Acest articol oferă expresii algebrice exacte pentru unele numere trigonometrice . Astfel de expresii pot fi necesare, de exemplu, pentru a aduce rezultatele expresiilor cu funcții trigonometrice într-o formă radicală , ceea ce face posibilă o simplificare suplimentară.
Orice număr trigonometric este algebric . Unele numere trigonometrice pot fi exprimate în radicali complecși , dar nu întotdeauna în cei reali: în special, dintre valorile funcțiilor trigonometrice în unghiuri exprimate în grade întregi , numai valorile în acelea dintre ele pot fi exprimate. exprimat în radicali reali , numărul de grade în care este multiplu de trei . Dar, după teorema lui Abel , există și acelea care sunt indecidabile în radicali.
Conform teoremei lui Niven , valoarea unui sinus cu un argument rațional în grade este fie irațională , fie egală cu unul dintre numerele dintre , , , , .
După teorema lui Baker , dacă sinusul , cosinusul sau tangenta la un punct dat dă un număr algebric , atunci argumentul lor în grade este fie rațional , fie transcendental . Cu alte cuvinte, dacă argumentul în grade este algebric și irațional , atunci valorile tuturor funcțiilor trigonometrice din acest argument vor fi transcendentale .
Valorile pentru funcțiile trigonometrice ale unui argument proporțional cu sunt exprimabile în radicali reali numai dacă numitorul fracției raționale reduse obținut prin împărțirea acesteia la este o putere a doi înmulțită cu produsul mai multor prime Fermat (vezi teorema Gauss-Wanzel ). Această pagină este dedicată în principal unghiurilor exprimate în radicali reali.
Folosind formula semiunghiului , se pot obține expresii algebrice pentru valorile funcțiilor trigonometrice în orice unghi pentru care au fost deja găsite, împărțite la jumătate. În special, pentru unghiurile situate pe intervalul de la până la , formulele sunt adevărate
, și .Expresiile de mai jos permit, de asemenea, obținerea de expresii în radicali complecși pentru valorile funcțiilor trigonometrice în acele unghiuri în care acestea nu sunt exprimate în unghiuri reale. De exemplu, având în vedere formula pentru unghi, formula pentru3se poate obține prin rezolvarea următoarei ecuații de gradul trei :
Cu toate acestea, în soluția sa generală, pot apărea numere complexe nereale (acest caz se numește casus irreducibilis ).
Există diferite unități de măsură pentru unghiuri , de exemplu, grade , radiani , revoluții , grade (goni) .
Acest tabel arată conversiile de la o măsură la alta și valorile funcțiilor trigonometrice din cele mai comune unghiuri:
Cifra de afaceri | grade | radiani | Grade (goni) | Sinusul | Cosinus | Tangentă |
---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0° | 0 | 0 | 0 | unu | 0 |
unu12 | 30° | 6 | 33unu | unu2 | √ 32 | √ 33 |
unuopt | 45° | patru | cincizeci | √2 _2 | √2 _2 | unu |
unu6 | 60° | 3 | 662 | √ 32 | unu2 | √ 3 |
unupatru | 90° | 2 | 100 | unu | 0 | |
unu3 | 120° | 23 | 133unu | √ 32 | −unu2 | − √ 3 |
3opt | 135° | 3patru | 150 | √2 _2 | −√2 _2 | −1 |
512 | 150° | 56 | 1662 | unu2 | −√ 32 | −√ 33 |
unu2 | 180° | 200 | 0 | −1 | 0 | |
712 | 210° | 76 | 233unu | −unu2 | −√ 32 | √ 33 |
5opt | 225° | 5patru | 250 | −√2 _2 | −√2 _2 | unu |
23 | 240° | patru3 | 2662 | −√ 32 | −unu2 | √ 3 |
3patru | 270° | 32 | 300 | −1 | 0 | |
56 | 300° | 53 | 333unu | −√ 32 | unu2 | − √ 3 |
7opt | 315° | 7patru | 350 | −√2 _2 | √2 _2 | −1 |
unsprezece12 | 330° | unsprezece6 | 3662 | −unu2 | √ 32 | −√ 33 |
unu | 360° | 2 | 400 | 0 | unu | 0 |
Valorile funcțiilor trigonometrice în unghiuri care nu sunt în intervalul de la până sunt pur și simplu derivate din valorile din unghiurile acestui interval folosind formulele de reducere . Toate unghiurile sunt scrise în grade și radiani , reciproca factorului din fața expresiei pentru un unghi dat fiind singurul număr din simbolul Schläfli al unui poligon regulat (eventual stelat) cu un unghi extern egal cu cel dat.
Sunt date numai formule care nu folosesc rădăcini cu un grad mai mare decât . Deoarece (prin teorema lui Moivre ) în mulțimea numerelor complexe, extragerea rădăcinii unui număr întreg de grad n duce la n valori diferite, atunci pentru rădăcinile gradelor 3 și 5 de numere nereale care apar în această secțiune de mai jos, unul ar trebui să ia valoarea principală egală cu rădăcina cu cea mai mare parte reală: este întotdeauna pozitivă. Prin urmare, sumele rădăcinilor de gradul 3 sau 5 de numere conjugate complexe care apar în tabel sunt de asemenea pozitive. Tangenta este dată în cazurile în care se poate scrie mult mai ușor decât raportul dintre înregistrările sinus și cosinus.
În unele cazuri de mai jos, sunt folosite două numere care au proprietatea că .
Una dintre metodele comune și vizuale de a obține formule pentru ( n și o sunt numere întregi) este de a rezolva ecuația x n = 1, adică de a găsi rădăcinile complexe ale lui 1 . În acest caz , cosinusul și sinusul sunt egale și, respectiv , . Această metodă este justificată de teorema lui De Moivre :
dacă este un modul și este un argument al unui număr complex, atunci toate rădăcinile unui grad întreg de la sunt exprimate prin numere în care trece mulțimea de numere întregi |
La rândul său, această teoremă este dovedită prin afirmația că atunci când numerele complexe sunt înmulțite, modulele lor sunt înmulțite și argumentele sunt adăugate (acesta din urmă este echivalent cu identitățile trigonometrice pentru suma ):
|
Printre rădăcinile de gradul natural n de 1 se numără cele care nu sunt rădăcini de niciun alt grad natural m < n de 1 - se numesc rădăcini antiderivate sau primitive de gradul al n -lea de 1 . Iar un polinom care conține doar radicali primitivi de la 1 ca rădăcini, și cu multiplicitatea unitară, se numește circular . Pentru rădăcinile a n- a ale lui 1, gradul polinomului circular este egal cu φ ( n ), unde φ este funcția Euler și este în mod necesar par pentru n ≥ 3, deoarece pentru n ≥ 3 toate rădăcinile primitive (printre care nu există mai lungi ±1) sunt nereale și formează perechi conjugate complexe.
Pentru n ≥ 2, polinomul circular este simetric , adică toți coeficienții săi sunt reflectați în raport cu puterea φ ( n )/2. Dacă n ≥ 3, atunci pentru a rezolva o ecuație cu un polinom circular s φ(n) ( x ) = 0 de grad par φ(n) , polinomul simetric s φ(n) ( x ) trebuie împărțit la x φ( n) /2 și apoi grupați după puteri ale numărului x + 1/ x (acest lucru este posibil datorită simetriei), care, ca o coincidență, se dovedește a fi cosinusul dorit înmulțit cu 2.
Polinomul este descompus în factori circulari și primul dintre care are rădăcina egală cu 1, iar al doilea este un polinom de gradul 2. Și în cazul general, pentru a rezolva o ecuație pătratică, trebuie să împărțiți polinomul la coeficientul principal (aici este egal cu 1), apoi selectați pătratul exact, astfel încât să scăpați de termenul monomial al gradului care este mai mic decât gradul polinomului cu 1, adică aduceți ecuația polinomială la forma canonică :
( vedere canonică ).
Ca rezultat, împreună cu ecuația , se dovedește că
sau |
În loc să rezolvăm ecuația ca pătratică, polinomul simetric poate fi împărțit la x , grupat în jurul x + 1/ x , având în vedere că x + 1/ x este cosinusul necesar înmulțit cu 2:
|
Un polinom circular este egal cu și pentru a-și găsi rădăcinile, el trebuie împărțit la x 2 , grupat după puterile lui x + 1/ x (redus la un polinom pătrat) și egalat cu 0:
(cosinusul dorit înmulțit cu 2),
|
Simboluri . Notează ca
Pasul 1 - aducerea ecuației la forma canonicăDupă ce am efectuat transformări cu un polinom circular similar cu cele prezentate pentru n \u003d 5, obținem o ecuație de gradul 3. În plus, ca și în cazul unei ecuații pătratice, această ecuație trebuie adusă la forma canonică, adică împărțiți ambele părți ale ecuației la coeficientul principal (unul) și apoi selectați cubul exact, scăpând de termenul gradului care este mai mic decât gradul polinomului cu 1:
( forma canonică ).
Pasul 2 - Metoda del FerroMetoda de rezolvare a ecuațiilor cubice canonice a intrat în istorie sub numele de Gerolamo Cardano , dar a fost descoperită pentru prima dată de Scipio del Ferro . Constă în următoarele: înlocuiți variabila necesară ( ) cu suma :
și apoi setați relația dintre v și w astfel încât ecuația să poată fi redusă la mai puțin decât a treia putere. Apoi se dovedește că în număr factorul trebuie egalat cu zero. În acest caz, și (cosinusul însuși), și ecuația cubică în sine este redusă la una pătratică:
și luând în considerare principalele valori ale rădăcinilor cubice, rezultă:
Unde
|
unde o = 1 ( o = 6) corespunde cu m = 0, o = 2 ( o = 5 ) corespunde cu m = 1, iar o = 3 ( o = 4 ) corespunde cu m = 2.
Pasul 3 - sine [2]Cel mai bine este să căutați sinusul nu după identitatea trigonometrică de bază, ci după formula semiunghiului, altfel vor apărea pătrate de numere și simplificarea va deveni neevidentă. Ca rezultat, toate rădăcinile a șaptea primitive ale lui 1 sunt egale
|
Unde
Simbol . Notează ca
Numărul 9 este factorizat în factori primi ca 3 2 , astfel încât polinomul poate fi factorizat în factori circulari ca Rădăcinile ultimei dintre acestea sunt a treia rădăcină a numerelor (rădăcinile polinomului ), care, la rândul lor, sunt rădăcinile primitive de gradul 3 al lui 1, adică rădăcinile primitive ale lui 1 sunt
Unde |
Apoi (ținând cont de principalele valori ale rădăcinilor cubice) cosinusurile și sinusurile „primitive” sunt exprimate ca
|
|
Simbol:
Polinomul are factori circulari:
Rădăcinile unui polinom sunt exact opusul rădăcinilor unui polinom (acest lucru poate fi demonstrat prin schimbarea unei variabile în opusul ei sau folosind teorema lui Vieta ) și, prin urmare, arată astfel:
|
Unde
Polinomul circular nu este foarte simplu și, în loc să-i căutați rădăcinile, este mai bine să extindeți unghiul ( o este un număr întreg) ca o sumă în care o 1 și o 2 sunt niște numere întregi.
Notă . Spre deosebire de 15, factorizarea numărului 9 implică același factor de dublă multiplicitate - și, spre deosebire de unghiul , nu este întotdeauna posibil să se extindă sub formă ( o , o 1 și o 2 sunt numere întregi).
Prin extinderea unghiului în suma unghiurilor, puteți calcula cosinusul și sinusul:
De exemplu, dacă o = 1, atunci puteți alege −1 și 2 ca o 1 și , respectiv, o 2 . Apoi
Deoarece acest număr Fermat este prim, atunci, ca și în cazul lui n = 3, n = 5 și n = 7, în primul rând, trebuie să împărțim polinomul circular la x 8 și să îl înlocuim cu o variabilă b = x + 1/ x — obținem
Simbol. Notăm rădăcinile polinomului ca
Pasul 2 [3]Rădăcinile unui polinom se găsesc cel mai bine nu prin intermediul coeficienților săi, ci prin utilizarea faptului că rădăcinile sale sunt cosinusuri dublate. Pentru a face acest lucru, trebuie să distribuiți cumva toate rădăcinile sale peste două sume S 1 și S 2 , să găsiți S 1 + S 2 și S 1 S 2 și, folosind teorema Vieta, să deduceți o ecuație pentru S 1 și S 2 , rezolvând pe care le obţinem S 1 şi S 2 .
Mai precis, rădăcinile polinomului trebuie să fie distribuite în puteri a două :
Suma S 1 + S 2 este egală cu suma tuturor rădăcinilor , ceea ce înseamnă că conform teoremei Vieta este egală cu −1, iar produsul se găsește prin formula cosinus a produsului
(conform formulei cosinusului produsului)
Apoi obținem o ecuație pătratică cu rădăcini și acestea sunt distribuite după cum urmează:
Termenii încadrați în S 1 și S 2 trebuie din nou împărțiți în jumătate prin sume, în plus, prin puterile celor patru - și se formează patru numere:
Suma (unde m trece prin mulțimea {1, 2}) este egală și produsul (după aceeași formulă ) este egal cu −1 (pentru m = 1 și pentru m = 2), ceea ce înseamnă că aici, prin teorema Vieta, obținem o ecuație pătratică pentru T :
În etapele a 2-a și a 3-a, de fiecare dată „împărțim” sumele la jumătate. Aici vom face la fel și astfel vom ajunge deja la rădăcinile înșiși (numerele b o /17 ). Sumele sunt:
și lucrările corespunzătoare:
După ce au compilat toate ecuațiile pătratice necesare, obținem cosinusurile dorite :
unde .
Trebuie să împărțim polinomul circular la x 6 și să înlocuim x + 1/ x cu o variabilă b - obținem un polinom numere prime și, în al doilea rând, gradele polinoamelor (care corespunde cu n = 13) și ( n = 17) sunt numere compuse - prin urmare, există o asemenea suspiciune că rădăcinile polinomului trebuie găsite după același principiu ca în al 7-lea exemplu: și aici trebuie mai întâi să derivați și să rezolvați ecuația pătratică și abia apoi - cea cubică .
Simbol . Notăm rădăcinile polinomului ca
Pasul 1Distribuim toate cele șase rădăcini ale polinomului indicat pe două sume S 1 , S 2 și peste puterile tripluului:
și calculați următoarele cantități folosind identitatea
după ce am primit ecuația , rezolvând care obținem:
Pasul 2S 1 și S 2 sunt cunoscute - acum cu ajutorul lor trebuie să derivați ecuații cubice pentru b . Pentru a demonstra, alegem, de exemplu, rădăcinile incluse în suma S 1 . Apoi, trebuie să găsiți următoarele cantități:
pentru a obține ecuația prin teorema lui Vieta. Dacă, împreună cu rădăcinile incluse în S 1 , includem rădăcinile incluse în S 2 , rezultatul este o ecuație .
Pasul 3 - canonizare( forma canonica )
(astfel încât în răspuns a fost scos imediat numitorul de sub rădăcină).
Pasul 4 este soluția ecuației canonice
unde m trece prin {0, 1, 2} și
De exemplu, volumul unui dodecaedru regulat cu o lungime a muchiei poate fi dat prin formula:
Dacă folosim expresii
formula poate fi simplificată la
Derivarea valorilor sinusului , cosinusului și tangentei într-o formă radicală se bazează pe posibilitatea de a construi poligoane regulate folosind o busolă și o riglă .
Aici, pentru a calcula rapoartele trigonometrice fundamentale sunt folosite triunghiuri dreptunghiulare formate prin secțiuni de-a lungul axelor de simetrie ale poligoanelor regulate. În fiecare triunghi dreptunghic, vârfurile sunt:
Un n -gon regulat poate fi împărțit în 2n triunghiuri cu colțuri180n.90 180n, 90 de grade pentru n mai mare sau egal cu 3. Posibilitatea de a construi cu o busolă și o riglă un triunghi, pătrat, cinci și cincisprezece gon - în bază, bisectoarele unghiulare permit și poligoane cu un număr de laturi egal cu o putere de două, înmulțită cu numărul de laturi ale unui poligon dat.
Sinusul și cosinusul de 0, 30, 45, 60 și 90 de grade pot fi calculate din triunghiurile dreptunghice corespunzătoare folosind teorema lui Pitagora.
Când folosiți radiani, sinusul și cosinusul / 2 n pot fi exprimate sub formă de radical prin aplicarea recursivă a următoarelor formule:
; etc. ; etc.De exemplu:
; ; ; ; ;etc.
etc.
etc.
etc.
Dacă și atunci
Apoi, folosind inducția, obținem asta
;Inducția aplicată mai sus poate fi aplicată în același mod oricăror numere prime Fermat (F 3 =2 2 3 +1=2 8 +1= 257 ; F 4 =2 2 4 +1=2 16 +1= 65537 ), multipli ale căror valori de sinus și cosinus există în formă radicală, dar sunt prea lungi pentru a fi enumerate aici.
; ;D = 2 32 - 1 = 4294967295 este cel mai mare numitor întreg impar cunoscut în prezent pentru care sunt cunoscute formele radicale sin( /D) și cos ( /D). Folosind formele radicale ale mărimilor din secțiunile de mai sus și aplicând regula prin inducție, obținem -
; ;Prin urmare, folosind formele radicale ale mărimilor din secțiunile de mai sus și aplicând regula prin inducție, obținem -
; ;În cele din urmă, folosind formele radicale ale mărimilor din secțiunile de mai sus și aplicând regula prin inducție, obținem -
; ;Forma radicală a dezvăluirii prezentate mai sus este foarte mare, prin urmare, exprimată într-un mod mai simplu (ca mai sus).
Aplicând inegalitatea lui Ptolemeu patrulaterului înscris ABCD definit de patru vârfuri succesive ale pentagonului, aflăm că:
care este reciproca luiunuφîn raport cu raportul de aur . crd este o funcție a lungimii acordului,
Care înseamnă
(De asemenea, puteți face fără inegalitatea lui Ptolemeu. Fie X să desemneze intersecția dintre AC și BD și rețineți că triunghiul AXB este isoscel și, prin urmare, AX = AB = a . Triunghiurile AXD și CXB sunt similare , deoarece AD este paralel cu BC . Prin urmare, XC = a (Ab). Dar AX + XC = AC, deci un + a 2b = b . Rezolvând rezultatul, avem astaAb = unuφ, așa cum a fost obținut mai devreme).
Similar
care înseamnă
Metoda algebricăDacă θ este 18° sau −54°, atunci 2θ și 3θ se reduc la 5θ = 90° sau −270°, deci .
În continuare , ce facePrin urmare,
și și șiDe asemenea, formulele unghiurilor multiple pentru funcțiile lui 5 x , unde x ∈ {18, 36, 54, 72, 90} și 5 x ∈ {90, 180, 270, 360, 450}, pot fi rezolvate pentru funcțiile lui x , deoarece știm valorile funcțiilor din 5 x . Următoarele sunt formulele unghiurilor multiple:
Practic, radicalii imbricați nu sunt simplificați. Dar dacă
unde a , b și c sunt numere raționale, obținem asta
rațional, apoi ambele expresii
raţional; prin urmare
De exemplu,
Trigonometrie | |
---|---|
General |
|
Director | |
Legi și teoreme | |
Analiza matematică |