Тема 3.3. Преобразование тригонометрических выражений

Самостоятельная работа (2 часа)

Цель: изучить основные формулы тригонометрии; решение прямоугольных треугольников.

Тригонометрические тождества - это математические выражения для тригонометрических функций, которые выполняются при всех значениях аргумента.

Радианная мера углов и дуг

Обратите внимание: если длину дуги выражать с помощью привычных рациональных чисел (т.е. заменять число p его приближенным значением), то результат всегда будет приблизительным. А если измерять длины в долях числа p, то результат будет точным числом.

Таким образом, мы можем измерять движение точки по кругу с помощью угла, на который она повернулась. Т.е. для произвольного числа t мы построили угол t, определяемый двумя лучами – неподвижным и тем, который проходит через построенную точку.

При таком обобщении понятия угла постепенно отходят от его геометрического образа как части плоскости, лежащей между двумя лучами. Фактически слово «угол» становится для нас синонимом слова «число».

Угол поворота — это угол, полученный вращением луча около его начала О от начального положения ОА до конечного положения ОВ. Иными словами, это угол, полученный поворотом радиус–вектора на угол t.

Знак угла.

Поскольку луч может двигаться либо по часовой стрелке, либо против, то будем считать углы поворота против часовой стрелки положительными, а по часовой стрелке – отрицательными.

Теперь нужно выбрать меру измерения таких новых углов – углов поворота. Итак, если точка, двигаясь по координатной окружности, перешла из начальной точки А (0) в конечную точку М, то координата точки М определяется углом поворота t, т.е. М = М (t).

 

 

Усложним задачу. Совместим координатную окружность с декартовой системой координат так, чтобы начало этой системы координат находилось в центре О координатной окружности, положительная полуось абсцисс проходила через начало отсчета А (0) на этой окружности, а положительная полуось ординат – через точку той же окружности.

 

 

Единица измерения. Понятие об измерении углов известно из геометрии. При измерении углов принимают некоторый определенный угол за единицу измерения и с ее помощью измеряют другие углы.

Для измерения новых углов – углов поворота – привычные нам градусы не подходят, потому, что градусами измеряют только углы, а здесь одной меркой должны измеряться и углы, и расстояния. Выход нашли Ньютон и Лейбниц — они стали измерять эти углы этими расстояниями.

Вопросы: Чем измеряется расстояние на числовой окружности?

Чему равен единичный отрезок числовой окружности?

Так появилась универсальная мера измерения и углов, и дуг — радиусная мера или, как ее чаще называют, радианная мера.

За единицу измерения можно принять любой угол:

на практике уже более трех тысяч лет за единицу измерения величины угла принята ¹/₃₆₀ часть полного оборота, которую называют градусом;

в технике за единицу измерения принимают полный оборот;

в мореплавании за единицу измерения углов принят румб, равный ¹/₃₂ части полного оборота;

в артиллерии за единицу измерения углов принята ¹/₆₀ часть полного оборота, которую называют большим делением угломера (¹/₁₀₀ часть большого деления угломера называют малым делением угломера).

Помимо того, что радианная мера лучше приспособлена для изучения криволинейного (кругового) движения, она существенно упростила многие расчеты и формулы:

длина дуги окружности: ; ;

площадь сектора: S= ; . Так как длина окружности 2πr и составляет 360 , то, выбрав окружность r = 1, получим, что число π соответствует углу 180 .

Вопросы:

1. Р ассмотреть формулы перехода от градусной меры к радианной и наоборот.

2. Как построить угол, равный числу (–1)?

3. Еще раз подчеркнуть универсальность радианной меры, с помощью которой можно измерять и углы, и расстояния (дуги).

На каждом проигрывателе виниловых дисков (грампластинок) стоял переключатель, и в зависимости от его положения диск проигрывателя мог совершать 33, 45 или 78 оборотов в минуту.

Найдем, на какой угол поворачивается диск за 1 с при каждом положении переключателя: Более современный пример.

Скорость вращения жесткого диска компьютера 7200 ^об/_мин, тогда:

В двух последних случаях угол поворота превышает 360°.

В технике часто встречаются скорости вращения в сотни оборотов в секунду, поэтому приходится рассматривать углы, во много раз превышающие 360°.

Определение тригонометрических функций

Продолжим рассматривать движение точки по окружности – простейшую модель периодического процесса.

Для каждого числа на числовой окружности можно указать определенную точку.

Мы установили, что это соответствие не взаимно-однозначное, т.к. каждой точке окружности соответствует бесконечное множество чисел.

Мы научились измерять путь, пройденный точкой по числовой окружности, т.е. окружности, радиус которой принят за единичный отрезок.

Теперь вы готовы ответить на два важных вопроса.

Вопросы:

1. Как называется число, соответствующее точке на числовой прямой или на числовой окружности?

Кстати, отсюда другое название числовой окружности – координатная окружность.

2. Что является координатой точки на числовой окружности?»

В этом случае, точка М, движущаяся по окружности, совершает также движение и в координатной плоскости и тогда определять положение точки М (t) можно и иначе – указывая ее координаты х и у в данной системе координат.Таким образом, у точки на круге появились два набора координат:

t – «криволинейная» координата; (х; у) – декартовы координаты.

Т.к. это наборы координат одной и той же точки, то разумно предположить, что они связаны между собой. Установим связь между координатами х и у точки М (t) и углом t.

Пусть для определенности точка М расположена в первой четверти.

Абсцисса точки М равна длине отрезка ОМ ₁.

Найдем этот отрезок из прямоугольного D ОММ ₁:

х_М = ОМ₁ = ОМ × cos t = 1 × cos t = cos t.

Ордината точки М равна длине отрезка ОМ ₂.

Найдем этот отрезок из прямоугольного D ОММ ₂:

у_М = ОМ₂ = ОМ × sin t = 1 × sin t = sin t.

Аналогично для любой другой четверти.

Таким вот неожиданным образом перед нами предстали известные с 9 класса тригонометрические функции косинус и синус. Они оказались декартовыми координатами точки на числовом круге! Кстати, отсюда еще один синоним для числовой окружности – тригонометрическая окружность.

tg t = = ; ctg t = = ;

А исследует эти функции раздел математики – тригонометрия.

Тригонометрия — наука, изучающая свойства тригонометрических функций и связь между ними. Как было сказано ранее, они служат для описания периодических процессов. Теперь нам ясно почему. Тригонометрические функции предоставляют исчерпывающую информацию о положении вращающейся точки.

Область применения. Изучение криволинейного движения в физике и вращательного движения в т ехнике.

Из уроков физики вам известно, что важнейшей характеристикой криволинейного движения является угловая скорость – угол поворота в единицу времени, т.е. .

Как было сказано, в технике для измерения вращательного движения используется полный оборот (или просто оборот) – поворот на угол 360°.

Физики шутят, что если бы им сообщили точные координаты всех элементарных частиц во Вселенной, то предсказать будущее – пара пустяков.