Poziom zaawansowany

Wzory na sumę i różnicę kątów

Sinus sumy nie jest sumą sinusów. Zobacz, skąd biorą się wzory na sin(α ± β) i cos(α ± β), jak z nich wypada kąt podwojony, jak policzyć wartość dokładną sin 75° i jak używać ich do dowodzenia tożsamości trygonometrycznych.

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:

  • Rzut ukośny
    Zasięg rzutu z prędkością v pod kątem α to R = v² · sin 2α / g — wzór, który powstaje właśnie ze wzoru na kąt podwojony. Dla v = 20 m/s i α = 30° wychodzi 400 · sin 60° / 9,81 = 35,3 m, a dla α = 45° aż 40,8 m. Ponieważ sin 2α jest największy przy 2α = 90°, optymalny kąt wyrzutu to zawsze 45° — i dlatego kula w kulomiocie leci najdalej właśnie pod tym kątem.
  • Radio AM
    Modulacja amplitudy mnoży falę nośną 1000 kHz przez sygnał dźwiękowy 5 kHz, a wzory na sumę i różnicę zamieniają ten iloczyn na sumę: cos A · cos B = ½[cos(A − B) + cos(A + B)]. Zamiast jednej częstotliwości nadajnik emituje więc trzy — 995, 1000 i 1005 kHz — i stąd bierze się szerokość kanału radiowego równa 10 kHz.
  • Strojenie instrumentu
    Dwie struny grające 440 Hz i 442 Hz dają sumę, którą wzór na sumę sinusów zamienia na iloczyn: głośność pulsuje z częstotliwością 442 − 440 = 2 Hz. Stroiciel liczy te dudnienia — dwa uderzenia na sekundę — i naciąga strunę, aż zwolnią do zera. Dokładnie ten sam rachunek stoi za dwutonowym „dzwonieniem" źle wyważonego wentylatora.
  • Ramię robota
    Dwuczłonowe ramię o długościach 40 cm i 30 cm, ustawione pod kątami 25° i 40°, ma chwytak w punkcie x = 40 · cos 25° + 30 · cos(25° + 40°) = 36,3 + 12,7 = 49,0 cm od podstawy, na wysokości y = 40 · sin 25° + 30 · sin 65° = 16,9 + 27,2 = 44,1 cm. Drugi człon liczy się z kąta będącego SUMĄ dwóch przegubów — bez wzoru na sinus sumy nie da się tego rozłożyć na obroty pojedynczych stawów.
  • Panel fotowoltaiczny
    Moc panelu jest proporcjonalna do cosinusa kąta między promieniem a normalną do panelu. Panel nachylony 35° do poziomu, przy słońcu 20° nad horyzontem, pracuje z cos(90° − 20° − 35°) = cos 35° = 0,82 nominalnej mocy. Rozłożenie tego przez cos(α − β) pokazuje, ile daje sam obrót panelu, a ile ruch słońca — i dlatego trackery obracają panele w ciągu dnia.

Wszystkie wzory

  • Sinus sumy

    sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha + \beta) = \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta

    znaki po obu stronach takie same

  • Sinus różnicy

    sin⁡(α−β)=sin⁡αcos⁡β−cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha - \beta) = \sin \alpha \cos \beta - \cos \alpha \sin \beta

    ten sam wzór z β zastąpionym przez −β

  • Cosinus sumy

    cos⁡(α+β)=cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha + \beta) = \cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta

    uwaga: znak po prawej jest ODWROTNY

  • Cosinus różnicy

    cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha - \beta) = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta

    wzór wyjściowy — z niego wynikają wszystkie pozostałe

  • Tangens sumy

    tg⁡(α+β)=tg⁡α+tg⁡β1−tg⁡αtg⁡β\operatorname{tg}(\alpha + \beta) = \frac{\operatorname{tg} \alpha + \operatorname{tg} \beta}{1 - \operatorname{tg} \alpha \operatorname{tg} \beta}

    iloraz obu poprzednich wzorów

  • Sinus kąta podwojonego

    sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin 2\alpha = 2 \sin \alpha \cos \alpha

    wzór na sumę dla β = α

  • Cosinus kąta podwojonego

    cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α=1−2sin⁡2α=2cos⁡2α−1\cos 2\alpha = \cos^2 \alpha - \sin^2 \alpha = 1 - 2\sin^2 \alpha = 2\cos^2 \alpha - 1

    trzy postacie tej samej wartości — wybierz tę, która pasuje do danych

Pokusa jest silna: skoro (a+b)2(a + b)^2 rozkłada się na wzór skróconego mnożenia, to może sin⁡(α+β)\sin(\alpha + \beta) rozkłada się na sin⁡α+sin⁡β\sin \alpha + \sin \beta? Nie. Wystarczy podstawić:

sin⁡(30∘+60∘)=sin⁡90∘=1,sin⁡30∘+sin⁡60∘=12+32≈1,366\sin(30^\circ + 60^\circ) = \sin 90^\circ = 1, \qquad \sin 30^\circ + \sin 60^\circ = \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2} \approx 1{,}366

Funkcje trygonometryczne nie są liniowe. Prawdziwy wzór jest inny — i to on otwiera całą resztę trygonometrii.

Wzór wyjściowy: cosinus różnicy

Zacznijmy od jednego wzoru; pozostałe z niego wypadną. Weźmy dwa punkty na kole jednostkowym: PP pod kątem α\alpha i QQ pod kątem β\beta.

−1−0,500,51−1−0,500,51xyP (α = 70°)Q (β = 25°)cięciwa PQP (α = 70°)Q (β = 25°)
Cięciwa PQ zależy tylko od kąta między ramionami. Obrót całego rysunku o −β nic w niej nie zmienia.

Ich współrzędne to P=(cos⁡α,sin⁡α)P = (\cos \alpha, \sin \alpha) i Q=(cos⁡β,sin⁡β)Q = (\cos \beta, \sin \beta). Kwadrat długości cięciwy liczymy odległością punktów:

∣PQ∣2=(cos⁡α−cos⁡β)2+(sin⁡α−sin⁡β)2|PQ|^2 = (\cos \alpha - \cos \beta)^2 + (\sin \alpha - \sin \beta)^2

Po rozwinięciu kwadratów i zastosowaniu jedynki trygonometrycznej dwa razy:

∣PQ∣2=2−2(cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β)|PQ|^2 = 2 - 2(\cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta)

Teraz obróćmy cały rysunek o kąt −β-\beta. Cięciwa jest odcinkiem sztywnym, więc jej długość się nie zmienia — a punkty trafiają pod kąty α−β\alpha - \beta oraz 00:

∣PQ∣2=(cos⁡(α−β)−1)2+sin⁡2(α−β)=2−2cos⁡(α−β)|PQ|^2 = (\cos(\alpha - \beta) - 1)^2 + \sin^2(\alpha - \beta) = 2 - 2\cos(\alpha - \beta)

Porównanie obu wyrażeń i skrócenie daje wzór:

cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha - \beta) = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta

Pozostałe trzy wzory

Nie trzeba ich dowodzić od nowa — wystarczą wzory redukcyjne z poprzedniej lekcji.

Cosinus sumy. Podstawiamy −β-\beta w miejsce β\beta i korzystamy z parzystości cosinusa oraz nieparzystości sinusa:

cos⁡(α+β)=cos⁡αcos⁡(−β)+sin⁡αsin⁡(−β)=cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha + \beta) = \cos \alpha \cos(-\beta) + \sin \alpha \sin(-\beta) = \cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta

Sinus sumy. Zamieniamy sinus na cosinus dopełnienia i przegrupowujemy kąty:

sin⁡(α+β)=cos⁡(90∘−(α+β))=cos⁡((90∘−α)−β)\sin(\alpha + \beta) = \cos\left(90^\circ - (\alpha + \beta)\right) = \cos\left((90^\circ - \alpha) - \beta\right) =cos⁡(90∘−α)cos⁡β+sin⁡(90∘−α)sin⁡β=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β= \cos(90^\circ - \alpha)\cos \beta + \sin(90^\circ - \alpha)\sin \beta = \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta

Sinus różnicy znów przez podstawienie −β-\beta. Cztery wzory razem:

sin⁡(α±β)=sin⁡αcos⁡β±cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha \pm \beta) = \sin \alpha \cos \beta \pm \cos \alpha \sin \beta cos⁡(α±β)=cos⁡αcos⁡β∓sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha \pm \beta) = \cos \alpha \cos \beta \mp \sin \alpha \sin \beta

Jedyne, co trzeba zapamiętać, to zachowanie znaku: w sinusie znak po prawej jest taki sam jak po lewej, w cosinusie odwrotny.

Tangens sumy

Dzielimy sinus sumy przez cosinus sumy, a potem licznik i mianownik przez cos⁡αcos⁡β\cos \alpha \cos \beta:

tg⁡(α+β)=tg⁡α+tg⁡β1−tg⁡αtg⁡β\operatorname{tg}(\alpha + \beta) = \frac{\operatorname{tg} \alpha + \operatorname{tg} \beta}{1 - \operatorname{tg} \alpha \operatorname{tg} \beta}

Mianownik zeruje się dokładnie wtedy, gdy tg⁡αtg⁡β=1\operatorname{tg} \alpha \operatorname{tg} \beta = 1, czyli gdy α+β=90∘\alpha + \beta = 90^\circ — a tam tangens rzeczywiście nie istnieje. Wzór sam pilnuje swojej dziedziny.

Wartości dokładne nowych kątów

Wzory pozwalają wyjść poza tablicę 30∘30^\circ, 45∘45^\circ, 60∘60^\circ — wystarczy zapisać kąt jako sumę albo różnicę.

Oblicz wartość dokładną sin 75° i cos 15°.

Te same wzory czyta się też w drugą stronę — i to jest kierunek, w którym pytają zadania. Wyrażenie o kształcie prawej strony zwija się do jednej funkcji:

sin⁡25∘cos⁡35∘+cos⁡25∘sin⁡35∘=sin⁡(25∘+35∘)=sin⁡60∘=32\sin 25^\circ \cos 35^\circ + \cos 25^\circ \sin 35^\circ = \sin(25^\circ + 35^\circ) = \sin 60^\circ = \frac{\sqrt{3}}{2}

Kąt podwojony

Wystarczy w obu wzorach na sumę podstawić β=α\beta = \alpha.

−1−0,500,51−1−0,500,51xyα = 35°2α = 70°α = 35°2α = 70°
Ramię kąta 2α to ramię kąta α obrócone jeszcze raz o α. Jego współrzędne wyrażają się przez współrzędne pierwszego.
sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin 2\alpha = 2 \sin \alpha \cos \alpha cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α\cos 2\alpha = \cos^2 \alpha - \sin^2 \alpha

Drugi wzór ma jeszcze dwie postacie. Podstawiając cos⁡2α=1−sin⁡2α\cos^2 \alpha = 1 - \sin^2 \alpha albo sin⁡2α=1−cos⁡2α\sin^2 \alpha = 1 - \cos^2 \alpha:

cos⁡2α=1−2sin⁡2α=2cos⁡2α−1\cos 2\alpha = 1 - 2\sin^2 \alpha = 2\cos^2 \alpha - 1

To nie są trzy różne wzory, tylko jedna wartość zapisana trzema sposobami — wybieramy ten, który pasuje do danych zadania.

Wiadomo, że sin α = 3/5 i α jest kątem ostrym. Oblicz sin 2α i cos 2α.

Dla tangensa wychodzi analogicznie:

tg⁡2α=2tg⁡α1−tg⁡2α\operatorname{tg} 2\alpha = \frac{2\operatorname{tg} \alpha}{1 - \operatorname{tg}^2 \alpha}

Dowodzenie tożsamości

Tożsamość trygonometryczna to równość prawdziwa dla każdego kąta z dziedziny. Dowodzi się jej według jednej zasady: przekształcamy jedną stronę, aż stanie się drugą. Nie wolno przenosić wyrazów przez znak równości ani mnożyć obu stron — to zakładałoby, że równość już zachodzi, czyli dokładnie to, co mamy wykazać.

W praktyce zaczynamy od strony bardziej złożonej, rozpisujemy sumy kątów i kąty podwojone, a na końcu zwykle zbieramy wynik jedynką trygonometryczną.

Wykaż, że (sin α + cos α)² = 1 + sin 2α.
Wykaż, że sin 3α = 3 sin α − 4 sin³ α.

Zadania

W zadaniach o wartość wyrażenia rozpoznaj wzór i zwiń je do jednej funkcji — odpowiedzią jest wartość dokładna, np. √3/2 albo 1/2. W zadaniach o kąt podwojony odpowiedzią jest ułamek, razem ze znakiem (np. −7/25).

Ćwiczenia

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

Zadanie 1 z 8Punkty: 0
sin 49° · cos 11° + cos 49° · sin 11° =

Częste błędy

  • sin⁡(α+β)=sin⁡α+sin⁡β\sin(\alpha + \beta) = \sin \alpha + \sin \beta — najczęstszy błąd w trygonometrii. Kontrprzykład na 30∘30^\circ i 60∘60^\circ obala go w dwóch linijkach.
  • Zły znak w cosinusie — w cosinusie sumy po prawej stoi minus, a w cosinusie różnicy plus. Odwrotnie niż po lewej stronie i odwrotnie niż w sinusie.
  • cos⁡2α=2cos⁡α\cos 2\alpha = 2\cos \alpha — kąt podwojony nie znaczy „wartość podwojona". Dla α=60∘\alpha = 60^\circ mamy cos⁡120∘=−12\cos 120^\circ = -\tfrac{1}{2}, a 2cos⁡60∘=12\cos 60^\circ = 1.
  • Zgubiona dwójka w sin⁡2α\sin 2\alpha — wzór to 2sin⁡αcos⁡α2\sin \alpha \cos \alpha, nie sin⁡αcos⁡α\sin \alpha \cos \alpha.
  • Dowód „z obu stron naraz" — przekształcamy jedną stronę. Mnożenie obu stron zakłada to, co dopiero mamy wykazać.
  • Rozkład kąta na sumę, której składników nie ma w tablicy — 75∘=45∘+30∘75^\circ = 45^\circ + 30^\circ działa, 75∘=50∘+25∘75^\circ = 50^\circ + 25^\circ nie daje niczego, bo wartości tych kątów też nie znamy.

Karta wzorów

Temat: Wzory na sumę i różnicę kątów

  • Sinus sumy

    sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha + \beta) = \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta

    znaki po obu stronach takie same

  • Sinus różnicy

    sin⁡(α−β)=sin⁡αcos⁡β−cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha - \beta) = \sin \alpha \cos \beta - \cos \alpha \sin \beta

    ten sam wzór z β zastąpionym przez −β

  • Cosinus sumy

    cos⁡(α+β)=cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha + \beta) = \cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta

    uwaga: znak po prawej jest ODWROTNY

  • Cosinus różnicy

    cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha - \beta) = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta

    wzór wyjściowy — z niego wynikają wszystkie pozostałe

  • Tangens sumy

    tg⁡(α+β)=tg⁡α+tg⁡β1−tg⁡αtg⁡β\operatorname{tg}(\alpha + \beta) = \frac{\operatorname{tg} \alpha + \operatorname{tg} \beta}{1 - \operatorname{tg} \alpha \operatorname{tg} \beta}

    iloraz obu poprzednich wzorów

  • Sinus kąta podwojonego

    sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin 2\alpha = 2 \sin \alpha \cos \alpha

    wzór na sumę dla β = α

  • Cosinus kąta podwojonego

    cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α=1−2sin⁡2α=2cos⁡2α−1\cos 2\alpha = \cos^2 \alpha - \sin^2 \alpha = 1 - 2\sin^2 \alpha = 2\cos^2 \alpha - 1

    trzy postacie tej samej wartości — wybierz tę, która pasuje do danych

−1−0,500,51−1−0,500,51xyα = 70°β = 25°PQα = 70°β = 25°
Wyprowadzenie: punkty P i Q leżą na kole jednostkowym pod kątami α i β. Długość cięciwy PQ zależy wyłącznie od różnicy α − β — i to właśnie daje wzór na cos(α − β).
−1−0,500,51−1−0,500,51xyα = 35°2α = 70°α = 35°2α = 70°
Kąt podwojony: ramię kąta 2α powstaje z ramienia α przez powtórzenie obrotu. Jego współrzędne — czyli cos 2α i sin 2α — wyrażają się przez współrzędne pierwszego ramienia.

Najczęstsze pytania

Powiązane artykuły