Additionsformlerne. Frank Villa. 19. august 2012

Relaterede dokumenter
Differentiation af Trigonometriske Funktioner

Vinkelrette linjer. Frank Villa. 4. november 2014

π er irrationel Frank Nasser 10. december 2011

Cosinusrelationen. Frank Nasser. 11. juli 2011

Afstande, skæringer og vinkler i rummet

Grafmanipulation. Frank Nasser. 14. april 2011

Egenskaber ved Krydsproduktet

Afstande, skæringer og vinkler i rummet

Differentialkvotient af cosinus og sinus

Elementær Matematik. Trigonometriske Funktioner

User s guide til cosinus og sinusrelationen

Todimensionelle Vektorer

Differentiation af Potensfunktioner

Problemløsning i retvinklede trekanter

Todimensionale Vektorer

VUC Vestsjælland Syd, Slagelse Nr. 1 Institution: Projekt Trigonometri

Andengradsligninger. Frank Nasser. 11. juli 2011

Andengradsligninger. Frank Nasser. 12. april 2011

Ting man gør med Vektorfunktioner

Pointen med Differentiation

Implikationer og Negationer

Polynomiumsbrøker og asymptoter

Polynomier. Frank Villa. 26. marts 2012

Ting man gør med Vektorfunktioner

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 10

Nedenfor er tegnet svingningsmønsteret for to sinus-toner med frekvensen 440 og 443 Hz:

Archimedes Princip. Frank Nasser. 12. april 2011

Diskriminantformlen. Frank Nasser. 11. juli 2011

Pythagoras Sætning. Frank Nasser. 20. april 2011

π can never be expressed in numbers. William Jones og John Machins algoritme til beregning af π

Differentiation. Frank Nasser. 11. juli 2011

Egenskaber ved Krydsproduktet

Hvad er matematik? C, i-bog ISBN

Den harmoniske svingning

Komplekse tal. Mikkel Stouby Petersen 27. februar 2013

MATEMATIK A. Indhold. 92 videoer.

Enhedscirklen og de trigonometriske Funktioner

De rigtige reelle tal

Afstandsformlen og Cirklens Ligning

En sumformel eller to - om interferens

Bedste rette linje ved mindste kvadraters metode

Inden der siges noget om komplekse tal, vil der i dette afsnit blive gennemgået en smule teori om trigonometriske funktioner.

Algebra - Teori og problemløsning

Svingninger. Erik Vestergaard

Omskrivningsregler. Frank Nasser. 10. december 2011

Vektorer og lineær regression

Kræfter og Arbejde. Frank Nasser. 21. april 2011

Projekt 2.2 Omvendt funktion og differentiation af omvendt funktion

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Forår - 6. Juni 2016

Om problemløsning i matematik

Komplekse tal. Mike Auerbach. Tornbjerg Gymnasium, Odense 2015

Kalkulus 1 - Opgaver. Anne Ryelund, Anders Friis og Mads Friis. 20. januar 2015

Delmængder af Rummet

Harmoniske Svingninger

Komplekse Tal. Frank Villa. 15. februar 2013

Komplekse Tal. Frank Nasser. 15. april 2011

Differentiation i praksis

Besvarelser til Calculus og Lineær Algebra Globale Forretningssystemer Eksamen - 3. Juni 2014

Vektorer og lineær regression. Peter Harremoës Niels Brock

Funktionsterminologi

Potensfunktioner, Eksponentialfunktioner og Logaritmer

Komplekse tal. Jan Scholtyßek

TREKANTER. Indledning. Typer af trekanter. Side 1 af 7. (Der har været tre kursister om at skrive denne projektrapport)

Mathematicus AB1. # a # b. # a # b. Mike Vandal Auerbach.

Funktionsterminologi

Potensfunktioner, Eksponentialfunktioner og Logaritmer

M A T E M A T I K. # e z. # a. # e x. # e y A U E R B A C H M I K E. a z. a x

Retningslinjer for bedømmelsen. Georg Mohr-Konkurrencen runde

Integration. Frank Nasser. 15. april 2011

i x-aksens retning, så fås ). Forskriften for g fås altså ved i forskriften for f at udskifte alle forekomster af x med x x 0

Vi begynder med at repetere noget af det tidligere gennemgåede som vi skal bruge.

DesignMat Komplekse tal

Analytisk geometri. Et simpelt eksempel på dette er en ret linje. Som bekendt kan en ret linje skrives på formen

Matematikprojekt. Svingninger. Lavet af Arendse Morsing Gunilla Olesen Julie Slavensky Michael Hansen. 17 September 2010

ANALYSE 1, 2014, Uge 5

Analyse 1. Mads Friis Anders Friis Anne Ryelund. 25. maj 2018

Vektorfelter langs kurver

Årsplan i matematik klasse

Eksamen i Calculus Mandag den 8. juni 2015

Logaritmiske Transformationer

Ordbog over Symboler

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2017

A U E R B A C H M I K E # e z. a z. # a. # e x. # e y. a x

TALTEORI Wilsons sætning og Euler-Fermats sætning.

Brug og Misbrug af logiske tegn

Værktøjskasse til analytisk Geometri

Værktøjskasse til analytisk Geometri

Tip til 1. runde af Georg Mohr-Konkurrencen - Talteori, Kirsten Rosenkilde. Opgave 1. Hvor mange af følgende fem tal er delelige med 9?

Retningslinjer for bedømmelsen. Georg Mohr-Konkurrencen runde

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 8

Undervisningsbeskrivelse

Afstand fra et punkt til en linje

Komplekse Tal. Frank Villa. 22. februar 2013

Matlab script - placering af kran

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 3. Januar 2017

Vektorfunktioner. (Parameterkurver) x-klasserne Gammel Hellerup Gymnasium

Integration. Frank Villa. 8. oktober 2012

Komplekse tal og algebraens fundamentalsætning.

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

Transkript:

Additionsformlerne Frank Villa 19. august 2012 2008-2011. Dette dokument må kun anvendes til undervisning i klasser som abonnerer på MatBog.dk. Se yderligere betingelser for brug her.

Indhold 1 Introduktion 1 2 Additionsformlerne 3 3 Grader eller radianer? 6 4 De irriterende undtagelser 6 4.1 Hvis α β er større end 180............ 7 4.2 Hvis β er større end α................ 8 4.3 Hvis α eller β er negative eller større end 360... 9

Resumé I dette dokument beviser vi de trigonometriske additionsformler ved hjælp af todimensionelle vektorer. 1 Introduktion Additionsformlerne for de trigonometriske funktioner er meget nyttige når man arbejder med harmoniske svingningsfunktioner 1. Beviset som vi laver her bygger på lidt teori om todimensionelle vektorer. Det kan godt laves uden at nævne nogen vektorer, men det bliver meget mere besværligt. Derfor kan dette dokument også bruges som et eksempel på hvorfor vektorerbegrebet er anvendeligt. Forudsætninger Det er en forudsætning af du har styr på vektorer i planen inden du læser dette dokument 2. Især får vi brug for følgende to sætninger: Sætning 1. Hvis u og v er to todimensionelle vektorer, og α er vinklen mellem dem, så er: u v cos(α) = u v 1 Se et eksempel på anvendelse af additionsformlerne i forbindelse med harmoniske svingninger her 2 Læs om todimensionelle vektorer her side 1

Sætning 2. 2 Hvis u og v er to todimensionelle vektorer, og α er vinklen mellem dem, så er: det( u, v) sin(α) = ± u v Hvis α går fra u til v i positiv omløbsretning, er fortegnet +. Ellers er fortegnet. side 2

2 Additionsformlerne De trigonometriske additionsformler handler, som navnet antyder, om hvad der sker når man tager cosinus eller sinus til en sum eller en differens af to vinkler. Sætning 3. Hvis α og β er to vinkler, så gælder at: cos(α β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β) (1) sin(α β) = sin(α) cos(β) sin(β) cos(α) (2) cos(α + β) = cos(α) cos(β) sin(α) sin(β) (3) sin(α + β) = sin(α) cos(β) + sin(β) cos(α) (4) Bevis (Bevis for første halvdel). Vi beviser de to første påstande først. Givet de to vinkler α og β, definerer vi to snedige vektorer: og v = u = ( cos(α) sin(α) ( cos(β) sin(β) Disse to vektorer er enhedsvektorer som danner vinkler på henholdsvis α og β med x-aksen. Vi tillader nu os at antage hele tre ting som vi absolut ikke er sikre på. Nemlig at: 1. Begge vinklerne er mellem 0 og 360 (eller: mellem 0 og 2π hvis man måler vinkler i radianer). 2. α er større end β 3. Differensen α β er mindre end 180 (eller: mindre end π hvis man måler vinkler i radianer). ) ) 1. Under disse antagelser kan vi nemlig tegne situationen. Se figur side 3

1 α - β α β -2-1 1 2-1 Figur 1: Ideen bag beviset for sætning 3 Eftersom α β er vinklen mellem u og v, kan vi ifølge sætning 1 udregne: cos(α β) = = u v u v = = u v u v 1 1 ( ) ( ) cos(β) cos(α) sin(β) sin(α) = cos(β) cos(α) + sin(β) sin(α) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β) Og eftersom vinklen går i positiv omløbsretning fra u til v, kan vi side 4

ifølge sætning 2 udregne: det ( u, v) det( u, v) sin(α β) = = = det( u, v) u v 1 1 cos(β) cos(α) = sin(β) sin(α) = cos(β) sin(α) cos(α) sin(β) = sin(α) cos(β) sin(β) cos(α) Nu vil vi snyde lidt når vi skal bevise den sidste halvdel. Vi vil nemlig gå ud fra at vi har bevist første halvdel i alle situationer altså uden de tre antagelser om hvor store α og β er. Hvis du synes at dette lyder kriminelt, så bør du bladre frem til det sidste afsnit nu, for at tjekke at de andre tilfælde også er i orden. Bevis (Bevis for den sidste halvdel). Heldigvis er de to sidste egenskaber meget lette at bevise når man har de to første. Ideen går ganske enkelt ud på at skrive summen: som en differens: α + β α ( β) og derefter bruge de to første egenskaber på de to vinkler α og β. Det giver: cos(α + β) = cos(α ( β)) = cos(α) cos( β) + sin(α) sin( β) og sin(α + β) = sin(α ( β)) = sin(α) cos( β) sin( β) cos(α) side 5

Men eftersom cosinus er en lige funktion, kan vi omskrive: cos( β) = cos(β) Og eftersom sinus er en ulige funktion, kan vi omskrive: sin( β) = sin(β) Dermed har vi de to sidste additionsformler. 3 Grader eller radianer? Et spørgsmål som altid trænger sig på når man nævner de trigonometriske funktioner er hvorvidt vinklerne skal være angivet i grader eller i radianer. Resultaterne i dette dokument er dog et behageligt enkelttilfælde hvor spørgsmålet er helt irrelevant. Det viser sig, hvis man nærlæser beviset, at alle argumenter er ordret de samme, uanset om vinkelmålet er radianer eller grader. (Så længe man bruger det samme vinkelmål hele vejen igennem, selvfølgelig.) Dermed er additionsformlerne korrekte uanset om de indgående vinkler er angivet i radianer eller grader. 4 De irriterende undtagelser I beviset tillod vi os at antage hele tre ting som slet ikke behøver at være rigtige, nemlig at α var større end β, at deres differens α β var under 180, og at de begge var mellem 0 og 180. Når vi gør sådan noget, så er det fordi at den spændende del af beviset allerede forekommer i dette specialtilfælde, og den eneste forskel i de andre tilfælde er en smule ekstra besvær. Men vi må hellere få samvittigheden i orden og forklare hvordan man klarer sig uden om besværet i de andre tilfælde. Vi regner med alle vinkler i grader i dette afsnit. Hvis du bedre kan lide radianer, så erstat 180 med π, og (lidt senere) 360 med 2π overalt i dette afsnit. side 6

4.1 Hvis α β er større end 180 Den første undtagelse hvor ovenstående bevis ikke virker helt er hvis differensen mellem de to vinkler er større end 180. I så fald ser tegningen lidt anderledes ud (se figur 2). (Vi antager stadig at begge vinkler er mindre end 360 og at α > β). 1 α - β α β -2-1 1 2-1 Figur 2: Første undtagelse: Hvis α β > 180. I dette tilfælde er vinklen mellem u og v desværre ikke α β, men derimod 360 (α β) Heldigvis er cos(x) = cos(360 x) for alle vinkler, x. Så vi kan starte den første af udregningerne i beviset med at omskrive: cos(α β) = cos(360 (α β)) = u v u v og dermed kører den første udregning i beviset lige som før. side 7

Desuden er sin(x) = sin(360 x) for alle vinkler, x. Så vi kan starte den anden store udregning i beviset med omskrivningen: sin(α β) = sin(360 (α β)) Og eftersom vinklen mellem u og v i dette tilfælde går i negativ omløbsretning fra u til v, får vi et fortegn mere fra sætning 2: ( ) sin(α β) = sin(360 det( u, v) (α β)) = u v og herefter fortsætter omskrivningen på samme måde som før. 4.2 Hvis β er større end α Den anden undtagelse hvor beviset ikke virker er hvis β er større end α. Men det betyder bare at de to vinkler og de to vektorer bytter roller (se figur 3.) Hvis vi holder fast i antagelsen om at både α og β er mellem 0 og 360 (men ikke andet!) så kan vi bruge de resultater som vi allerede har, bare med α og β byttet ud. Derfor får vi denne gang at: cos(β α) = cos(β) cos(α) + sin(β) sin(α) sin(β α) = sin(β) cos(α) sin(α) cos(β) Men cosinus er en lige funktion, så: cos(β α) = cos( (β α)) = cos(α β) Hvis vi samtidigt bytter rundt på rækkefølgen af faktorerne i den første ligning, kan den skrives: cos(α β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β) Hvilket er den første additionsformel. side 8

1 β-α β α -2-1 1 2-1 Figur 3: Anden undtagelse: Hvis α < β. Sinus er en ulige funktion, så: sin(β α) = sin( (β α)) = sin(α β) Derfor kan den anden ligning omskrives til: sin(α β) = sin(β) cos(α) sin(α) cos(β) Og hvis vi skifter fortegn på begge sider, så dukker den anden additionsformel op igen: sin(α β) = sin(β) cos(α) + sin(α) cos(β) = sin(α) cos(β) sin(β) cos(α) 4.3 Hvis α eller β er negative eller større end 360 Til sidst klarer vi situationen hvor α eller β (eller dem begge) enten er negative eller større end 360. side 9

Dette er heldigvis det nemmeste, for i så fald kan vi bare lægge et helt antal gange 360 til dem, sådan at de havner mellem 0 og 360. For at gøre det en lille smule overskueligt, så antager vi at det kun er α der er problemer med. Men du kan nemt justere argumentet så det også virker hvis der er problemer med β. Lad os sige at n er et helt tal (eventuelt negativt) sådan at: α + n 360 [0 ; 360 ] Nu bruger vi de resultater som allerede er bevist på de vinkler som er mellem 0 og 360. Det giver at: og cos(α + n 360 β) = cos(α + n 360 ) cos(β) + sin(α + n 360 ) sin(β) sin(α + n 360 (β)) = sin(α + n 360 ) cos(β) sin(β) cos(α + n 360 ) Men hverken cosinus eller sinus ændrer værdi af at man lægger et helt antal gange 360 til vinklen. Så vi kan simpelt hen fjerne dette, og dermed har vi faktisk de to additionsformler: cos(α β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β) sin(α β) = sin(α) cos(β) sin(β) cos(α) side 10