготовка к ЕГЭ по математике

Эксперимент

Урок 7. Введение в тригонометрию.

Теория

Конспект урока

Сегодня мы с вами начинаем раздел, который имеет пугающее для многих название «Тригонометрия». Давайте сразу выясним, что это не отдельный предмет, похожий по названию на геометрию, как некоторые думают. Хотя в переводе с греческого слово «тригонометрия» означает «измерение треугольников» и имеет прямое отношение к геометрии. Кроме этого тригонометрические вычисления широко применяются в физике и технике. Но начнем мы с вами именно с рассмотрения того, как основные тригонометрические функции вводятся в геометрии с помощью прямоугольного треугольника.

Только что мы использовали термин «тригонометрическая функция» ‑ это означает, что мы введем целый класс определенных законов соответствия одной переменной величины от другой.

Для этого рассмотрим прямоугольный треугольник, в котором для удобства используются стандартные обозначения сторон и углов, которые вы можете видеть на рисунке:

Рассмотрим, например, угол и введем для него следующие действия:

Отношение противолежащего катета к гипотенузе назовем синусом, т.е.

Отношение прилежащего катета к гипотенузе назовем косинусом, т.е. ;

Отношение противолежащего катета к прилежащему назовем тангенсом, т.е. ;

Отношение прилежащего катета к противолежащему назовем котангенсом, т.е. .

Все эти действия с углом называют тригонометрическими функциями . Сам угол, при этом, принято называть аргументом тригонометрической функции и его можно обозначать, например, иксом, как это обыкновенно принято в алгебре.

Важно сразу понять, что тригонометрические функции зависят именно от угла в прямоугольном треугольнике, а не от его сторон. Это легко доказать, если рассмотреть треугольник, подобный данному, в нем длины сторон будут другими, а все углы и отношения сторон не изменятся, т.е. останутся неизменными и тригонометрические функции углов.

После такого определения тригонометрических функций может возникнуть вопрос: «А существует ли например ? Ведь угла в прямоугольном треугольнике быть не может » . Как ни странно, но ответ на этот вопрос утвердительный, причем, значение этого выражения равно , а это еще больше удивляет, поскольку все тригонометрические функции являются отношением сторон прямоугольного треугольника, а длины сторон являются положительными числами.

Но никакого парадокса в этом нет. Дело в том, что, например, в физике при описании некоторых процессов необходимо использовать тригонометрические функции углов не только больших , но и больших и даже . Для этого необходимо ввести более обобщенное правило вычисления тригонометрических функций с помощью так называемой «единичной тригонометрической окружности» .

Она представляет собой окружность с единичным радиусом, изображенную так, что ее центр находится в начале координат декартовой плоскости.

Для изображения углов в этой окружности необходимо договориться, откуда их откладывать. Принято за луч отсчета углов принимать положительное направление оси абсцисс, т.е. оси иксов . Направлением отложения углов принято считать направление против часовой стрелки. Исходя из этих договоренностей, отложим сначала острый угол . Именно для таких острых углов мы уже умеем вычислять значения тригонометрических функций в прямоугольном треугольнике. Оказывается, что с помощью изображенной окружности также можно вычислять тригонометрические функции, только более удобно.

Значения синуса и косинуса острого угла являются координатами точки пересечения стороны этого угла с единичной окружностью:

Это можно записывать в таком виде:

Исходя из того факта, что координаты по оси абсцисс показывают значение косинуса, а координаты по оси ординат значения синуса угла , названия осей в системе координат с единичной окружностью удобно переименовать так, как вы видите на рисунке:

Ось абсцисс переименовывается в ось косинусов, а ось ординат в ось синусов.

Указанное правило определения синуса и косинуса обобщается и на тупые углы, и на углы, лежащие в диапазоне от до . В таком случае синусы и косинусы могут принимать, как положительные, так и отрицательные значения. Различные знаки значений этих тригонометрических функций в зависимости от того, в какую четверть попадает рассматриваемый угол, принято изображать следующим образом:

Как видите, знаки тригонометрических функций определяются положительными и отрицательными направлениями соответствующих им осей.

Кроме того, стоит обратить внимание на то, что поскольку наибольшая координата точки на единичной окружности и по оси абсцисс и по оси ординат равна единице, а наименьшая минус единице, то и значения синуса и косинуса ограничены этими числами:

Эти записи еще принято записывать в таком виде:

Для того чтобы ввести функции тангенса и котангенса на тригонометрической окружности, необходимо изобразить дополнительные элементы: касательную к окружности в точке A - по ней определяется значение тангенса угла , и касательную к в точке B - по ней определяется значение котангенса угла .

Однако мы не будем углубляться в определение тангенсов и котангенсов по тригонометрической окружности, т.к. их легко можно вычислить, зная значения синуса и косинуса данного угла, что мы уже умеем делать. Если вам интересно ознакомиться с вычислением тангенса и котангенса по тригонометрической окружности, повторите программу курса алгебры 10 класса.

Укажем только изображение на окружности знаков тангенсов и котангенсов в зависимости от угла:

Отметим, что аналогично диапазонам значений синуса и косинуса можно указать диапазоны значений тангенса и котангенса. Исходя из их определения на тригонометрической окружности, значения этих функций не ограничены :

Что можно записать еще так:

Кроме углов в диапазоне от до тригонометрическая окружность позволяет работать и с углами, которые больше и даже с отрицательными углами. Такие значения углов хоть и кажутся бессмысленными для геометрии, но используются для описания некоторых физических процессов. Например, что вы ответите на вопрос: «На какой угол повернется стрелка часов за сутки?» За такое время она выполнит два полных оборота, а за один оборот пройдет , т.е. за сутки повернется на . Как видите, такие значения имеют вполне практический смысл. Знаки углов используются для обозначения направления вращения - одно из направлений договариваются измерять положительными углами, а другое отрицательными. Как же это учитывать в тригонометрической окружности?

На окружности с такими углами работают следующим образом:

1) Углы, которые больше , откладываются против часовой стрелки с прохождением начала отсчета столько раз, сколько это нужно. Например, для построения угла необходимо пройти два полных оборота и еще . Для окончательного положения и вычисляются все тригонометрические функции. Несложно увидеть, что значение всех тригонометрических функций для и для будут одинаковыми.

2) Отрицательные углы откладываются точно по тому же принципу, что и положительные, только по часовой стрелке.

Уже по способу построения больших углов можно сделать вывод, что значения синусов и косинусов углов, которые отличаются на , одинаковы. Если проанализировать значения тангенсов и котангенсов, то они будут одинаковы для углов, отличающихся на .

Такие минимальные ненулевые числа, при добавлении которых к аргументу, не меняется значение функции, называют периодом этой функции.

Таким образом, период синуса и косинуса равен , а тангенса и котангенса . А это означает, что сколько не добавляй или отнимай эти периоды от рассматриваемых углов, значения тригонометрических функций не изменятся.

Например , , а и т.д.

Позже мы еще вернемся к более подробному объяснению и применению этого свойства тригонометрических функций.

Между тригонометрическими функциями одного и того же аргумента существуют определенные соотношения, которые очень часто используются и называются основные тригонометрические тождества.

Они выглядят следующим образом:

1) , так называемая «тригонометрическая единица»

Заметим, что, например, обозначение обозначает, что вся тригонометрическая функция возводится в квадрат. Т.е. это можно представить в такой форме: . Важно понимать, что это не равно такой записи как , в этом случае возводится в квадрат только аргумент, а не вся функция, к тому же выражения такого вида встречаются крайне редко.

Из первого тождества есть два очень полезных следствия, которые могут пригодиться при решении многих типов заданий. После несложных преобразований можно выразить синус через косинус того же угла и наоборот:

Два возможных знака выражений появляются, т.к. извлечение арифметического квадратного корня дает только неотрицательные значения, а синус и косинус, как мы уже видели, могут иметь и отрицательные значения. Причем знаки этих функций удобнее всего определять именно с помощью тригонометрической окружности в зависимости от того, какие углы в них присутствуют.

Теперь давайте вспомним о том, что измерение углов можно осуществлять двумя способами: в градусах и в радианах. Укажем определения одного градуса и одного радиана.

Один градус - это угол, образованный двумя радиусами, которые стягивают дугу равную окружности.

Один радиан - это угол, образованный двумя радиусами, которые стягивает дуга равная по длине радиусам.

Т.е. это просто два различных способа измерять углы, которые абсолютно равноправны. В описании физических процессов, которые характеризуются тригонометрическими функциями, принято использовать радианную меру углов, поэтому нам тоже придется к ней привыкать.

Измерять углы в радианах принято долями числа «пи», например, или . При этом значение числа «пи», которое равно 3,14, можно подставлять, но это делается редко.

Для перевода градусной меры углов в радианную пользуются тем фактом, что угол , из чего легко получить общую формулу перевода:

Например, переведем в радианы: .

Существует и обратная формула перевода из радиан в градусы :

Например, переведем в градусы: .

Использовать радианную меру угла в этой теме мы будем достаточно часто.

Теперь самое время вспомнить, какие конкретно значения могут давать тригонометрические функции различных углов. Для некоторых углов, кратных , существует таблица значений тригонометрических функций . В ней для удобства приведены углы в градусной и радианной мерах.

Эти углы часто встречаются во многих задачах и в указанной таблице желательно уметь уверенно ориентироваться. Значения тангенса и котангенса некоторых углов не имеют смысла, что указано в таблице в виде прочерков. Подумайте сами почему так или ознакомьтесь с этим более подробно во вставке к уроку.

Последнее, с чем нам надо ознакомиться в нашем первом уроке по тригонометрии, это преобразование тригонометрических функций по так называемым формулам приведения.

Оказывается, что есть определенный вид выражений для тригонометрических функций, который достаточно часто встречается и удобно упрощается. Например, это такие выражения: и т.п.

Т.е. речь пойдет о функциях, у которых в качестве аргумента выступает произвольный угол, измененный на целую или половинную часть . Такие функции упрощаются до аргумента, который равен произвольному углу добавления или вычитания частей . Например, , а . Как видим результатом может стать противоположная функция, и функция может поменять знак.

Поэтому правила преобразования таких функций можно разбить на два этапа. Во-первых, необходимо определить какая функция получится после преобразования:

1) Если произвольный аргумент изменен на целое число , то функция не изменяется. Это верно для функций типа , где любое целое число;

Видеокурс «Получи пятерку» включает все темы, необходимые для успешной сдачи ЕГЭ по математике на 60-65 баллов. Полностью все задачи 1-13 Профильного ЕГЭ по математике. Подходит также для сдачи Базового ЕГЭ по математике. Если вы хотите сдать ЕГЭ на 90-100 баллов, вам надо решать часть 1 за 30 минут и без ошибок!

Курс подготовки к ЕГЭ для 10-11 класса, а также для преподавателей. Все необходимое, чтобы решить часть 1 ЕГЭ по математике (первые 12 задач) и задачу 13 (тригонометрия). А это более 70 баллов на ЕГЭ, и без них не обойтись ни стобалльнику, ни гуманитарию.

Вся необходимая теория. Быстрые способы решения, ловушки и секреты ЕГЭ. Разобраны все актуальные задания части 1 из Банка заданий ФИПИ. Курс полностью соответствует требованиям ЕГЭ-2018.

Курс содержит 5 больших тем, по 2,5 часа каждая. Каждая тема дается с нуля, просто и понятно.

Сотни заданий ЕГЭ. Текстовые задачи и теория вероятностей. Простые и легко запоминаемые алгоритмы решения задач. Геометрия. Теория, справочный материал, разбор всех типов заданий ЕГЭ. Стереометрия. Хитрые приемы решения, полезные шпаргалки, развитие пространственного воображения. Тригонометрия с нуля - до задачи 13. Понимание вместо зубрежки. Наглядное объяснение сложных понятий. Алгебра. Корни, степени и логарифмы, функция и производная. База для решения сложных задач 2 части ЕГЭ.