Goniometrie. První definice, à la pravoúhlý trojúhelník. Michael Majkl Bílý

Transkript

1 Goniometrie Michael Majkl Bílý ØÖ Øº Příspěveksikladezacílukázatjakzákladní,takisložitějšívlastnostigoniometrických funkcí nutné k jejich úplnému porozumění. Představíme některá různá zavedení goniometrických funkcí a některé známé věty, které buď s goniometrií souvisí, nebo ji využívají ke svému důkazu. Goniometrické funkce jste všichni už jistě poznali na středních školách při základním kurzu pravoúhlého trojúhelníka. Toto zavedení je praktické a dají se z něj ihned usuzovat některé jejich vlastnosti. Nelze tak ale spočítat hodnotu funkce v zápornýchhodnotách,nebopokudjeúhelvětšínež90.někteřísepakuždostalii k zavedení jednotkové kružnice a k oné záhadné definici goniometrických funkcí přes ni.navysokéškolesepakužjenněkoliklidídostávákdefinicím,kterýmnejdevůbec rozumět, ale nakonec z nich opravdu vypadne vše potřebné. Goniometrická funkce přiřazuje jistému úhlu číslo. Naskýtá se tedy otázka, co je to úhel. První definice, à la pravoúhlý trojúhelník Definice.(Úhel) Mějmebody A, B AaC A.Úhel BACječíslorovnédélce oblouku na jednotkové kružnici se středem v bodě A, kterou vytne polopřímka AB při otočení na polopřímku AC proti směru hodinových ručiček. Pokud si kružnici rozdělíme na 360 dílků, pak můžeme místo délky oblouků zaznamenávat počet dílků, které musí polopřímka AB urazit. Jednotkám, které vyjdou při prvním způsobu, se říká radiány, v druhém pak stupně. Celá jednotková kružnice měří π, a proto budou všechny úhly měřit méně nežπradiánůa360stupňů.jakalevíme,chcemedefinovatnašefunkceiprojiné úhly.protoseněkteréúhlyztotožňují platí α+k π α,kde α 0,π)ak Z. Obdobně pro stupně. Všimněte si, že teď už může úhel nabývat libovolných reálných hodnot, přičemž číslo k vyjadřuje, kolikrát musí polopřímka AB z naší definice oběhnout navíc kolem celé kružnice(v případě záporných hodnot pak po směru hodinových ručiček). Teď,kdyžužvíme,cojeúhel,semůžemepustitdopráce.

2 GONIOMETRIE Definice. Nechť ABC je pravoúhlý trojúhelník s pravým úhlem při vrcholu C, úhel u vrcholu A označme α. Pak při standardním značení stran trojúhelníka definujeme sinα:= b c, cosα:= a c, tgα:= sinα cosα = b a, cotgα:= 1 tgα =cosα sinα = a b. Protožeúhel αjevětšínež0,alemenšínežpravý,definovalijsmenašegoniometrickéfunkcepouzeproúhlyzintervalu(0, π ),respektive(0,90 ).Tonámzatím bude stačit. Úloha.(Na zamyšlení) Pokud ještě označíme úhel při vrcholu B jako β, co můžeme říctosinβ,cosβ,tgβacotgβ? Úloha. Dokažte Acotakhleněcoobdobnéhoprotg? sin α+cos α=1, sin(α+β)=sinαcosβ+sinβcosα, cos(α+β)=cosαcosβ sinβsinα. Hint. Zkuste namalovat obrázek s pravoúhlými trojúhelníky, kde budou vystupovat všechny zmiňované úhly. Úloha. Odvoďte vzorce pro dvojnásobný úhel. Úloha. Z vhodných obrázků pravoúhlých trojúhelníků odvoďte hodnoty goniometrickýchfunkcí π 3, π 4 a π 6.Jakédalšíhodnotyjsmeschopniodvodit? Úloha. Ukažte,žesinα(1+cosα)=sinαcosα. Tojevšechnomocpěkné,aleteďsechcemeosvoboditodtohohroznéhoomezení pravým úhlem. Proto si zavedeme kartézský systém souřadnic a podíváme se na jednotkovou kružnici kolem jeho středu. Druhá definice, à la jednotková kružnice Definice. Mějme standardní systém souřadnic Oxy a sestrojme kružnici jednotkovéhopoloměrusestředemvo.označme Abod[1,0]aXlibovolnýbod[x,y]na naší kružnici. Dále označme α:= AOX. Pak definujeme: sinα:= y, cosα:= x, tgα:= sinα cosα, cotg:=cosα sinα. Díky ztotožnění, které jsme provedli na začátku, máme teď goniometrické funkce definované pro všechna reálná čísla. Jak nám ale pomůže veškeré to dokazování z první definice?

3 MICHAEL MAJKL BÍLÝ Úloha. Jak souvisí první definice s druhou? Platí všechny vztahy z první definice i pro všechny reálné úhly? Dokažte. Hint. Stačí v kružnici hledat pravoúhlé trojúhelníky a pak vhodně využít toho, že naše kružnice se zachová při různých otočeních a osových symetriích. Úloha. Jaký je definiční obor funkcí tg a cotg? Úloha. Pro α (0, π )dokažte Úloha. Teď už snadno odvodíme sinα < α <tgα. sin(α β)=sinαcosβ sinβcosα, cos(α β)=cosαcosβ+sinβsinα. Dokázali byste odtud odvodit vzorce pro součty a rozdíly goniometrických funkcí? sinα+sinβ=sin α+β sinα sinβ=sin α β cosα+cosβ=cos α+β sinα sinβ= sin α+β Odvoďte podobná tvrzení pro tangens a kotangens. cos α β, cos α+β, cos α β, sin α β. Trochu méně známé vzorce, ale podle mě ty nejužitečnější: Tvrzení. sinαsinβ= 1 [cos(α β) cos(α+β)], cosαcosβ= 1 [cos(α β)+cos(α+β)], sinαcosβ= 1 [sin(α β) sin(α+β)]. Opět odvoďte obdobná tvrzení pro tangens a kotangens. Úloha. Dokažte tyto vlastnosti goniometrických funkcí: (i) Funkce sinus a kotangens jsou liché a periodické. (ii) Funkce kosinus a tangens jsou sudé a periodické. Jaké jsou jejich periody?

4 Pomocí rotací a symetrií ukažte: sin(α±π)= sinα, sin(α+ π )=cosα, sin(α π )= cosα, sin(π α)=sinα, GONIOMETRIE cos(α±π)= cosα, cos(α+ π )= sinα, cos(α π )=sinα, cos(π α)= cosα. Úloha. Nechť a,b R +.Dokažte,žerovnicesinx+acosx=bmářešeníprávě tehdy,když a b Předpokládejme,žesinx+acosx=b.Vyjádřete asinx cosx pouzepomocí a a b. Trocha trigonometrie Následuje několik slíbených tvrzení bez důkazu. Budeme vždy hovořit o trojúhelníku ABCsestranami a, b, c,úhly α, β, γapoloměremkružniceopsané R. Tvrzení.(Obsah trojúhelníka) Obsah trojúhelníka je S= 1 absinγ=1 acsinβ=1 bcsinα. Věta.(Sinová věta) Platí a sinα = b sinβ = c sinγ =R. Tvrzení.(Ooseúhlu) Osaúhluuvrcholu Aprotnestranu avbodě D.Platí AB AC = BD CD. Věta.(Cevova věta) Nechť jsou D, E, F body na přímkách určených postupně stranami a, b, c, různé od vrcholů trojúhelníku. Pak přímky AD, BE, CF procházejí jednímbodemtehdyajentehdy,kdyžplatí BD CD CE AE AF BF =1. Věta.(Kosinová věta) Platí a cyklické záměny. a = b +c bccosα Věta.(Stewartovavěta) Nechť Djebodnastraně a.pak a( AD + BD CD )=c CD +b BD. Tvrzení.(Brahmaguptův vzorec) Mějme čtyřúhelník ABCD se stranami a, b, c, d.označme s= a+b+c+d. Pak obsah čtyřúhelníku je (s a)(s b)(s c)(s d).

5 MICHAEL MAJKL BÍLÝ Komplexní čísla Definice.(Komplexní číslo a polární souřadnice) Pro každý bod roviny A =[a, b] b existujeprávějednočíslo ϕ 0,π)takové,žesinϕ= acosϕ= a a +b a +b. Toudáváúhel,kterýsvírápolopřímka OAskladnoupoloosou x.každýbodjetedy jednoznačněurčentakovýmtoúhlem ϕavzdálenostíodpočátku a +b.těmto dvěma číslům říkáme polární souřadnice bodu A. Nechť i = 1.Pak z= a+binazvemekomplexnímčíslem.bod[a,b]mápolární souřadnice[r,ϕ].pak r= a +b nazývámevelikostkomplexníhočísla zaϕjeho argument.platí z= r(cosϕ+i sinϕ). Tvrzení. Nechť z 1 = r 1 (cosϕ 1 + i sinϕ 1 )az = r (cosϕ + i sinϕ )jsou komplexní čísla. Pak ( z 1 z = r 1 r cos(ϕ1 +ϕ )+i sin(ϕ 1 +ϕ ) ), z 1 = r 1( cos(ϕ1 ϕ )+i sin(ϕ 1 ϕ ) ). z r Věta.(Moivreovavěta) Prokaždé n Zaϕ 0,π)platí (cosϕ+i sinϕ) n =cosnϕ+i sinnϕ. Tvrzení. Platí ( ) ( ) ( n n n sinnα= cos n 1 αsinα cos n 3 αsin 3 α ( ) ( ) ( n n n cosnα= cos n αsinα cos n αsin α+ 0 4 ) cos n 5 αsin 5 α+, ) cos n 4 αsin 4 α+. Na přednášce se pokusím nastínit, proč vlastně ani poslední zavedení není nejšťastnější. Proto vám ještě poskytnu pohled pod vysokoškolskou pokličku. Třetí definice, ta nejlepší Věta. Existujeprávějednadvojicefunkcí f:r R, g:r Rsplňující: (i) fje lichá, gje sudá, (ii) provšechna x,y Rplatí f(x+y)=f(x)g(y)+g(x)f(y)ag(x+y)= g(x)g(y) f(x)f(y), (iii) existujekladnéreálnéčíslo πtakové,že f jerostoucínaintervalu 0, π, f( π )=0af(0)=0, f(x) (iv) lim x 0 x =1. Definice. Funkci f z předchozí věty nazvu sinus a funkci g kosinus. Tangens a kotangens nadefinuji stejně jako předtím.

6 GONIOMETRIE Tvrzení. Předcházející větu splňuje dvojice funkcí sinx=x x3 3! + x5 5! = n=0 cosx=1 x! + x4 4! = n=0 ( 1) n x n+1, (n+1)! ( 1) n x n. (n)! Následují příklady silně subjektivně srovnané podle obtížnosti. Příkladyanebto,pročjsmetu Lehké Úloha1. Spočtěte (i) sin π 1,cos π 1 atg π 1, (ii) cos 4 π 4 sin4 π 4, (iii) cos36 cos7, (iv) sin10 sin50 sin70. Úloha. Nechť xjereálnéčíslotakové,že 1 cosx tgx=.spočtěte 1 cosx +tgx. Úloha 3. V oboru reálných čísel řešte soustavu sinx+cosy=sin(x+y), siny+cosx=cos(x+y). Úloha4. Dokažte (1 cotg3 )(1 cotg )=. Úloha5. Naintervalu(0, π )řešterovnici Úloha6. Zjednodušte sinx + cosx =4. sin 4 x+4cos x cos 4 x+4sin x.

7 MICHAEL MAJKL BÍLÝ Úloha 7. V oboru reálných čísel řešte rovnici 1+sin x+π 5 sin x π 11 =0. Úloha 8. V oboru reálných čísel řešte soustavu nerovnic (MO 55-A-s-3) sinx+cosy, siny+cosz, sinz+cosx. Úloha9. Najdětetaková x,y R,abyrovnice ( π ) ( π ) sina=xsin +a +ysin 6 +a (MO 50-A-I-4) byla splněna pro všechna a R. (MKS 9-6-6) Úloha10. Naintervalu(0, π )řešterovnici sinx+cosy=sin(xy). Úloha11. Určeteobsahmnožinydanépodmínkami x +y 100asin(x+y) 0. Úloha 1. Pro všechna x reálná dokažte 3(sin 4 x+cos 4 x) (sin 6 x+cos 6 x)=1. Úloha 13. Pro všechna přípustná x dokažte Úloha14. Dokažte Úloha 15. Pro přípustná x dokažte tg3x tgx tgx=tg3xtgxtgx. (4cos 9 3)(4cos 7 3)=tg9. tg3x ( π ) ( π ) tgx =tg 3 x tg 3 +x.

8 GONIOMETRIE Na substituci Úloha16. Nechť x 0 =003ax n+1 = 1+xn 1 x n pro n 1.Spočtěte x 004. Úloha 17. Dokažte, že mezi každými pěti různými reálnými čísly lze najít dvě(a a b)taková,že ab+1 > a b. Úloha 18. Vyřešte v reálných číslech soustavu y= 4x 1+4x, z= 4y 1+4y, x= 4z 1+4z. (MKS 7-1-7) Úloha19. Dokažte,žemezi101reálnýmičíslyexistujídvěčísla u, v,proněžplatí 100 u v 1 uv (1+u )(1+v ). (MO 61-A-III-3) Úloha 0. Mějme čtyři reálná čísla větší než jedna. Dokažte, že vždy umíme vybrat dvěznich(xay)takové,ževýraz (x 1)(y 1)+1 xy nabýváhodnotyalespoň 3. (MKS7-8-5b) Těžší Úloha1. Označme f(x)=sinx+sinx+ +sin1000x.dokažte,žesoučet kořenůtétofunkcenaintervalu 0, π je001π. (MKS1-3-4) Úloha. Najděte všechna řešení rovnice sin x+sinxsin4x+ +sinnxsinn x=1. (MKS 4-1-4)

9 MICHAEL MAJKL BÍLÝ Úloha 3. V oboru reálných čísel řešte soustavu rovnic sin x+cos y=tg z, sin y+cos z=tg x, sin z+cos x=tg y. Úloha 4. V oboru reálných čísel řešte soustavu sinxcos(x+y)+siny=1, sinycos(x+y)+sinx=1. Úloha 5. Určete vnitřní úhly v trojúhelníku α, β, γ, pokud splňují sinβsin(α+β) cosα=1, sinγsin(γ+β) cosβ=0. Úloha 6. V oboru reálných čísel řešte rovnici (sint+cost)=tg 3 t+cotg 3 t. Úloha 7. V oboru reálných čísel řešte soustavu sin x+cos y= y, sin y+cos x=x. (MO 6-A-I-6) (MO 58-A-I-1) (MO 58-A-II-3) (MO 55-A-I-1) (MO 55-A-II-4) Úloha8. Dokažte,žeprolibovolnáreálnáčísla α,β 0, π )platínerovnost 1 cosα + 1 cosβ tgα+tgβ. Úloha 9. Předpokládejme, že reálná čísla a, b splňují sina+sinb=, 6 cosa+cosb=. Spočtěte sin(a + b). Úloha30. Spočtěte kde a= π cosa cosa cos999a, (MO 51-A-II-1)

10 GONIOMETRIE Pár macků Úloha31. Spočtěte (1+tg1 )(1+tg ) (1+tg45 ). Úloha3. Všakužvíte,costím (AMC1P 00) tg x+cotg y=1, tg y+cotg z=1, tg z+cotg x=1. Úloha 33. Najděte nejmenší hodnotu výrazu sinx+cosx+tgx+cotgx+ 1 sinx + 1 cosx pro x R. Úloha34. Předpokládejme,žereálnáčísla a,x,y,z Rsplňují (MO 55-A-III-6) (Putnam003) Dokažte, že pak platí cosx+cosy+cosz cos(x+y+z) = sinx+siny+sinz sin(x+y+z) = a. cos(x+y)+cos(y+z)+cos(z+x)=a. Ogoniometrickýchfunkcíchbysedalanapsatještěspoustavěcí užjenproto,že souvisí s trigonometrii, které jsem se snažil co možná nejvíce vyhnout. Trigonometrie sepakdávztáhnoutnačástgeometrie,atoužjeopravduvelkétéma.každopádně byseslušeloříci,žejsemvynechaltémata Opohybunakouli a Skalárnísoučin vektorů,kterésimůžečtenářdoplnitzeskvěléknihy[1],zekteréjsemčerpal. Zdroje [1] Titu Andreescu, Zuming Feng, 103 Trigonometry Problems [] Archiv Matematického korespondenčního semináře [3] Stránky české Matematické olympiády