Poziom średni

Koło jednostkowe

Koło jednostkowe przenosi sinus i cosinus z trójkąta na cały okrąg. Zobacz, jak współrzędne punktu stają się wartościami funkcji, jakie znaki mają w czterech ćwiartkach i co oznacza kąt ujemny albo większy od pełnego obrotu.

Zanim zaczniesz

Ten temat opiera się na wcześniejszych zagadnieniach. Zanim zaczniesz, warto przerobić poniższe lekcje — dzięki nim wszystko pójdzie gładko:

Gdzie się tego używa

Konkretne sytuacje, w których liczysz dokładnie tak, jak uczy ta lekcja:

  • Warsztat
    Sześć otworów rozłożonych równo na okręgu o promieniu 12 cm dzieli go co 60°. Zamiast wyginać taśmę po łuku, liczysz współrzędne: trzeci otwór wypada pod kątem 120°, czyli w punkcie (12 · cos 120°, 12 · sin 120°) = (−6 cm; 10,4 cm). Minus mówi, że jest 6 cm w lewo od środka, a odmierzanie w dwóch prostopadłych kierunkach trafia co do milimetra.
  • Grafika komputerowa
    Każde „obróć o 15°" to ten sam rachunek wykonany na wszystkich pikselach. Punkt oddalony o 100 px od środka po obrocie o 210° ląduje w (100 · cos 210°, 100 · sin 210°) = (−86,6; −50). W trójkącie prostokątnym kąt 210° nie istnieje; na kole jednostkowym po prostu wychodzą dwie współrzędne ujemne, bo punkt jest w trzeciej ćwiartce.
  • Silnik krokowy
    Silnik o 200 krokach na obrót przesuwa oś o 360° / 200 = 1,8° na krok, ale sterowniki i biblioteki ruchu przyjmują radiany: 1,8° = π/100 ≈ 0,0314 rad, a pełny obrót to 2π ≈ 6,283 rad. Podanie 1,8 zamiast 0,0314 daje ruch 57 razy za duży — bo tyle stopni ma jeden radian.

Wszystkie wzory

  • Równanie koła jednostkowego

    x2+y2=1x^2 + y^2 = 1

    okrąg o środku (0, 0) i promieniu 1

  • Punkt na okręgu

    P=(cos⁡α,  sin⁡α)P = (\cos \alpha, \; \sin \alpha)

    cosinus to odcięta, sinus to rzędna

  • Kąty koterminalne

    sin⁡(α+360∘)=sin⁡α\sin(\alpha + 360^\circ) = \sin \alpha

    pełny obrót niczego nie zmienia

Definicje z trójkąta prostokątnego mają jedno ograniczenie: trójkąt ma tylko kąty ostre, więc sin⁡150∘\sin 150^\circ nie ma w nich sensu. Koło jednostkowe usuwa to ograniczenie — i przy okazji pokazuje, czym sinus i cosinus naprawdę są.

Okrąg o promieniu 1

Rysujemy okrąg o środku w punkcie (0,0)(0, 0) i promieniu 11:

x2+y2=1x^2 + y^2 = 1

Kąt α\alpha odmierzamy od dodatniej półosi xx, przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Ramię kąta przecina okrąg dokładnie w jednym punkcie PP.

cos αsin ααr = 1Pxy
Punkt P ma współrzędne (cos α, sin α): cosinus to odcinek na osi x, sinus — na osi y.
P=(cos⁡α,  sin⁡α)P = (\cos \alpha, \; \sin \alpha)

Dla kąta ostrego to dokładnie ta sama definicja, co w trójkącie. Promień, jego rzut na oś xx i odcinek pionowy tworzą trójkąt prostokątny o przeciwprostokątnej równej 11, więc

cos⁡α=x1=x,sin⁡α=y1=y\cos \alpha = \frac{x}{1} = x, \qquad \sin \alpha = \frac{y}{1} = y

Promień równy jeden usuwa dzielenie — zostają same współrzędne. Nowe jest to, że punkt można obracać dalej niż do 90∘90^\circ, a współrzędne nadal istnieją.

Znaki w ćwiartkach

Osie dzielą płaszczyznę na cztery ćwiartki, numerowane przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Znak funkcji to po prostu znak odpowiedniej współrzędnej.

+ +− +− −+ −α
W każdej ćwiartce pierwszy znak dotyczy cosinusa (odciętej), drugi — sinusa (rzędnej).
ćwiartkazakrescos⁡α\cos \alphasin⁡α\sin \alphatg⁡α\operatorname{tg} \alpha
I0∘0^\circ–90∘90^\circ++++++
II90∘90^\circ–180∘180^\circ−-++−-
III180∘180^\circ–270∘270^\circ−-−-++
IV270∘270^\circ–360∘360^\circ++−-−-

Tangens jest ilorazem, więc jego znak wynika z dwóch pozostałych: dwa minusy w trzeciej ćwiartce dają plus.

Wartości poza pierwszą ćwiartką

Wartość liczbową bierzemy z kąta odniesienia — ostrego kąta między ramieniem a osią xx — a znak z ćwiartki.

Oblicz sin 150° i cos 150°.

Kąty ujemne i obroty z okładem

Nic nie każe zatrzymać się na 360∘360^\circ. Kąt ujemny odmierzamy zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a kąt większy od pełnego obrotu to obrót z okładem — punkt trafia tam, gdzie już był:

sin⁡(α+360∘)=sin⁡α,cos⁡(α+360∘)=cos⁡α\sin(\alpha + 360^\circ) = \sin \alpha, \qquad \cos(\alpha + 360^\circ) = \cos \alpha
390°P
Kąt 390° to pełny obrót i jeszcze 30°. Ramię kończy tam, gdzie ramię kąta 30° — dlatego obie wartości sinusa są równe.

Kąty prowadzące do tego samego punktu nazywamy koterminalnymi. Stąd sin⁡390∘=sin⁡30∘=12\sin 390^\circ = \sin 30^\circ = \frac{1}{2}, a sin⁡(−30∘)=−12\sin(-30^\circ) = -\frac{1}{2}, bo obrót w drugą stronę zmienia znak rzędnej.

Druga miara kąta

Kąt można mierzyć nie tylko w stopniach. Ta sama ćwiartka koła to 90∘90^\circ albo π2\frac{\pi}{2} radiana — miara, w której wielkość kąta liczy się długością wyciętego łuku, a nie umownym podziałem obrotu na 360 części. To właśnie ona pojawia się dalej w tym dziale i na osiach wykresów trygonometrycznych; definicję, oba przeliczniki oraz wzory na długość łuku i pole wycinka wykłada osobny temat: miara łukowa i radiany.

Zadania

W zadaniach o wartość funkcji wpisz wartość dokładną, np. √2/2 albo −1/2. W zadaniach o ćwiartkę podaj jej numer znakiem rzymskim: I, II, III albo IV.

Ćwiczenia

Rozwiąż zestaw zadań — trudność rośnie z każdym kolejnym. Na końcu zobaczysz wynik i listę pomyłek do powtórki.

Zadanie 1 z 8Punkty: 0
cos 0° =

Częste błędy

  • Odmierzanie kąta od osi yy — kąt zawsze startuje od dodatniej półosi xx.
  • Zamiana sinusa z cosinusem — cosinus to współrzędna pozioma, sinus — pionowa. Alfabetycznie: cosinus przed sinusem, tak jak xx przed yy.
  • Zgubiony znak w II–IV ćwiartce — wartość bierzemy z kąta odniesienia, ale znak z ćwiartki.
  • Mylenie ćwiartki z kątem odniesienia — 200∘200^\circ leży w III ćwiartce, ale jego kąt odniesienia to 20∘20^\circ; to dwie różne liczby i dwa różne pytania.
  • Szukanie ćwiartki bez sprowadzenia kąta do jednego obrotu — 430∘430^\circ i −290∘-290^\circ to ten sam kąt co 70∘70^\circ, czyli I ćwiartka.
  • Sinus większy od 1 — na okręgu o promieniu 1 to niemożliwe; taki wynik oznacza błąd w rachunku.

Karta wzorów

Temat: Koło jednostkowe

  • Równanie koła jednostkowego

    x2+y2=1x^2 + y^2 = 1

    okrąg o środku (0, 0) i promieniu 1

  • Punkt na okręgu

    P=(cos⁡α,  sin⁡α)P = (\cos \alpha, \; \sin \alpha)

    cosinus to odcięta, sinus to rzędna

  • Kąty koterminalne

    sin⁡(α+360∘)=sin⁡α\sin(\alpha + 360^\circ) = \sin \alpha

    pełny obrót niczego nie zmienia

cos αsin ααr = 1Pxy
Koło jednostkowe: punkt P na okręgu ma współrzędne (cos α, sin α). Cosinus mierzymy wzdłuż osi x, sinus wzdłuż osi y.
+ +− +− −+ −α
Znaki w czterech ćwiartkach: pierwsza litera mówi o cosinusie (odcięta), druga o sinusie (rzędna).

Najczęstsze pytania

Powiązane artykuły