Den här artikeln ger exakta algebraiska uttryck för vissa trigonometriska tal . Sådana uttryck kan till exempel krävas för att få resultaten av uttryck med trigonometriska funktioner till en radikal form, vilket gör det möjligt för ytterligare förenklingar.
Alla trigonometriska tal är algebraiska . Vissa trigonometriska tal kan uttryckas i komplexa radikaler , men inte alltid i reella: i synnerhet, bland värdena för trigonometriska funktioner i vinklar uttryckta i heltalsgrader , kan endast värden i de av dem anges uttryckt i reella radikaler , varvid antalet grader är en multipel av tre. Men enligt Abels teorem finns det också de som är oavgjorda i radikaler.
Enligt Nivens sats är värdet av en sinus med ett rationellt argument i grader antingen irrationellt eller lika med ett av talen bland , , , , .
Genom Bakers sats , om sinus , cosinus eller tangent vid en given punkt ger ett algebraiskt tal , då är deras argument i grader antingen rationellt eller transcendentalt . Med andra ord, om argumentet i grader är algebraiskt och irrationellt , kommer värdena för alla trigonometriska funktioner från detta argument att vara transcendentala .
Värden för trigonometriska funktioner i ett argument som är proportionerliga med är uttryckbara i reella radikaler endast om nämnaren för det reducerade rationella bråket som erhålls genom att dividera det med är en potens av två multiplicerat med produkten av flera Fermat-primtal (se Gauss-Wanzels sats ). Den här sidan ägnas huvudsakligen åt vinklar uttryckta i verkliga radikaler.
Med hjälp av halvvinkelformeln kan man erhålla algebraiska uttryck för värdena för trigonometriska funktioner i vilken vinkel som helst för vilken de redan har hittats, uppdelade i hälften. Speciellt för vinklar som ligger på intervallet från till , är formlerna sanna
, och .Uttrycken nedan gör det också möjligt att erhålla uttryck i komplexa radikaler för värdena för trigonometriska funktioner i de vinklar där de inte uttrycks i verkliga. Till exempel, givet formeln för vinkeln, formeln för3kan erhållas genom att lösa följande ekvation av tredje graden :
I dess allmänna lösning kan dock komplexa icke-reella tal uppstå (det här fallet kallas casus irreducibilis ).
Det finns olika enheter för att mäta vinklar , till exempel grader , radianer , varv , grader (gons) .
Den här tabellen visar omvandlingarna från ett mått till ett annat och värdena för trigonometriska funktioner från de vanligaste vinklarna:
Omsättningar | grader | radianer | Grader (gons) | Sinus | Cosinus | Tangent |
---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0° | 0 | 0 | 0 | ett | 0 |
ett12 | 30° | 6 | 33ett | ett2 | √ 32 | √ 33 |
ettåtta | 45° | fyra | femtio | √2 _2 | √2 _2 | ett |
ett6 | 60° | 3 | 662 | √ 32 | ett2 | √ 3 |
ettfyra | 90° | 2 | 100 | ett | 0 | |
ett3 | 120° | 23 | 133ett | √ 32 | −ett2 | − √ 3 |
3åtta | 135° | 3fyra | 150 | √2 _2 | −√2 _2 | −1 |
512 | 150° | 56 | 1662 | ett2 | −√ 32 | −√ 33 |
ett2 | 180° | 200 | 0 | −1 | 0 | |
712 | 210° | 76 | 233ett | −ett2 | −√ 32 | √ 33 |
5åtta | 225° | 5fyra | 250 | −√2 _2 | −√2 _2 | ett |
23 | 240° | fyra3 | 2662 | −√ 32 | −ett2 | √ 3 |
3fyra | 270° | 32 | 300 | −1 | 0 | |
56 | 300° | 53 | 333ett | −√ 32 | ett2 | − √ 3 |
7åtta | 315° | 7fyra | 350 | −√2 _2 | √2 _2 | −1 |
elva12 | 330° | elva6 | 3662 | −ett2 | √ 32 | −√ 33 |
ett | 360° | 2 | 400 | 0 | ett | 0 |
Värdena för trigonometriska funktioner i vinklar som inte ligger i intervallet från till härleds helt enkelt från värdena i vinklarna för detta intervall med hjälp av reduktionsformlerna . Alla vinklar skrivs i grader och radianer , där den reciproka faktorn framför uttrycket för en given vinkel är det enda talet i Schläfli-symbolen för en regelbunden (eventuellt stellerad) polygon med en yttre vinkel lika med den givna.
Endast formler anges som inte använder rötter med en grad som är större än . Eftersom (enligt Moivres sats ) i mängden av komplexa tal, extrahering av roten av ett heltalsgrad n leder till n olika värden, så för rötterna till den 3:e och 5:e graden av icke-reella tal som visas i detta avsnitt nedan, en bör ta huvudvärdet lika med roten med största reella delen: det är alltid positivt. Därför är summan av rötterna till den 3:e eller 5:e graden av komplexa konjugerade tal som visas i tabellen också positiva. Tangenten ges i fall där den kan skrivas mycket lättare än förhållandet mellan sinus- och cosinusposterna.
I vissa fall nedan används två nummer som har egenskapen att .
En av de vanliga och visuella metoderna för att härleda formler för ( n och o är heltal) är att lösa ekvationen x n = 1, det vill säga hitta de komplexa rötterna till 1 . I detta fall är själva cosinus och sinus lika och resp . Denna metod motiveras av De Moivres teorem :
om är en modul och är ett argument för ett komplext tal, så uttrycks alla rötter av en heltalsgrad från med tal där mängden heltal går igenom |
I sin tur bevisas detta teorem av påståendet att när komplexa tal multipliceras, multipliceras deras moduler och argumenten läggs till (det senare är ekvivalent med trigonometriska identiteter för summan ):
|
Bland rötterna av naturlig grad n av 1 finns de som inte är rötter av någon annan naturlig grad m < n av 1 - de kallas antiderivata , eller primitiva , rötter av n :te graden av 1 . Och ett polynom som bara innehåller primitiva radikaler från 1 som sina rötter, och med enhetsmångfald, kallas cirkulär . För n:te rötter av 1 är graden av det cirkulära polynomet lika med φ ( n ), där φ är Eulerfunktionen , och är nödvändigtvis jämnt för n ≥ 3, eftersom för n ≥ 3 alla primitiva rötter (bland vilka det inte finns några längre ±1) är icke-realistiska och bildar komplexa konjugerade par.
För n ≥ 2 är det cirkulära polynomet symmetriskt , det vill säga alla dess koefficienter reflekteras med avseende på potensen φ ( n )/2. Om n ≥ 3, då för att lösa en ekvation med ett cirkulärt polynom s φ(n) ( x ) = 0 av jämn grad φ(n) , måste det symmetriska polynomet s φ(n) ( x ) delas med x φ( n) /2 , och gruppera sedan med potenser av talet x + 1/ x (detta är möjligt på grund av symmetri), vilket, som en slump, visar sig vara den önskade cosinus multiplicerad med 2.
Polynomet delas upp i cirkulära faktorer och den första har en rot lika med 1, och den andra är ett polynom av 2:a graden. Och i det allmänna fallet, för att lösa en andragradsekvation, måste du dividera polynomet med den ledande koefficienten (här är den lika med 1), och välj sedan den exakta kvadraten för att bli av med monomtermen för graden som är mindre än graden av polynomet med 1, det vill säga bringa polynomekvationen till den kanoniska formen :
( kanonisk syn ).
Som ett resultat, tillsammans med ekvationen , visar det sig att
eller |
Istället för att lösa ekvationen som en kvadratisk, kan det symmetriska polynomet delas med x , grupperat runt x + 1/ x , givet att x + 1/ x är den nödvändiga cosinus multiplicerad med 2:
|
Ett cirkulärt polynom är lika med och för att hitta dess rötter måste det divideras med x 2 , grupperas med potenserna x + 1/ x (reducerat till ett kvadratiskt polynom) och likställas med 0:
(önskad cosinus multiplicerat med 2),
|
Symboler . Beteckna som
Steg 1 - föra ekvationen till den kanoniska formenEfter att ha utfört transformationer med ett cirkulärt polynom som liknar de som presenteras för n \u003d 5, får vi en ekvation av 3:e graden . Vidare, som i fallet med en andragradsekvation, måste denna ekvation bringas till kanonisk form, det vill säga, dividera båda delarna av ekvationen med den ledande koefficienten (ett) och välj sedan den exakta kuben, ta bort termen av graden som är mindre än graden av polynomet med 1:
( kanonisk form ).
Steg 2 - del Ferro MethodMetoden för att lösa kanoniska kubikekvationer gick till historien under namnet Gerolamo Cardano , men upptäcktes först av Scipio del Ferro . Den består av följande: ersätt den nödvändiga variabeln ( ) med summan :
och sätt sedan förhållandet mellan v och w så att ekvationen kan reduceras till mindre än 3:e potensen. Då visar det sig att i talet måste faktorn likställas med noll. I det här fallet, och (cosinus själv), och själva kubikekvationen reduceras till en kvadratisk:
och med hänsyn till huvudvärdena för kubrötter visar det sig:
var
|
där o = 1 ( o = 6) motsvarar m = 0, o = 2 ( o = 5 ) motsvarar m = 1, och o = 3 ( o = 4 ) motsvarar m = 2.
Steg 3 - sinus [2]Det är bäst att söka efter sinus inte genom den grundläggande trigonometriska identiteten, utan genom halvvinkelformeln, annars kommer kvadrater med tal att dyka upp och förenklingen blir ouppmärksam. Som ett resultat är alla primitiva 7:e rötter av 1 lika
|
var
Symbol . Beteckna som
Talet 9 faktoriseras till primtalsfaktorer som 3 2 , så polynomet kan faktoriseras till cirkulära faktorer som Rötterna till den sista av dessa är talens 3:e rötter (polynomets rötter ), som i sin tur är de primitiva rötterna av 3:e graden av 1, det vill säga de primitiva 9:e rötterna av 1 är
var |
Sedan (med hänsyn tagen till kubrötternas huvudvärden) uttrycks de "primitiva" cosinus och sinus som
|
|
Symbol:
Polynomet har cirkulära faktorer:
Rötterna till ett polynom är exakt motsatsen till rötterna i ett polynom (detta kan bevisas genom att ändra en variabel till dess motsats eller genom att använda Vietas sats ), och ser därför ut så här:
|
var
Det cirkulära polynomet är inte särskilt enkelt, och istället för att leta efter dess rötter är det bättre att expandera vinkeln ( o är ett heltal) som en summa där o 1 och o 2 är några heltal.
Obs . Till skillnad från 15 innebär faktoriseringen av talet 9 samma faktor med dubbel multiplicitet - och till skillnad från vinkeln är det inte alltid möjligt att expandera i formen ( o , o 1 och o 2 är heltal).
Genom att expandera vinkeln till summan av vinklarna kan du beräkna cosinus och sinus:
Till exempel, om o = 1, kan du välja −1 och 2 som o 1 respektive o 2 . Sedan
Eftersom detta Fermat-tal är primtal måste vi , som i fallet med n = 3, n = 5 och n = 7, först och främst dividera det cirkulära polynomet med x 8 och ersätta det med någon variabel b = x + 1/ x — vi får
Symbol. Vi betecknar polynomets rötter som
Steg 2 [3]Rötterna till ett polynom hittas bäst inte genom dess koefficienter, utan genom att använda det faktum att dess rötter är dubbla cosinus. För att göra detta måste du på något sätt fördela alla dess rötter över två summor S 1 och S 2 , hitta S 1 + S 2 och S 1 S 2 och, med hjälp av Vieta-satsen, härleda en ekvation för S 1 och S 2 , lösa som vi får S 1 och S 2 .
Mer exakt måste polynomets rötter fördelas i två potenser :
Summan S 1 + S 2 är lika med summan av alla rötter , vilket betyder att den enligt Vieta-satsen är lika med −1, och produkten hittas av produktens cosinusformel
(enligt formeln för produktens cosinus)
Då får vi en andragradsekvation med rötter, och de är fördelade enligt följande:
Termerna som ingår i S 1 och S 2 måste återigen fördelas på hälften av summorna, dessutom bildas med styrkorna av de fyra - och fyra talen:
Summan (där m löper genom mängden {1, 2}) är lika och produkten (enligt samma formel ) är lika med −1 (för m = 1 och för m = 2), vilket betyder att här, av Vieta-satsen får vi en andragradsekvation för T :
I det andra och tredje steget "delar vi" beloppen på hälften varje gång. Här kommer vi att göra samma sak och därmed når vi redan själva rötterna (nummer b o /17 ). Beloppen är:
och motsvarande verk:
Efter att ha sammanställt alla nödvändiga kvadratiska ekvationer får vi de önskade cosinuserna :
var .
Vi måste dividera det cirkulära polynomet med x 6 och ersätta x + 1/ x med någon variabel b - vi får ett polynom primtal, och för det andra, graderna av polynom (vilket motsvarar n = 13) och ( n = 17) är sammansatta tal - därför finns det en sådan misstanke att polynomets rötter måste hittas enligt samma princip som i det 7:e exemplet: och här måste du först härleda och lösa andragradsekvationen, och först därefter - den kubiska ekvationen .
Symbol . Vi betecknar polynomets rötter som
Steg 1Vi fördelar alla sex rötter av det indikerade polynomet över två summor S 1 , S 2 och över potenserna av trippeln:
och beräkna följande kvantiteter med hjälp av identiteten
efter att ha mottagit ekvationen , löser vi vilken vi får:
Steg 2S 1 och S 2 är kända - nu måste du med hjälp av dem härleda kubikekvationer för b . För att demonstrera väljer vi till exempel de rötter som ingår i summan S 1 . Då måste du hitta följande kvantiteter:
för att få ekvationen genom Vietas sats. Om vi tillsammans med de rötter som ingår i S 1 inkluderar de rötter som ingår i S 2 blir resultatet en ekvation .
Steg 3 - kanonisering( kanonisk form )
(så att i svaret togs nämnaren genast ut under roten).
Steg 4 är lösningen på den kanoniska ekvationen
där m går genom {0, 1, 2} och
Till exempel kan volymen av en vanlig dodekaeder med en kantlängd ges av formeln:
Om vi använder uttryck
formeln kan förenklas till
Härledningen av värdena för sinus , cosinus och tangent i en radikal form är baserad på möjligheten att konstruera regelbundna polygoner med hjälp av en kompass och en linjal .
Här används räta trianglar gjorda av sektioner längs symmetriaxlarna för regelbundna polygoner för att beräkna de grundläggande trigonometriska förhållandena. I var och en av de räta trianglarna är hörnen:
En vanlig n -gon kan delas in i 2n trianglar med hörn180n.90 180n, 90 grader för n större än eller lika med 3. Möjligheten att med en kompass och linjal konstruera en triangel, kvadrat, fem- och femton-gon - i basen, vinkelhalveringslinjer tillåter även polygoner med ett antal sidor lika med en potens av två, multiplicerat med antalet sidor i en given polygon.
Sinus och cosinus för 0, 30, 45, 60 och 90 grader kan beräknas från motsvarande räta trianglar med hjälp av Pythagoras sats.
När du använder radianer kan sinus och cosinus / 2 n uttryckas i radikal form genom att rekursivt tillämpa följande formler:
; etc. ; etc.Till exempel:
; ; ; ; ;etc.
etc.
etc.
etc.
Om och då
Sedan, med hjälp av induktion, får vi det
;Induktionen som tillämpas ovan kan appliceras på samma sätt på alla Fermat-primtal (F 3 =2 2 3 +1=2 8 +1= 257 ; F 4 =2 2 4 +1=2 16 +1= 65537 ), multiplar vars sinus- och cosinusvärden finns i radikal form, men är för långa för att listas här.
; ;D = 2 32 - 1 = 4294967295 är den största för närvarande kända udda heltalsnämnaren för vilken radikalformerna sin( /D) och cos ( /D) är kända. Genom att använda de radikala formerna av kvantiteterna från avsnitten ovan och tillämpa regeln genom induktion får vi -
; ;Därför, genom att använda de radikala formerna av kvantiteterna från avsnitten ovan, och tillämpa regeln genom induktion, får vi -
; ;Slutligen, genom att använda de radikala formerna av kvantiteterna från avsnitten ovan, och tillämpa regeln genom induktion, får vi -
; ;Den radikala formen av beskrivningen som ges ovan är mycket stor, därför uttryckt på ett enklare sätt (som ovan).
Genom att tillämpa Ptolemaios olikhet på den inskrivna fyrhörningen ABCD definierad av fyra på varandra följande hörn av femhörningen, finner vi att:
vilket är det ömsesidiga avettφi förhållande till det gyllene snittet . crd är en funktion av ackordslängd,
Som betyder
(Du kan också klara dig utan Ptolemaios olikhet. Låt X beteckna skärningspunkten mellan AC och BD, och notera att triangeln AXB är likbent , och därför AX = AB = a . Trianglarna AXD och CXB är lika , eftersom AD är parallell med BC . Därför är XC = a (ab). Men AX + XC = AC, alltså ett + en 2b = b . Att lösa resultatet, det har viab = ettφsom erhållits tidigare).
Liknande
som betyder
Algebraisk metodOm θ är 18° eller −54°, minskar 2θ och 3θ till 5θ = 90° eller −270°, så .
Nästa , vad görFöljaktligen,
och och ochÄven multipelvinkelformlerna för funktionerna 5 x , där x ∈ {18, 36, 54, 72, 90} och 5 x ∈ {90, 180, 270, 360, 450}, kan lösas för funktionerna x , eftersom vi känner till funktionernas värden från 5 x . Följande är formlerna med flera vinklar:
I princip kapslade radikaler är inte förenklade. Men om
där a , b och c är rationella tal får vi det
rationell, sedan båda uttrycken
rationell; Följaktligen
Till exempel,
Trigonometri | |
---|---|
Allmän |
|
Katalog | |
Lagar och satser | |
Matematisk analys |