7. Trigonometriska ettan och additionsformler
Fortsätt till nästa lektion
Lektion
Övningar
Tester
Kapitel 1
7. 

Trigonometriska ettan och additionsformler

Lektionen fokuserar på trigonometriska koncept, inklusive trigonometriska ettan, som är ett samband mellan sinus och cosinus som anger att summan av de kvadrerade sinus- och cosinusvärdena för en vinkel alltid är lika med 1. Den förklarar också hur man kan använda trigonometriska ettan för att bestämma det andra värdet om man känner till sinus- eller cosinusvärdet för en vinkel. Sidan innehåller också information om additions- och subtraktionsformler för sinus och cosinus, och hur dessa kan användas för att förenkla och lösa olika matematiska problem. Det finns också exempel och förklaringar som hjälper till att förstå dessa koncept.
Visa mer expand_more
Begrepp Modellering Problemlösning Procedur Resonemang och Kommunikation
Inställningar & verktyg för lektion
5 sidor teori
11 Uppgifter - Nivå 1 - 3
Varje lektion är menad motsvara 1-2 lektioner i klassrummet.
Trigonometriska ettan och additionsformler
Sida av 5
En väl använd formel inom trigonometrin är den så kallade trigonometriska ettan, som anger ett samband mellan sinus och cosinus. Detta kan bl.a. nyttjas för att bevisa andra praktiska formler, t.ex. de för beräkningar av trigonometriska värden för summor och differenser av vinklar.
Bevis

Trigonometriska ettan

Trigonometriska ettan är ett samband mellan sinus och cosinus som anger att summan av de kvadrerade sinus- och cosinusvärdena för en vinkel alltid är lika med 1.

Bevis

sin^2(v)+cos^2(v)=1

Sambandet kan härledas med t.ex. cirkelns ekvation. Alla punkter (x,y) på randen till en cirkel med radien r och medelpunkten (a,b) uppfyller cirkelns ekvation: (x-a)^2+(y-b)^2=r^2. Vad är denna ekvation för enhetscirkeln, dvs. cirkeln med radien 1 och medelpunkt i origo?

Man kan bestämma ekvationen genom att sätta in r=1, a=0 och b=0 i cirkelns ekvation.
(x-a)^2+(y-b)^2=r^2
(x-0)^2+(y-0)^2=1^2
x^2+y^2=1
Eftersom en punkt på enhetscirkeln kan definieras med sinus och cosinus kan man göra ersättningarna x=cos(v) och y=sin(v) i ekvationen. (cos(v))^2+(sin(v))^2=1 Det är vanligt att exponenterna skrivs innan argumentet. Då får man trigonometriska ettan på den form som är vanligast: sin^2(v)+cos^2(v)=1.

Exempel

Bestäm sinusvärdet med trigonometriska ettan

fullscreen

Använd trigonometriska ettan för att bestämma sinusvärdet för vinkeln v, givet att cosinusvärdet för vinkeln är 0.87. Svara exakt.

Visa Lösning expand_more
Vi ska alltså bestämma sin(v) givet att cos(v)=0.87. Till vår hjälp har vi trigonometriska ettan: sin^2(v)+cos^2(v)=1. Vi sätter nu in det kända cosinusvärdet i formeln och löser ut sin(v). Kom ihåg att cos^2(v) är samma sak som (cos(v))^2.
sin^2(v)+cos^2(v)=1
sin^2(v)+ 0.87^2=1
sin^2(v)+0.7569=1
sin^2(v)=1-0.7569
sin^2(v)=0.2431
sin(v)=±sqrt(0.2431)
Eftersom vinkeln vi ska bestämma sinusvärdet för ligger ovanför x-axeln måste dess sinusvärde vara positivt, så vi förkastar det negativa värdet. Det innebär att sinusvärdet vi söker är sin(v)=sqrt(0.2431).
Regel

Additions- och subtraktionsformler

Sinus- eller cosinusvärdet av en summa eller differens av vinklar kan delas upp som en kombination av de enskilda vinklarnas sinus- och cosinusvärden. Dessa formler kan vara lätta att blanda ihop, men det finns minnesregler.

  • cos ger couscous: Båda cosinusformler börjar med cos(u)cos(v). Sinusformlerna börjar istället med sin(u)cos(v).
  • Sinus minus ger minus: Båda sinusformler bevarar tecknet: Är det minus i parentesen ska det även vara minus mellan produkterna. Cosinusformlerna byter tecknet istället.
  • sin-byte i halvtid: Efter mittentecknet skrivs samma sak igen, men sin byts mot cos och cos byts mot sin.
Vilken vinkel som hamnar var är det lättaste: Behåll bara ordningen de har i första parentesen!

Bevis

cos(u-v)=cos(u)cos(v)+sin(u)sin(v)

För att bevisa sambandet kan man utgå från två godtyckliga vinklar, u och v, i enhetscirkeln. Genom att dra vinkelstreck från origo till cirkeln hamnar man på punkter som kan kallas P och Q. Koordinaterna för dessa punkter anges med vinklarnas sinus- och cosinusvärden.

Avståndet, d, mellan punkterna P och Q kan bestämmas med hjälp av avståndsformeln.

Genom att sätta in koordinaterna och använda andra kvadreringsregeln får man ett uttryck för d.
d = sqrt((x_2-x_1)^2 + (y_2-y_1)^2)
d=sqrt((cos(u)-cos(v))^2+(sin(u)-sin(v))^2)
d=sqrt(cos^2(u)-2cos(u)cos(v)+cos^2(v)+sin^2(u)-2sin(u)sin(v)+sin^2(v))
d=sqrt(sin^2(u)+cos^2(u)+sin^2(v)+cos^2(v)-2cos(u)cos(v)-2sin(u)sin(v))
d=sqrt(1+1-2cos(u)cos(v)-2sin(u)sin(v))
d=sqrt(2-2cos(u)cos(v)-2sin(u)sin(v))
Medelpunktsvinkeln mellan P och Q är skillnaden mellan u och v, dvs. u-v.

Tänk nu att man roterar hela triangeln så att hörnet i P hamnar på x-axeln. Medelpunktsvinkeln kommer inte att ändras och avståndet d är fortfarande samma. Låt P' och Q' beteckna de punkter där hörnen ligger efter rotationen.

Nu kan man beräkna d med hjälp av avståndsformeln igen, men med koordinaterna för P' och Q'.
d = sqrt((x_2-x_1)^2 + (y_2-y_1)^2)
d=sqrt((cos(u-v)-1)^2+(sin(u-v)-0)^2)
d=sqrt((cos(u-v)-1)^2+sin^2(u-v))
d=sqrt(cos^2(u-v)-2*cos(u-v)* 1+1^2+sin^2(u-v))
d=sqrt(cos^2(u-v)-2cos(u-v)+1+sin^2(u-v))
d=sqrt(sin^2(u-v)+cos^2(u-v)+1-2cos(u-v))
d=sqrt(1+1-2cos(u-v))
d=sqrt(2-2cos(u-v))
De två uttrycken för längden d kan man nu sätta lika med varandra eftersom det är samma avstånd.
sqrt(2-2cos(u)cos(v)-2sin(u)sin(v))=sqrt(2-2cos(u-v))
2-2cos(u)cos(v)-2sin(u)sin(v)=2-2cos(u-v)
- 2cos(u)cos(v)-2sin(u)sin(v)=- 2cos(u-v)
- 2cos(u-v)=- 2cos(u)cos(v)-2sin(u)sin(v)
2cos(u-v)= 2cos(u)cos(v)+2sin(u)sin(v)
cos(u-v)= cos(u)cos(v)+sin(u)sin(v)
Cosinusvärdet av en differens är alltså cos(u-v)=cos(u)cos(v)+sin(u)sin(v).
Q.E.D.

Bevis

cos(u+v)=cos(u)cos(v)-sin(u)sin(v)
Man kan bevisa denna formel med utgångspunkt i subtraktionsformeln för cosinus. För att kunna använda den behöver man först skriva om summan u+v som en differens mellan ett positivt och ett negativt tal.
cos(u+v)
cos(u-(- v))
cos(u)cos(- v) + sin(u)sin(- v)
Uttrycket kan förenklas med de trigonometriska sambanden cos(- v)=cos(v) och sin(- v)=- sin(v).
cos(u)cos(- v) + sin(u)sin(- v)
cos(u)cos(v) + sin(u)sin(- v)
cos(u)cos(v) + sin(u)( - sin(v))
cos(u)cos(v) - sin(u)sin(v)
Cosinusvärdet av en summa kan alltså skrivas som cos(u+v)=cos(u)cos(v) - sin(u)sin(v).
Q.E.D.

Bevis

sin(u+v)=sin(u)cos(v)+cos(u)sin(v)

Beviset för detta grundar sig i subtraktionsformeln för cosinus. Dessutom används sambanden

sin(v)=cos(90^(∘)-v)     och     cos(v)=sin(90^(∘)-v).
Med hjälp av det första sambandet kan sin(u+v) skrivas om som cosinus av en differens.
sin(u+v)
cos(90^(∘)-(u+v))
cos(90^(∘)-u-v)
cos((90^(∘)-u)-v)
Nu kan subtraktionsformeln för cosinus användas.
cos((90^(∘)-u)-v)
cos(90^(∘)-u)cos(v)+sin(90^(∘)-u)sin(v)
sin(u)cos(v)+sin(90^(∘)-u)sin(v)
sin(u)cos(v)+cos(u)sin(v)
Sinusvärdet av en summa kan alltså skrivas sin(u+v)=sin(u)cos(v)+cos(u)sin(v).
Q.E.D.

Bevis

sin(u-v)=sin(u)cos(v)-cos(u)sin(v)
Beviset för detta utgår från additionsformeln för sinus. Den kan användas om man först skriver om subtraktionen u-v som en addition med ett negativt tal.
sin(u-v)
sin(u+ (- v))
sin(u)cos(- v) + cos(u)sin(- v)
Uttrycket kan nu förenklas med sambanden cos(- v)=cos(v) och sin(- v)=- sin(v).
sin(u)cos(- v) + cos(u)sin(- v)
sin(u)cos(v) + cos(u)sin(- v)
sin(u)cos(v) + cos(u)( - sin(v))
sin(u)cos(v) - cos(u)sin(v)
Sinusvärdet av en differens kan alltså skrivas som sin(u-v)=sin(u)cos(v)-cos(u)sin(v).
Q.E.D.

Exempel

Bestäm cosinusvärdet med additionsformeln för cosinus

fullscreen

Beräkna cos(75^(∘)) genom att dela upp argumentet som en summa av två standardvinklar. Svara exakt.

Visa Lösning expand_more

För att dela upp argumentet 75^(∘) i standardvinklar tar vi hjälp av tabellen med trigonometriska värden för standardvinklar.

v (grader) 0^(∘) 30^(∘) 45^(∘) 60^(∘) ...
sin(v) 0 1/2 1/sqrt(2) sqrt(3)/2 ...
cos(v) 1 sqrt(3)/2 1/sqrt(2) 1/2 ...
De enda standardvinklar som summeras till 75^(∘) är 30^(∘) och 45^(∘). Med den uppdelningen kan cos(75^(∘)) skrivas om med additionsformeln för cosinus.
cos(75^(∘))
cos(30^(∘)+45^(∘))
cos(30^(∘))cos(45^(∘))-sin(30^(∘))sin(45^(∘))
Dessa sinus- och cosinusvärden kan vi hämta från tabellen.
cos(30^(∘))cos(45^(∘))-sin(30^(∘))sin(45^(∘))
sqrt(3)/2*1/sqrt(2)-1/2*1/sqrt(2)
sqrt(3)/2sqrt(2)-1/2sqrt(2)
sqrt(3)-1/2sqrt(2)
Nu kan vi konstatera att cos(75^(∘))=sqrt(3)-1/2sqrt(2).
Trigonometriska ettan och additionsformler
Övningar
>
2
e
7
8
9
×
÷1
=
=
4
5
6
+
<
log
ln
log
1
2
3
()
sin
cos
tan
0
.
π
x
y