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三角函数

三角函数(Trigonometric Functions)是数学中研究三角形的边角关系以及周期性现象的核心工具。它们的基础建立在直角三角形上,但通过单位圆的定义,它们的应用被扩展到了模拟波形、振动等所有具有周期性规律的自然现象中。

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正弦、余弦、正切、余切三角函数图像对照示意图
正弦、余弦、正切、余切三角函数图像对照示意图

在直角三角形中,假设有一个锐角 θ\theta。以这个角为基准,三角形的三条边分别被称为:

  • 对边(Opposite, aa):角 θ\theta 正对着的边。
  • 邻边(Adjacent, bb):角 θ\theta 紧挨着的直角边。
  • 斜边(Hypotenuse, cc):直角三角形中最长的边(直角正对着的边)。

通过这些边的比值,我们定义了最基础的三个三角函数:

函数名称缩写核心公式几何直观解释
正弦 (Sine)sin⁡θ\sin\thetasin⁡θ=对边斜边\sin\theta = \frac{\text{对边}}{\text{斜边}}对边占斜边的比例
余弦 (Cosine)cos⁡θ\cos\thetacos⁡θ=邻边斜边\cos\theta = \frac{\text{邻边}}{\text{斜边}}邻边占斜边的比例
正切 (Tangent)tan⁡θ\tan\thetatan⁡θ=对边邻边=sin⁡θcos⁡θ\tan\theta = \frac{\text{对边}}{\text{邻边}} = \frac{\sin\theta}{\cos\theta}直线的斜率(坡度)

还有三个衍生函数(倒数关系),分别是余切(Cotangent,cot⁡θ=1/tan⁡θ\cot\theta = 1/\tan\theta,即余角正切)、正割(Secant,sec⁡θ=1/cos⁡θ\sec\theta = 1/\cos\theta,源于“割线”)和余割(Cosecant,csc⁡θ=1/sin⁡θ\csc\theta = 1/\sin\theta,即余角正割)。

特殊角三角函数值
特殊角三角函数值

直角三角形的局限在于,角 θ\theta 必须在 0∘0^\circ 到 90∘90^\circ 之间。为了研究任意大小的角(甚至是负角),数学家引入了单位圆(半径为 1,圆心在原点的圆)。

在直角坐标系中,让一条射线从 XX 轴正方向开始逆时针旋转角 θ\theta,它与单位圆交于点 P(x,y)P(x, y):

  • cos⁡θ\cos\theta 对应交点 PP 的 xx 坐标。
  • sin⁡θ\sin\theta 对应交点 PP 的 yy 坐标。
  • tan⁡θ\tan\theta 对应过点 (1,0)(1,0) 的单位圆切线上切段的纵坐标,物理意义即为该射线的斜率。
单位圆六三角函数几何线段示意图
单位圆六三角函数几何线段示意图

  • 定义域: x∈(−∞,+∞)x \in (-\infty, +\infty)
  • 值域: y∈[−1,1]y \in [-1, 1]
    • 当 x=2kπ+π2x = 2k\pi + \frac{\pi}{2} 时,函数取得最大值 ymax⁡=1y_{\max} = 1。
    • 当 x=2kπ−π2x = 2k\pi - \frac{\pi}{2} 时,函数取得最小值 ymin⁡=−1y_{\min} = -1。
  • 单调性:
    • 单调递增区间: [2kπ−π2,2kπ+π2],k∈Z[2k\pi - \frac{\pi}{2}, 2k\pi + \frac{\pi}{2}], k \in \mathbb{Z}
    • 单调递减区间: [2kπ+π2,2kπ+3π2],k∈Z[2k\pi + \frac{\pi}{2}, 2k\pi + \frac{3\pi}{2}], k \in \mathbb{Z}
  • 对称性:
    • 关于点 (kπ,0)(k\pi, 0) 呈中心对称。
    • 关于直线 x=kπ+π2x = k\pi + \frac{\pi}{2} 呈轴对称。

  • 定义域: x∈(−∞,+∞)x \in (-\infty, +\infty)
  • 值域: y∈[−1,1]y \in [-1, 1]
    • 当 x=2kπx = 2k\pi 时,函数取得最大值 ymax⁡=1y_{\max} = 1。
    • 当 x=2kπ+πx = 2k\pi + \pi 时,函数取得最小值 ymin⁡=−1y_{\min} = -1。
  • 单调性:
    • 单调递增区间: [2kπ−π,2kπ],k∈Z[2k\pi - \pi, 2k\pi], k \in \mathbb{Z}
    • 单调递减区间: [2kπ,2kπ+π],k∈Z[2k\pi, 2k\pi + \pi], k \in \mathbb{Z}
  • 对称性:
    • 关于点 (kπ+π2,0)(k\pi + \frac{\pi}{2}, 0) 呈中心对称。
    • 关于直线 x=kπx = k\pi 呈轴对称(因为它是偶函数,所以 YY 轴即 x=0x=0 是一条对称轴)。

  • 定义域: {x∈R∣x≠kπ+π2,k∈Z}\{x \in \mathbb{R} \mid x \neq k\pi + \frac{\pi}{2}, k \in \mathbb{Z}\}(在这些断点处,函数有垂直渐近线)
  • 值域: y∈(−∞,+∞)y \in (-\infty, +\infty)(无最大值和最小值)
  • 单调性:
    • 单调递增区间: 在每一个开区间 (kπ−π2,kπ+π2),k∈Z(k\pi - \frac{\pi}{2}, k\pi + \frac{\pi}{2}), k \in \mathbb{Z} 内都是严格单调递增的。
    • 注意:不能说正切函数在整个定义域上单调递增,因为在断点处存在跃变。
  • 对称性:
    • 关于点 (kπ2,0),k∈Z(\frac{k\pi}{2}, 0), k \in \mathbb{Z} 呈中心对称。
    • 无对称轴。

  • 定义域: {x∈R∣x≠kπ,k∈Z}\{x \in \mathbb{R} \mid x \neq k\pi, k \in \mathbb{Z}\}
  • 值域: y∈(−∞,−1]∪[1,+∞)y \in (-\infty, -1] \cup [1, +\infty)
    • 当 x=2kπ+π2x = 2k\pi + \frac{\pi}{2} 时,函数取得局部极小值 ymin⁡=1y_{\min} = 1。
    • 当 x=2kπ−π2x = 2k\pi - \frac{\pi}{2} 时,函数取得局部极大值 ymax⁡=−1y_{\max} = -1。
  • 单调性:
    • 单调递增区间: [2kπ+π2,2kπ+π)[2k\pi + \frac{\pi}{2}, 2k\pi + \pi) 和 (2kπ+π,2kπ+3π2],k∈Z(2k\pi + \pi, 2k\pi + \frac{3\pi}{2}], k \in \mathbb{Z}
    • 单调递减区间: [2kπ−π2,2kπ)[2k\pi - \frac{\pi}{2}, 2k\pi) 和 (2kπ,2kπ+π2],k∈Z(2k\pi, 2k\pi + \frac{\pi}{2}], k \in \mathbb{Z}
  • 对称性:
    • 关于点 (kπ,0),k∈Z(k\pi, 0), k \in \mathbb{Z} 呈中心对称(注:该点在定义域外,对应渐近线交点)。
    • 关于直线 x=kπ+π2x = k\pi + \frac{\pi}{2} 呈轴对称。

  • 定义域: {x∈R∣x≠kπ+π2,k∈Z}\{x \in \mathbb{R} \mid x \neq k\pi + \frac{\pi}{2}, k \in \mathbb{Z}\}
  • 值域: y∈(−∞,−1]∪[1,+∞)y \in (-\infty, -1] \cup [1, +\infty)
    • 当 x=2kπx = 2k\pi 时,函数取得局部极小值 ymin⁡=1y_{\min} = 1。
    • 当 x=2kπ+πx = 2k\pi + \pi 时,函数取得局部极大值 ymax⁡=−1y_{\max} = -1。
  • 单调性:
    • 单调递增区间: [2kπ,2kπ+π2)[2k\pi, 2k\pi + \frac{\pi}{2}) 和 (2kπ+π2,2kπ+π],k∈Z(2k\pi + \frac{\pi}{2}, 2k\pi + \pi], k \in \mathbb{Z}
    • 单调递减区间: [2kπ−π,2kπ−π2)[2k\pi - \pi, 2k\pi - \frac{\pi}{2}) 和 (2kπ−π2,2kπ],k∈Z(2k\pi - \frac{\pi}{2}, 2k\pi], k \in \mathbb{Z}
  • 对称性:
    • 关于点 (kπ+π2,0),k∈Z(k\pi + \frac{\pi}{2}, 0), k \in \mathbb{Z} 呈中心对称(注:该点在定义域外,对应渐近线交点)。
    • 关于直线 x=kπx = k\pi 呈轴对称(它是偶函数,以 YY 轴即 x=0x = 0 为轴对称)。

  • 定义域: {x∈R∣x≠kπ,k∈Z}\{x \in \mathbb{R} \mid x \neq k\pi, k \in \mathbb{Z}\}
  • 值域: y∈(−∞,+∞)y \in (-\infty, +\infty)(无最大值和最小值)
  • 单调性:
    • 单调递增区间: 无。
    • 单调递减区间: (kπ,kπ+π),k∈Z(k\pi, k\pi + \pi), k \in \mathbb{Z}(注意:由于断点,不可写成整个定义域单调递减)
  • 对称性:
    • 关于点 (kπ2,0),k∈Z(\frac{k\pi}{2}, 0), k \in \mathbb{Z} 呈中心对称。
    • 无对称轴。

在实际应用和解题中,有几个化简和计算的黄金公式必须掌握:

sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta + \cos^2\theta = 1

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

sin⁡2θ=2sin⁡θcos⁡θ\sin 2\theta = 2\sin\theta\cos\theta

cos⁡2θ=cos⁡2θ−sin⁡2θ=2cos⁡2θ−1=1−2sin⁡2θ\cos 2\theta = \cos^2\theta - \sin^2\theta = 2\cos^2\theta - 1 = 1 - 2\sin^2\theta

sin⁡2θ=1−cos⁡2θ2\sin^2\theta = \frac{1 - \cos 2\theta}{2}

cos⁡2θ=1+cos⁡2θ2\cos^2\theta = \frac{1 + \cos 2\theta}{2}

这两个公式(降幂公式)是由余弦的二倍角公式 cos⁡2θ=cos⁡2θ−sin⁡2θ\cos 2\theta = \cos^2\theta - \sin^2\theta 直接推导出来的:

  1. 证明第一式:代入 cos⁡2θ=1−sin⁡2θ\cos^2\theta = 1 - \sin^2\theta,得 cos⁡2θ=1−2sin⁡2θ\cos 2\theta = 1 - 2\sin^2\theta,移项即得 sin⁡2θ=1−cos⁡2θ2\sin^2\theta = \frac{1 - \cos 2\theta}{2}。
  2. 证明第二式:代入 sin⁡2θ=1−cos⁡2θ\sin^2\theta = 1 - \cos^2\theta,得 cos⁡2θ=2cos⁡2θ−1\cos 2\theta = 2\cos^2\theta - 1,移项即得 cos⁡2θ=1+cos⁡2θ2\cos^2\theta = \frac{1 + \cos 2\theta}{2}。

sec⁡2θ=1+tan⁡2θ\sec^2\theta = 1 + \tan^2\theta

证明: 在同角三角平方和 sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta + \cos^2\theta = 1 两边同时除以 cos⁡2θ\cos^2\theta:

sin⁡2θcos⁡2θ+1=1cos⁡2θ\frac{\sin^2\theta}{\cos^2\theta} + 1 = \frac{1}{\cos^2\theta}

代入定义 tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ\tan\theta = \frac{\sin\theta}{\cos\theta} 与 sec⁡θ=1cos⁡θ\sec\theta = \frac{1}{\cos\theta},即得:1+tan⁡2θ=sec⁡2θ1 + \tan^2\theta = \sec^2\theta。

csc⁡2θ=1+cot⁡2θ\csc^2\theta = 1 + \cot^2\theta

说明: 同理,在 sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta + \cos^2\theta = 1 两边同时除以 sin⁡2θ\sin^2\theta 即可证得此式。

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