Matematik 4Basåret, distans

Så hittar du rätt

  1. 1Sök efter ordet som förvirrar dig — rutan högst upp söker i hela kursen.
  2. 2Slå upp det i Begrepp. Varje begrepp länkar till avsnittet där det förklaras. Begrepp →
  3. 3Läs avsnittets rutor Vanligt fel: där står de misstag som nästan alla gör.
  4. 4Kom fortfarande inte vidare? Ta med frågan till räkneövningen eller mejla.

Lärare och examinator: Eric Ahlqvist, [email protected] · Övningsledare: Ottilia Andersson, [email protected] · Skriv "Matematik 4" i ämnesraden.

← 1
Lektion 2 Trigonometriska formler
3 →
1.2 1. Trigonometri

Trigonometriska formler

I förra lektionen fick sinus och cosinus en plats på enhetscirkeln. Nu ska vi se vad som följer av det. Det visar sig att några få samband räcker väldigt långt: de låter dig byta ut ett uttryck mot ett annat, räkna fram exakta värden för nya vinklar och lösa ekvationer som först ser omöjliga ut. Allt i den här lektionen kommer ur enhetscirkeln, så ha den framför dig.

⏱ 50 min läsning§ 5 avsnitt

Efter lektionen kan du

1

Trigonometriska ettan

Pythagoras sats, en gång till, men med hypotenusan 1.

Triangeln i enhetscirkeln har hypotenusan $1$ och kateterna $\cos v$ och $\sin v$. Pythagoras sats säger direkt att $$(\sin v)^2 + (\cos v)^2 = 1^2$$ Speglingarna från förra lektionen ändrar bara tecknen, och tecknen försvinner när man kvadrerar. Därför gäller sambandet för alla vinklar, i alla kvadranter.

Formel
Trigonometriska ettan
$$\sin^2 v + \cos^2 v = 1$$

Omskrivet: $\sin^2 v = 1 - \cos^2 v$ och $\cos^2 v = 1 - \sin^2 v$.

Ettan ger dig sinus om du känner cosinus, men bara storleken. Kvadratroten har två tecken, och det är kvadranten som väljer. Prova innan du läser vidare.

Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

För en vinkel $v$ gäller $\cos v = -\dfrac{3}{5}$, och $v$ ligger i tredje kvadranten.

Vad är $\sin v$?

Exempel

Från sinus till cosinus och tangens

För vinkeln $v$ gäller $\sin v = \dfrac{5}{13}$, och $v$ ligger i andra kvadranten. Bestäm $\cos v$ och $\tan v$ exakt.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

Ettan som verktyg

Lika ofta används ettan för att byta ut ett uttryck mot ett enklare. Leta efter $\sin^2$ och $\cos^2$ av samma vinkel: $$8 - \cos^2 40^\circ - \sin^2 40^\circ = 8 - \left(\sin^2 40^\circ + \cos^2 40^\circ\right) = 8 - 1 = 7$$ Ingen räknare behövs, bara ett öga för mönstret.

För den nyfikne Ett samband för tangens

Dela ettan med $\cos^2 v$ (när $\cos v \neq 0$): $$\frac{\sin^2 v}{\cos^2 v} + \frac{\cos^2 v}{\cos^2 v} = \frac{1}{\cos^2 v} \quad\Longrightarrow\quad 1 + \tan^2 v = \frac{1}{\cos^2 v}$$ Det sambandet dyker upp igen när du deriverar $\tan x$ i kapitel 2.

2

Additions- och subtraktionsformlerna

Är sinus av en summa samma sak som summan av sinus? Gissa!

Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

Låt $u = 60^\circ$ och $v = 30^\circ$.

Jämför $\sin(u + v)$ med $\sin u + \sin v$.

Men vad är då $\sin(u + v)$? Svaret är fyra formler. De ser tunga ut, men följer två enkla mönster.

Formel
Additions- och subtraktionsformlerna
$$\sin(u + v) = \sin u \cos v + \cos u \sin v$$ $$\sin(u - v) = \sin u \cos v - \cos u \sin v$$ $$\cos(u + v) = \cos u \cos v - \sin u \sin v$$ $$\cos(u - v) = \cos u \cos v + \sin u \sin v$$

Du får dem på formelbladet. Det du ska kunna är att välja rätt formel och sätta in rätt.

De två mönstren:

  • Sinusformlerna blandar: $\sin \cdot \cos + \cos \cdot \sin$. Cosinusformlerna blandar inte: $\cos \cdot \cos$ och $\sin \cdot \sin$.
  • Cosinus byter tecken: plus inne i vinkeln ger minus i formeln, och tvärtom. Sinus behåller tecknet.
Exempel

Exakt värde för $\cos 15^\circ$

Bestäm $\cos 15^\circ$ exakt.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

På samma sätt går det att nå $75^\circ = 45^\circ + 30^\circ$, $105^\circ = 60^\circ + 45^\circ$, $165^\circ = 120^\circ + 45^\circ$ och många fler.

Varifrån kommer formlerna?

De är inte magi. Punkterna $P$ och $Q$ ligger vid vinklarna $u$ och $v$, så vinkeln mellan dem är $u - v$. Punkterna $R$ och $S$ ligger vid $u - v$ och $0$, alltså med samma vinkel emellan. Samma vinkel i samma cirkel ger samma korda: $PQ = RS$.

För den nyfikne Hela beviset för cos(u − v)

Med $P = (\cos u, \sin u)$, $Q = (\cos v, \sin v)$, $R = (\cos(u-v), \sin(u-v))$ och $S = (1, 0)$ ger avståndsformeln $$PQ^2 = (\cos u - \cos v)^2 + (\sin u - \sin v)^2$$ Utveckla kvadraterna och använd ettan två gånger: $$PQ^2 = 2 - 2(\cos u \cos v + \sin u \sin v)$$ På samma sätt, med ettan för vinkeln $u - v$: $$RS^2 = (\cos(u-v) - 1)^2 + \sin^2(u-v) = 2 - 2\cos(u - v)$$ Eftersom $PQ = RS$ är $PQ^2 = RS^2$, och då står formeln där: $$\cos(u - v) = \cos u \cos v + \sin u \sin v$$ De andra tre följer. Byt $v$ mot $-v$ och använd $\cos(-v) = \cos v$, $\sin(-v) = -\sin v$ för $\cos(u + v)$. Använd $\sin w = \cos(90^\circ - w)$ för sinusformlerna.

3

Formler för dubbla vinkeln

Sätt u = v i additionsformlerna. Mer än så är det inte.

Låt båda vinklarna i additionsformlerna vara lika, $u = v$: $$\sin 2v = \sin(v + v) = \sin v \cos v + \cos v \sin v = 2\sin v \cos v$$ $$\cos 2v = \cos(v + v) = \cos v \cos v - \sin v \sin v = \cos^2 v - \sin^2 v$$ Inga nya bevis behövs. Det är ett specialfall.

Titta på figuren innan du räknar: punkten för $2v$ ligger inte dubbelt så högt som punkten för $v$. Dubbla vinkeln är inte dubbla värdet.

Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

För en vinkel $x$ gäller $\sin x = 0{,}6$ och $\cos x = 0{,}8$.

Vad är $\sin 2x$?

Formel
Formler för dubbla vinkeln
$$\sin 2v = 2 \sin v \cos v$$ $$\cos 2v = \cos^2 v - \sin^2 v = 2\cos^2 v - 1 = 1 - 2\sin^2 v$$

De tre formerna av $\cos 2v$ är samma formel, omskriven med trigonometriska ettan.

Exempel

Välj rätt form

För en vinkel $v$ gäller $\sin v = \dfrac{1}{3}$. Bestäm $\cos 2v$ exakt.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

Exempel

Två steg

För en spetsig vinkel $v$ gäller $\cos v = 0{,}8$. Bestäm $\sin 2v$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

4

Ekvationer och formler

Skriv om ekvationen tills den ser ut som en grundekvation.

De flesta trigonometriska ekvationer är inte grundekvationer från början. Man skriver om dem, med fyra verktyg:

  1. trigonometriska formler, till exempel ettan eller dubbla vinkeln
  2. faktorisering, att bryta ut en gemensam faktor
  3. nollproduktmetoden
  4. variabelsubstitution, till exempel $t = \sin x$
Exempel

När sinus och cosinus är lika

Lös $\sin x = \cos x$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

Exempel

Faktorisera och använd nollproduktmetoden

Lös $2\cos^2 x - \cos x = 0$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

En elev löser $2\cos^2 x - \cos x = 0$ genom att dividera båda leden med $\cos x$ och får

$$2\cos x - 1 = 0 \quad\Rightarrow\quad \cos x = \tfrac{1}{2}$$

Vad är problemet med den lösningen?

Repetera Andragradsekvationer (pq-formeln)

Ekvationen $t^2 + pt + q = 0$ har lösningarna $$t = -\frac{p}{2} \pm \sqrt{\left(\frac{p}{2}\right)^2 - q}$$ Exempel: $t^2 + 3t - 4 = 0$ ger $t = -\tfrac{3}{2} \pm \sqrt{\tfrac{9}{4} + 4} = -\tfrac32 \pm \tfrac52$, alltså $t = 1$ eller $t = -4$.

Exempel

Variabelsubstitution

Lös $3\sin x - 3 = \cos^2 x$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

Exempel

En ekvation med en fälla

Lös $\sin 2x = \sin x$ för $0^\circ \le x \le 360^\circ$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

5

Kurvorna $y = A\sin kx$ och $y = A\cos kx$

Två tal styr hela kurvan, ett för höjden och ett för tempot.

Grundkurvan $y = \sin x$ är höjden på punkten som går runt enhetscirkeln. Den svänger mellan $-1$ och $1$, alltså med amplituden $1$, och upprepar sig efter $360^\circ$, perioden.

Vad händer med kurvan om vi multiplicerar med ett tal $A$ framför, eller med ett tal $k$ inne i vinkeln?

Prova själv

Dra i A och k

Gissa först, dra sedan. Börja med $k = 1$ och dra i $A$. Vad ändras? Sätt tillbaka $A = 1$ och dra i $k$. Vad ändras nu? Dra till sist $A$ förbi noll till ett negativt värde. Knappen Visa y = sin x lägger grundkurvan bakom som jämförelse.

Formel
Amplitud och period
$$y = A \sin kx \qquad\text{och}\qquad y = A \cos kx$$ $$\text{amplitud} = |A| \qquad\qquad \text{period} = \frac{360^\circ}{k}$$

$A$ sträcker kurvan på höjden, $k$ trycker ihop den på bredden. Ingen av dem flyttar kurvan åt sidan. Det kommer i lektion 1.3.

Jämför de tre kurvorna. $y = 3\sin x$ når tre gånger så högt men har samma period. $y = \sin 2x$ har samma höjd men hinner två svängningar på $360^\circ$, alltså perioden $180^\circ$.

Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

Betrakta kurvan $$y = 3 \sin 2x$$

Vilken amplitud och vilken period har den?

Exempel

Hur många lösningar får plats?

Hur många lösningar har $5\sin 4x = 2$ i intervallet $0^\circ \le x \le 360^\circ$? Svara utan att lösa ekvationen.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

Sammanfattning

  • Trigonometriska ettan: $\sin^2 v + \cos^2 v = 1$. Den ger storleken; kvadranten ger tecknet.
  • Additionsformlerna: sinusformlerna blandar, cosinusformlerna byter tecken. $\sin(u+v) \neq \sin u + \sin v$.
  • Dubbla vinkeln: $\sin 2v = 2\sin v\cos v$. Välj den form av $\cos 2v$ som passar det du vet.
  • Ekvationer: skriv om till grundekvationer. Faktorisera i stället för att dela.
  • Kurvor: $y = A\sin kx$ har amplituden $|A|$ och perioden $360^\circ/k$.
  • Rimlighetskontroll: sinus och cosinus ligger alltid mellan $-1$ och $1$.

Tänk vidare

Frågor utan räkning. Fundera själv eller med en kurskamrat innan du öppnar tanken.

  1. När stämmer den felaktiga formeln?

    Formeln $\sin 2x = 2\sin x$ är fel. Men finns det $x$ där likheten ändå råkar stämma? Hitta alla, och förklara varför den ändå inte duger som formel.

    Ett sätt att tänka

    $2\sin x\cos x = 2\sin x$ ger $\sin x\,(\cos x - 1) = 0$, alltså $\sin x = 0$ eller $\cos x = 1$. Svaret är $x = n \cdot 180^\circ$. En formel ska gälla för alla $x$. Att den stämmer i enstaka punkter räddar den inte.

  2. Utan räknare

    Bestäm värdet: a) $\sin^2 37^\circ + \cos^2 37^\circ + \sin^2 53^\circ + \cos^2 53^\circ$ b) $\cos^2 20^\circ + \cos^2 70^\circ$

    Ett sätt att tänka

    a) Ettan två gånger: $1 + 1 = 2$. b) $70^\circ = 90^\circ - 20^\circ$, så $\cos 70^\circ = \sin 20^\circ$ (komplementvinklar från lektion 1). Summan blir ettan för $20^\circ$, alltså $1$.

  3. Två bevis för samma sak

    Visa att $\cos(180^\circ - v) = -\cos v$ med subtraktionsformeln. Jämför med symmetriargumentet från lektion 1, spegling i $y$-axeln. Vilket bevis övertygar dig mest?

    Ett sätt att tänka

    $\cos(180^\circ - v) = \cos 180^\circ\cos v + \sin 180^\circ\sin v = -\cos v + 0$. Det finns inget rätt svar på smakfrågan. Samma sanning kan visas både med en bild och med en räkning, och olika personer övertygas av olika saker. Det är värt att kunna båda.

  4. Exakt värde för sin 105°

    Bestäm $\sin 105^\circ$ exakt. Varför blir svaret samma som för $\cos 15^\circ$?

    Ett sätt att tänka

    $105^\circ = 60^\circ + 45^\circ$ ger $\sin 105^\circ = \dfrac{\sqrt{3}}{2}\cdot\dfrac{1}{\sqrt{2}} + \dfrac{1}{2}\cdot\dfrac{1}{\sqrt{2}} = \dfrac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4}$. Samma som $\cos 15^\circ$, eftersom $\sin 105^\circ = \sin 75^\circ$ (spegling i $y$-axeln) och $\sin 75^\circ = \cos 15^\circ$ (komplementvinklar).

  5. Alltid, ibland eller aldrig?

    Påstående: $\sin(u + v) \le \sin u + \sin v$. Alltid, ibland eller aldrig sant? Börja med spetsiga vinklar $u$ och $v$.

    Ett sätt att tänka

    För spetsiga vinklar: $\sin(u+v) = \sin u\cos v + \cos u\sin v \le \sin u + \sin v$, eftersom cosinusfaktorerna är högst $1$ och allt är positivt. Alltid sant där. I allmänhet bara ibland: $u = v = -45^\circ$ ger vänsterledet $-1$ och högerledet $-\sqrt{2} \approx -1{,}41$.