Poziom zaawansowany

Wzory redukcyjne

Wzory redukcyjne sprowadzają sinus, cosinus i tangens dowolnego kąta do kąta ostrego. Zamiast uczyć się kilkunastu wzorów na pamięć, zobacz jedną regułę: przy 180° i 360° funkcja zostaje, przy 90° i 270° zmienia się na kofunkcję, a znak bierzemy z ćwiartki.

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:

  • Słuchawki wygłuszające
    Mikrofon łapie hałas silnika o amplitudzie 40 mPa, a głośnik gra ten sam ton przesunięty o 180°: sin(x + 180°) = −sin x, więc fala odtworzona jest dokładnie przeciwna. Suma 40 · sin x + 40 · sin(x + 180°) = 0 — cisza. Cały układ aktywnej redukcji hałasu to jeden wzór redukcyjny wykonany 48 000 razy na sekundę.
  • Nawigacja
    Statek płynie 12 km kursem 215°. Składowa północna to 12 · cos 215° = −12 · cos 35° = −9,83 km, czyli 9,83 km na południe; wschodnia to 12 · sin 215° = −12 · sin 35° = −6,88 km, czyli 6,88 km na zachód. Kalkulator nie ma klawisza „cos 215°" bez trybu DEG — wzór redukcyjny zamienia to na cos 35° i dwa minusy z III ćwiartki.
  • Grafika komputerowa
    Obrót punktu o 90° w lewo przeprowadza (x, y) na (−y, x). To nie jest reguła do zapamiętania, tylko para wzorów redukcyjnych: cos(α + 90°) = −sin α i sin(α + 90°) = cos α. Punkt (3, 4) po obrocie ląduje w (−4, 3) — jedno przestawienie liczb zamiast dwóch wywołań funkcji trygonometrycznych na piksel.
  • Mechanika drgań
    Ciężarek na sprężynie ma położenie x(t) = 0,05 · cos(10t) metra. Prędkość wyprzedza je o ćwierć okresu: v(t) = −0,5 · sin(10t) = 0,5 · cos(10t + 90°) m/s. Po 0,1 s położenie wynosi 0,05 · cos 1 ≈ 0,027 m, a prędkość −0,5 · sin 1 ≈ −0,42 m/s — ciężarek jest jeszcze po dodatniej stronie, ale już wraca.
  • Elektrotechnika trójfazowa
    Trzy fazy w gniazdku siłowym są przesunięte o 120°: u₂(t) = 325 · sin(ωt − 120°), u₃(t) = 325 · sin(ωt + 120°). W chwili, gdy pierwsza faza jest w szczycie (ωt = 90°), druga daje 325 · sin(−30°) = −162,5 V, a trzecia 325 · sin 210° = −162,5 V. Suma wszystkich trzech wynosi zero w każdej chwili — dlatego przewód neutralny w symetrycznym obciążeniu nie przewodzi prądu.

Wszystkie wzory

  • Kąt dopełniający do półobrotu

    sin⁡(180∘−α)=sin⁡α,cos⁡(180∘−α)=−cos⁡α\sin(180^\circ - \alpha) = \sin \alpha, \qquad \cos(180^\circ - \alpha) = -\cos \alpha

    II ćwiartka: sinus dodatni, cosinus ujemny

  • Półobrót w przód

    sin⁡(180∘+α)=−sin⁡α,cos⁡(180∘+α)=−cos⁡α\sin(180^\circ + \alpha) = -\sin \alpha, \qquad \cos(180^\circ + \alpha) = -\cos \alpha

    III ćwiartka: obie funkcje ujemne

  • Dopełnienie do pełnego obrotu

    sin⁡(360∘−α)=−sin⁡α,cos⁡(360∘−α)=cos⁡α\sin(360^\circ - \alpha) = -\sin \alpha, \qquad \cos(360^\circ - \alpha) = \cos \alpha

    IV ćwiartka: sinus ujemny, cosinus dodatni

  • Kąt ujemny

    sin⁡(−α)=−sin⁡α,cos⁡(−α)=cos⁡α\sin(-\alpha) = -\sin \alpha, \qquad \cos(-\alpha) = \cos \alpha

    sinus jest nieparzysty, cosinus parzysty

  • Kąt dopełniający do prostego

    sin⁡(90∘−α)=cos⁡α,cos⁡(90∘−α)=sin⁡α\sin(90^\circ - \alpha) = \cos \alpha, \qquad \cos(90^\circ - \alpha) = \sin \alpha

    funkcja zmienia się na kofunkcję

  • Ćwierć obrotu w przód

    sin⁡(90∘+α)=cos⁡α,cos⁡(90∘+α)=−sin⁡α\sin(90^\circ + \alpha) = \cos \alpha, \qquad \cos(90^\circ + \alpha) = -\sin \alpha

    znowu zamiana funkcji, znak z II ćwiartki

  • Okres tangensa

    tg⁡(180∘+α)=tg⁡α\operatorname{tg}(180^\circ + \alpha) = \operatorname{tg} \alpha

    tangens powtarza się co pół obrotu

Tablica wartości funkcji trygonometrycznych obejmuje kąty od 0° do 90°. Kątów jest nieskończenie wiele. Wzory redukcyjne są mostem między jednym a drugim: każdą wartość sprowadzają do kąta ostrego.

Dwie rzeczy: wartość i znak

Na kole jednostkowym każdy kąt wyznacza punkt, a wartości funkcji są jego współrzędnymi. Przy sprowadzaniu do kąta ostrego pytamy więc o dwie osobne rzeczy:

  1. Jaka jest wartość bezwzględna — to daje kąt odniesienia, czyli ostry kąt między ramieniem a osią xx.
  2. Jaki jest znak — to daje ćwiartka, w której leży ramię.
ćwiartkazakressin⁡\sincos⁡\costg⁡\operatorname{tg}
I0∘0^\circ–90∘90^\circ++++++
II90∘90^\circ–180∘180^\circ++−-−-
III180∘180^\circ–270∘270^\circ−-−-++
IV270∘270^\circ–360∘360^\circ−-++−-

Kąt odniesienia liczymy przez odjęcie od najbliższej poziomej półosi:

II: 180∘−α,III: α−180∘,IV: 360∘−α\text{II: } 180^\circ - \alpha, \qquad \text{III: } \alpha - 180^\circ, \qquad \text{IV: } 360^\circ - \alpha
Oblicz sin 200° i cos 200° z kąta odniesienia.

Wzory z 180° i 360°: funkcja zostaje

Zacznijmy od kąta 180∘−α180^\circ - \alpha. Na kole jednostkowym oba ramiona leżą symetrycznie względem osi yy.

−1−0,500,51−1−0,500,51xyα = 40°180° − α = 140°ta sama rzędnaα = 40°180° − α = 140°
Odbicie względem osi y zostawia rzędną (sinus) i zmienia znak odciętej (cosinus).

Odbicie względem osi yy zostawia yy i zmienia znak xx, więc

sin⁡(180∘−α)=sin⁡α,cos⁡(180∘−α)=−cos⁡α\sin(180^\circ - \alpha) = \sin \alpha, \qquad \cos(180^\circ - \alpha) = -\cos \alpha

Tak samo czytamy pozostałe dwa przypadki. Obrót o 180∘180^\circ przenosi punkt do ćwiartki po przekątnej — obie współrzędne zmieniają znak:

sin⁡(180∘+α)=−sin⁡α,cos⁡(180∘+α)=−cos⁡α\sin(180^\circ + \alpha) = -\sin \alpha, \qquad \cos(180^\circ + \alpha) = -\cos \alpha

a odbicie względem osi xx (kąt 360∘−α360^\circ - \alpha, czyli to samo co −α-\alpha) zmienia tylko rzędną:

sin⁡(360∘−α)=−sin⁡α,cos⁡(360∘−α)=cos⁡α\sin(360^\circ - \alpha) = -\sin \alpha, \qquad \cos(360^\circ - \alpha) = \cos \alpha

Wspólna cecha: funkcja zostaje ta sama, zmienia się co najwyżej znak.

Kąt ujemny: parzystość

Szczególny przypadek ostatniej pary zasługuje na własną nazwę, bo pojawia się wszędzie:

sin⁡(−α)=−sin⁡α,cos⁡(−α)=cos⁡α\sin(-\alpha) = -\sin \alpha, \qquad \cos(-\alpha) = \cos \alpha

Mówimy, że sinus jest funkcją nieparzystą, a cosinus parzystą. Widać to też na wykresach: sinusoida jest symetryczna względem początku układu, a cosinusoida — względem osi yy.

Wzory z 90° i 270°: funkcja się zmienia

Tu dzieje się coś innego. Kąt 90∘−α90^\circ - \alpha to dopełnienie do kąta prostego, a na kole jednostkowym jego ramię jest odbiciem ramienia α\alpha względem prostej y=xy = x.

−1−0,500,51−1−0,500,51xyα = 40°90° − α = 50°y = xα = 40°90° − α = 50°
Odbicie względem prostej y = x zamienia współrzędne miejscami: odcięta staje się rzędną. Dlatego cosinus przechodzi w sinus.

Odbicie względem y=xy = x zamienia współrzędne miejscami, a skoro cosinus jest odciętą, a sinus rzędną, to zamienia też obie funkcje:

sin⁡(90∘−α)=cos⁡α,cos⁡(90∘−α)=sin⁡α\sin(90^\circ - \alpha) = \cos \alpha, \qquad \cos(90^\circ - \alpha) = \sin \alpha

Ten wzór znasz zresztą z trójkąta prostokątnego: kąty ostre sumują się tam do 90∘90^\circ, a przyprostokątna leżąca naprzeciw jednego z nich przylega do drugiego.

Dla 90∘+α90^\circ + \alpha funkcja zmienia się tak samo, a znak bierzemy z II ćwiartki:

sin⁡(90∘+α)=cos⁡α,cos⁡(90∘+α)=−sin⁡α\sin(90^\circ + \alpha) = \cos \alpha, \qquad \cos(90^\circ + \alpha) = -\sin \alpha

Jedna reguła zamiast tablicy

Wszystkie wzory tej lekcji da się zapisać jako dwa kroki. Załóżmy, że α\alpha jest ostry.

  1. Funkcja. Przy 180∘180^\circ i 360∘360^\circ (czyli π\pi i 2π2\pi) funkcja zostaje. Przy 90∘90^\circ i 270∘270^\circ (π2\frac{\pi}{2} i 3π2\frac{3\pi}{2}) zmienia się na kofunkcję: sinus ↔ cosinus, tangens ↔ cotangens.
  2. Znak. Ustal ćwiartkę, w której leży cały kąt, i przypisz znak, jaki ma tam funkcja z lewej strony wzoru.
Zredukuj cos(270° + α), zakładając, że α jest kątem ostrym.

To samo w radianach

Zapis zmienia się, reguła nie. Wystarczy podstawić 180∘=π180^\circ = \pi i 90∘=π290^\circ = \frac{\pi}{2}:

stopnieradianysin⁡\sincos⁡\cos
180∘−α180^\circ - \alphaπ−α\pi - \alphasin⁡α\sin \alpha−cos⁡α-\cos \alpha
180∘+α180^\circ + \alphaπ+α\pi + \alpha−sin⁡α-\sin \alpha−cos⁡α-\cos \alpha
360∘−α360^\circ - \alpha2π−α2\pi - \alpha−sin⁡α-\sin \alphacos⁡α\cos \alpha
90∘−α90^\circ - \alphaπ2−α\frac{\pi}{2} - \alphacos⁡α\cos \alphasin⁡α\sin \alpha
90∘+α90^\circ + \alphaπ2+α\frac{\pi}{2} + \alphacos⁡α\cos \alpha−sin⁡α-\sin \alpha
Wiadomo, że sin α = 0,6 i α jest kątem ostrym. Oblicz sin(π + α) oraz cos(π/2 + α).

Tangens: krótszy okres, prostsze wzory

Tangens ma okres 180∘180^\circ, a nie 360∘360^\circ, więc półobrót nic z nim nie robi:

tg⁡(180∘+α)=tg⁡α,tg⁡(180∘−α)=−tg⁡α\operatorname{tg}(180^\circ + \alpha) = \operatorname{tg} \alpha, \qquad \operatorname{tg}(180^\circ - \alpha) = -\operatorname{tg} \alpha

Przy 90∘90^\circ obowiązuje ta sama reguła zamiany funkcji — tangens przechodzi w cotangens, czyli w odwrotność tangensa:

tg⁡(90∘−α)=ctg⁡α=1tg⁡α\operatorname{tg}(90^\circ - \alpha) = \operatorname{ctg} \alpha = \frac{1}{\operatorname{tg} \alpha}

Zadania

W zadaniach o kąt odniesienia wpisz samą liczbę stopni (np. 20) — to zawsze kąt z przedziału od 0° do 90°. W zadaniach o wartość po redukcji odpowiedzią jest ułamek, razem ze znakiem (np. −3/5).

Ćwiczenia

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

Zadanie 1 z 8Punkty: 0
Kąt odniesienia (°): sin 114°

Częste błędy

  • Zgubiony minus — wartość bierzemy z kąta odniesienia, ale znak z ćwiartki całego kąta; cos⁡200∘\cos 200^\circ jest ujemny, choć cos⁡20∘\cos 20^\circ dodatni.
  • Zamiana funkcji przy 180° — przy 180∘180^\circ i 360∘360^\circ funkcja zostaje; zmienia się tylko przy 90∘90^\circ i 270∘270^\circ.
  • Znak brany z funkcji po prawej stronie — znak ustalamy dla funkcji, która stoi przed redukcją. W cos⁡(90∘+α)\cos(90^\circ + \alpha) patrzymy na cosinus w II ćwiartce, a nie na sinus.
  • Kąt odniesienia liczony od osi yy — odejmujemy od 180∘180^\circ albo 360∘360^\circ, nigdy od 90∘90^\circ czy 270∘270^\circ.
  • Założenie, że α\alpha jest ostry, gdy nie jest — reguła znaku zakłada 0∘<α<90∘0^\circ < \alpha < 90^\circ. Dla większych kątów trzeba je najpierw sprowadzić do jednego obrotu.
  • Mylenie kąta odniesienia z ćwiartką — 200∘200^\circ to III ćwiartka i kąt odniesienia 20∘20^\circ; to dwie różne liczby, odpowiedzi na dwa różne pytania.

Karta wzorów

Temat: Wzory redukcyjne

  • Kąt dopełniający do półobrotu

    sin⁡(180∘−α)=sin⁡α,cos⁡(180∘−α)=−cos⁡α\sin(180^\circ - \alpha) = \sin \alpha, \qquad \cos(180^\circ - \alpha) = -\cos \alpha

    II ćwiartka: sinus dodatni, cosinus ujemny

  • Półobrót w przód

    sin⁡(180∘+α)=−sin⁡α,cos⁡(180∘+α)=−cos⁡α\sin(180^\circ + \alpha) = -\sin \alpha, \qquad \cos(180^\circ + \alpha) = -\cos \alpha

    III ćwiartka: obie funkcje ujemne

  • Dopełnienie do pełnego obrotu

    sin⁡(360∘−α)=−sin⁡α,cos⁡(360∘−α)=cos⁡α\sin(360^\circ - \alpha) = -\sin \alpha, \qquad \cos(360^\circ - \alpha) = \cos \alpha

    IV ćwiartka: sinus ujemny, cosinus dodatni

  • Kąt ujemny

    sin⁡(−α)=−sin⁡α,cos⁡(−α)=cos⁡α\sin(-\alpha) = -\sin \alpha, \qquad \cos(-\alpha) = \cos \alpha

    sinus jest nieparzysty, cosinus parzysty

  • Kąt dopełniający do prostego

    sin⁡(90∘−α)=cos⁡α,cos⁡(90∘−α)=sin⁡α\sin(90^\circ - \alpha) = \cos \alpha, \qquad \cos(90^\circ - \alpha) = \sin \alpha

    funkcja zmienia się na kofunkcję

  • Ćwierć obrotu w przód

    sin⁡(90∘+α)=cos⁡α,cos⁡(90∘+α)=−sin⁡α\sin(90^\circ + \alpha) = \cos \alpha, \qquad \cos(90^\circ + \alpha) = -\sin \alpha

    znowu zamiana funkcji, znak z II ćwiartki

  • Okres tangensa

    tg⁡(180∘+α)=tg⁡α\operatorname{tg}(180^\circ + \alpha) = \operatorname{tg} \alpha

    tangens powtarza się co pół obrotu

−1−0,500,51−1−0,500,51xyα = 40°180° − α = 140°ta sama rzędnaα = 40°180° − α = 140°
Kąt α i kąt 180° − α leżą symetrycznie względem osi y. Rzędne są równe (stąd sin(180° − α) = sin α), a odcięte przeciwne (stąd cos(180° − α) = −cos α).
−1−0,500,51−1−0,500,51xyα = 40°90° − α = 50°y = xα = 40°90° − α = 50°
Kąt α i kąt 90° − α są symetryczne względem prostej y = x. Odbicie zamienia współrzędne miejscami — dlatego sinus przechodzi w cosinus.

Najczęstsze pytania

Powiązane artykuły