Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Углы первичного решения в форме (cos, sin) на единичной окружности кратны 30 и 45 градусам.

Иногда полезны точные алгебраические выражения для тригонометрических значений , в основном для упрощения решений до радикальных форм, которые позволяют дальнейшее упрощение.

Все тригонометрические числа - синусы или косинусы рациональных кратных 360 ° - являются алгебраическими числами (решениями полиномиальных уравнений с целыми коэффициентами); более того, они могут быть выражены в терминах радикалов комплексных чисел ; но не все из них можно выразить в терминах реальных радикалов. Когда они есть, их можно выразить более конкретно в терминах квадратных корней.

Все значения синусов, косинусов и тангенсов углов с шагом 3 ° выражаются в терминах квадратных корней, используя тождества - идентичность половинный угол , то идентичность двойной угол , а идентичность угла сложение / вычитание - и с использованием значений для 0 °, 30 °, 36 ° и 45 °. Для угла целого числа градусов, не кратного 3 ° (π/60 радианы ), значения синуса, косинуса и тангенса нельзя выразить в терминах действительных радикалов.

Согласно теореме Нивена , единственные рациональные значения синусоидальной функции, аргументом которой является рациональное число степеней, равны 0, 1/2, 1, -1/2, и −1.

Согласно теореме Бейкера , если значение синуса, косинуса или тангенса является алгебраическим, то угол является либо рациональным числом градусов, либо трансцендентным числом градусов. То есть, если угол представляет собой алгебраическое, но нерациональное число градусов, все тригонометрические функции имеют трансцендентные значения.

Сфера применения этой статьи [ править ]

Список в этой статье неполон в нескольких смыслах. Во-первых, тригонометрические функции всех углов, которые являются целыми кратными указанным, также могут быть выражены в радикалах, но некоторые из них здесь опущены.

Во-вторых, всегда можно применить формулу половинного угла, чтобы найти выражение в радикалах для тригонометрической функции половины любого угла в списке, затем половины этого угла и т. Д.

В-третьих, выражения в вещественных радикалах существуют для тригонометрической функции рационального кратного π тогда и только тогда, когда знаменатель полностью приведенного рационального кратного является степенью 2 сама по себе или произведением степени 2 на произведение различных Ферма. простые числа , из которых известны 3, 5, 17, 257 и 65537.

В-четвертых, в данной статье рассматриваются значения тригонометрических функций только тогда, когда выражение в радикалах выражается в действительных радикалах - корнях действительных чисел. Значения многих других тригонометрических функций выражаются, например, в виде кубических корней комплексных чисел, которые нельзя переписать в терминах корней действительных чисел. Например, значения тригонометрической функции любого угла, который составляет одну треть угла θ, рассматриваемого в этой статье, могут быть выражены в кубических корнях и квадратных корнях с помощью формулы кубического уравнения для решения

но в общем случае решение косинуса одной трети угла включает кубический корень из комплексного числа (что дает casus unducibilis ).

На практике все значения синусов, косинусов и тангенсов, не указанные в этой статье, аппроксимируются с использованием методов, описанных в тригонометрических таблицах .

Некоторые углы [ править ]

Значения вне диапазона углов [0 °, 45 °] тривиально выводятся из следующих значений с использованием симметрии отражения оси окружности . (См. Список тригонометрических отождествлений .)

В приведенных ниже записях, когда определенное количество градусов связано с правильным многоугольником, соотношение состоит в том, что количество градусов в каждом углу многоугольника в ( n  - 2) раз больше указанного числа градусов (где n - число сторон). Это потому, что сумма углов любого n -угольника равна 180 ° × ( n  - 2), и поэтому мера каждого угла любого правильного n -угольника равна 180 ° × ( n  - 2) ÷  n . Так, например, запись «45 °: квадрат» означает, что при n  = 4 180 ° ÷  n = 45 °, а количество градусов в каждом углу квадрата составляет ( n  - 2) × 45 ° = 90 °. .

0 °: фундаментальный [ править ]

1,5 °: правильный гекатоникосагон (120-сторонний многоугольник) [ править ]

1.875 °: правильный эннаконтахексагон (96-сторонний многоугольник) [ править ]

2.25 °: правильный восьмиугольник (80-сторонний многоугольник) [ править ]

2,8125 °: правильный гексаконатетрагон (64-сторонний многоугольник) [ править ]

3 °: правильный шестиугольник (многоугольник с 60 сторонами) [ править ]

3.75 °: правильный четырехугольник (48-сторонний многоугольник) [ править ]

4.5 °: правильный четырехугольник (40-сторонний многоугольник) [ править ]

5.625 °: обычный триаконтадигон (32-сторонний многоугольник) [ править ]

6 °: правильный триаконтагон (30-сторонний многоугольник) [ править ]

7.5 °: правильный икоситетракон (24-сторонний многоугольник) [ править ]

9 °: правильный икосугольник (20-сторонний многоугольник) [ править ]

11,25 °: правильный шестиугольник (16-сторонний многоугольник) [ править ]

12 °: правильный пятиугольник (15-сторонний многоугольник) [ править ]

15 °: правильный двенадцатигранник (12-сторонний многоугольник) [ править ]

18 °: правильный десятиугольник (10-сторонний многоугольник) [1] [ править ]

21 °: сумма 9 ° + 12 ° [ править ]

22,5 °: правильный восьмиугольник [ править ]

, соотношение серебра

24 °: сумма 12 ° + 12 ° [ править ]

27 °: сумма 12 ° + 15 ° [ править ]

30 °: правильный шестиугольник [ править ]

33 °: сумма 15 ° + 18 ° [ править ]

36 °: правильный пятиугольник [ править ]

[1]
где φ - золотое сечение ;

39 °: сумма 18 ° + 21 ° [ править ]

42 °: сумма 21 ° + 21 ° [ править ]

45 °: квадрат [ править ]

54 °: сумма 27 ° + 27 ° [ править ]

60 °: равносторонний треугольник [ править ]

67,5 °: сумма 7,5 ° + 60 ° [ править ]

72 °: сумма 36 ° + 36 ° [ править ]

75 °: сумма 30 ° + 45 ° [ править ]

90 °: основной [ править ]

Список тригонометрических констант 2π / n [ править ]

Для кубических корней нереальных чисел, которые появляются в этой таблице, нужно взять главное значение , то есть кубический корень с наибольшей действительной частью; эта самая большая действительная часть всегда положительна. Таким образом, суммы кубических корней, представленные в таблице, являются положительными действительными числами.

Заметки [ править ]

Использование констант [ править ]

В качестве примера использования этих констант рассмотрим объем правильного додекаэдра , где а - длина ребра:

С использованием

это можно упростить до:

Деривационные треугольники [ править ]

Правильный многоугольник ( n- сторонний) и его основной прямоугольный треугольник. Углы: a  = 180 °/пи b  = 90 (1 - 2/п) °

Преобразование констант синуса, косинуса и тангенса в радиальные формы основано на конструктивности прямоугольных треугольников.

Здесь прямоугольные треугольники, составленные из секций симметрии правильных многоугольников, используются для вычисления фундаментальных тригонометрических соотношений. Каждый прямоугольный треугольник представляет три точки в правильном многоугольнике: вершину, центр края, содержащего эту вершину, и центр многоугольника. П -угольник можно разделить на 2 п правильных треугольников с углами180/п, 90 - 180/п, 90 градусов, для n в 3, 4, 5,…

Конструируемость 3-, 4-, 5- и 15-сторонних многоугольников является основой, а биссектрисы углов также позволяют получить значения, кратные двум.

  • Конструируемый
    • 3 × 2 n- сторонних правильных многоугольника для n = 0, 1, 2, 3, ...
      • 30 ° -60 ° -90 ° треугольник: треугольник (3-сторонний)
      • Треугольник 60 ° -30 ° -90 °: шестигранник (6-гранный)
      • 75 ° -15 ° -90 ° треугольник: двенадцатиугольник (12-сторонний)
      • Треугольник 82,5 ° -7,5 ° -90 °: икоситетракон (24-гранный)
      • 86,25 ° -3,75 ° -90 ° треугольник: тетраконтаоктагон (48 сторон )
      • 88,125 ° -1,875 ° -90 ° треугольник: enneacontahexagon (96-гранный)
      • 89,0625 ° -0,9375 ° -90 ° треугольник: 192-угольник
      • 89,53125 ° -0,46875 ° -90 ° треугольник: 384-угольник
      • ...
    • 4 × 2 н- сторонний
      • 45 ° -45 ° -90 ° треугольник: квадрат (4-сторонний)
      • Треугольник 67,5 ° -22,5 ° -90 °: восьмиугольник (8-гранный)
      • 78,75 ° -11,25 ° -90 ° треугольник: шестиугольник (16 сторон )
      • Треугольник 84,375 ° -5,625 ° -90 °: триаконтадигон (32-гранный)
      • 87,1875 ° -2,8125 ° -90 ° треугольник: гексаконатетрагон (64-сторонний)
      • 88.09375 ° -1.40625 ° -90 ° треугольник: 128-угольник
      • 89,046875 ° -0,703125 ° -90 ° треугольник: 256-угольник
      • ...
    • 5 × 2 н- сторонний
      • Треугольник 54 ° -36 ° -90 °: пятиугольник (5-гранный)
      • Треугольник 72 ° -18 ° -90 °: десятиугольник (10-гранный)
      • Треугольник 81 ° -9 ° -90 °: икосугольник (20-гранный)
      • Треугольник 85,5 ° -4,5 ° -90 °: четырехугольник (40-гранный)
      • Треугольник 87,75 ° -2,25 ° -90 °: восьмиугольник (80-гранный)
      • 88,875 ° -1,125 ° -90 ° треугольник: 160-угольник
      • 89,4375 ° -0,5625 ° -90 ° треугольник: 320-угольник
      • ...
    • 15 × 2 n- стор.
      • Треугольник 78 ° -12 ° -90 °: пятиугольник (15-гранный)
      • Треугольник 84 ° -6 ° -90 °: триаконтагон (30-гранный)
      • Треугольник 87 ° -3 ° -90 °: шестиугольник (60-гранный)
      • Треугольник 88,5 ° -1,5 ° -90 °: гекатоникосагон (120-гранный)
      • 89,25 ° -0,75 ° -90 ° треугольник: 240-угольник
    • ...
Существуют также более высокие конструктивные правильные многоугольники: 17 , 51, 85, 255, 257 , 353, 449, 641, 1409, 2547, ..., 65535, 65537 , 69481, 73697, ..., 4294967295.)
  • Неконструируемый (с целыми углами или углами в половину градуса) - Никакие конечные радикальные выражения, включающие действительные числа для этих соотношений сторон треугольника, невозможны, поэтому его кратные двум также невозможны.
    • 9 × 2 n- сторонний
      • Треугольник 70 ° -20 ° -90 °: enneagon (9-гранный)
      • Треугольник 80 ° -10 ° -90 °: восьмиугольник (18 сторон)
      • Треугольник 85 ° -5 ° -90 °: триаконтагексагон (36 сторон)
      • Треугольник 87,5 ° -2,5 ° -90 °: гептаконтадигон (72-гранный)
      • ...
    • 45 × 2 n- стор.
      • Треугольник 86 ° -4 ° -90 °: четырехугольник (45-гранный)
      • Треугольник 88 ° -2 ° -90 °: энконтагон (90-гранный)
      • Треугольник 89 ° -1 ° -90 °: 180-угольник
      • Треугольник 89,5 ° -0,5 ° -90 °: 360-угольник
      • ...

Расчетные тригонометрические значения синуса и косинуса [ править ]

Тривиальные значения [ править ]

В градусном формате sin и cos 0, 30, 45, 60 и 90 могут быть вычислены из их прямоугольных треугольников, используя теорему Пифагора.

В радианах sin и cos числа π / 2 n могут быть выражены в радикальном формате, рекурсивно применяя следующее:

и так далее.
и так далее.

Например:

а также
а также
а также
а также
а также

и так далее.

Радикальная форма, грех и соз π/(3 × 2 п )[ редактировать ]

а также
а также
а также
а также
а также
а также

и так далее.

Радикальная форма, грех и соз π/(5 × 2 п )[ редактировать ]

(Следовательно )
а также
а также
а также
а также
а также

и так далее.

Радикальная форма, грех и соз π/(5 × 3 × 2 п )[ редактировать ]

а также
а также
а также
а также
а также

и так далее.

Радикальная форма, грех и соз π/(17 × 2 п )[ редактировать ]

Если и тогда

Следовательно, применяя индукцию:

а также

Радикальная форма, грех и соз π/(257 × 2 п ) а также π/(65537 × 2 п )[ редактировать ]

Вышеуказанная индукция может быть применена таким же образом ко всем остальным простым числам Ферма (F 3 = 2 2 3 + 1 = 2 8 + 1 = 257 и F 4 = 2 2 4 + 1 = 2 16 + 1 = 65537 ), множители π , радикальные выражения cos и sin которых, как известно, существуют, но их здесь очень много.

а также
а также

Радикальная форма, грех и соз π/(255 × 2 п ), π/(65535 × 2 п ) а также π/(4294967295 × 2 п )[ редактировать ]

D = 2 32 - 1 = 4 294 967 295 - это наибольший нечетный целочисленный знаменатель, для которого, как известно, существуют радикальные формы для sin ( π / D) и cos ( π / D).

Используя значения радикальной формы из приведенных выше разделов и применяя cos (AB) = cosA cosB + sinA sinB с последующей индукцией, мы получаем -

а также
а также

Следовательно, используя значения радикальной формы из приведенных выше разделов и применяя cos (AB) = cosA cosB + sinA sinB с последующей индукцией, мы получаем -

а также
а также

Наконец, используя значения радикальной формы из приведенных выше разделов и применяя cos (AB) = cosA cosB + sinA sinB с последующей индукцией, мы получаем -

а также
а также

Расширение радикальной формы вышеупомянутого очень велико, поэтому выражено в более простой форме выше.

п ×π/(5 × 2 м )[ редактировать ]

Хорда (36 °) = а/б знак равно 1/φ, т.е. величина, обратная золотому сечению , из теоремы Птолемея

Геометрический метод [ править ]

Применяя теорему Птолемея к вписанному четырехугольнику ABCD, определяемому четырьмя последовательными вершинами пятиугольника, мы можем найти, что:

что является обратным 1/φот золотого сечения . crd - функция аккорда ,

(См. Также таблицу аккордов Птолемея .)

Таким образом

(В качестве альтернативы, без использования теоремы Птолемея, обозначьте как X пересечение AC и BD и обратите внимание, учитывая углы, что треугольник AXB равнобедренный , поэтому AX = AB =  a . Треугольники AXD и CXB подобны , потому что AD параллелен BC. Итак, XC =  a · (а/б). Но AX + XC = AC, поэтому a  + а 2/б =  б . Решение этого даета/б знак равно 1/φ, как указано выше).

по аналогии

так

Алгебраический метод [ править ]

Если θ равно 18 ° или -54 °, тогда 2θ и 3θ в сумме дают 5θ = 90 ° или -270 °, поэтому sin 2θ равен cos 3θ.

Итак , что подразумевает

Следовательно,

и и
а также

Альтернативно, многоугловые формулы для функций 5 x , где x  ∈ {18, 36, 54, 72, 90} и 5 x  ∈ {90, 180, 270, 360, 450}, могут быть решены для функций x , поскольку мы знаем значения функции 5 x . Формулы для нескольких углов:

  • Когда sin 5 x  = 0 или cos 5 x  = 0, мы полагаем y  = sin  x или y  = cos x и решаем относительно y :
Одно решение равно нулю, и полученное уравнение четвертой степени может быть решено как квадратичное по y 2 .
  • Когда sin 5 x  = 1 или cos 5 x  = 1, мы снова полагаем y  = sin  x или y  = cos x и решаем относительно y :
что влияет на:

п ×π/20[ редактировать ]

9 ° - это 45 - 36, а 27 ° - это 45 - 18; поэтому мы используем формулы вычитания для синуса и косинуса.

п ×π/30[ редактировать ]

6 ° - это 36-30, 12 ° - это 30-18, 24 ° - это 54-30, и 42 ° - это 60-18; поэтому мы используем формулы вычитания для синуса и косинуса.

п ×π/60[ редактировать ]

3 ° - это 18–15, 21 ° - это 36–15, 33 ° - это 18 + 15, а 39 ° - это 54–15, поэтому мы используем формулы вычитания (или сложения) для синуса и косинуса.

Стратегии упрощения выражений [ править ]

Рационализация знаменателя [ править ]

Если знаменатель является квадратным корнем, умножьте числитель и знаменатель на этот радикал. Если знаменатель представляет собой сумму или разность двух членов, умножьте числитель и знаменатель на сопряжение знаменателя. Сопряжение идентично, за исключением того, что знак между терминами изменен. Иногда знаменатель нужно рационализировать более одного раза.

Разделение дроби на две [ править ]

Иногда помогает разбить дробь на сумму двух дробей, а затем упростить обе по отдельности.

Возведение в квадрат и извлечение квадратного корня [ править ]

Этот план может помочь, если есть сложный термин, в котором есть только один вид радикалов. Возведите термин в квадрат, объедините одинаковые термины и извлеките квадратный корень. Это может оставить большой радикал с меньшим радикалом внутри, но часто он лучше, чем оригинал.

Упрощение вложенных радикальных выражений [ править ]

В общем случае вложенные радикалы не могут быть уменьшены. Но радикальный

с рациональными a , b и c можно уменьшить, если

рационально. В этом случае оба

рациональны, и у нас есть

Например,

См. Также [ править ]

  • Конструируемый многоугольник , для которого косинус или синус каждого угла имеет точное выражение в квадратных корнях.
  • Гептадекагональная конструкция , дающая точное выражение для cos 2 π/17
  • Список тригонометрических тождеств
  • Теорема Нивена о рациональных значениях синуса рационального кратного числа π
  • Таблица аккордов Птолемея
  • Тригонометрические функции
  • Тригонометрическое число , значение тригонометрической функции рационального кратного π
  • Единицы измерения угла

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Брэди, Брайан (сентябрь 2002 г.). «Точные значения синуса и косинуса, кратных 18 °: геометрический подход». Журнал математики колледжа . 33 (4): 318–319. DOI : 10.2307 / 1559057 . JSTOR  1559057 .
  • Вайсштейн, Эрик В. «Конструируемый многоугольник» . MathWorld .
Вайсштейн, Эрик В. "Углы тригонометрии" . MathWorld .
  • π / 3 (60 °) - π / 6 (30 °) - π / 12 (15 °) - π / 24 (7,5 °)
  • π / 4 (45 °) - π / 8 (22,5 °) - π / 16 (11,25 °) - π / 32 (5,625 °)
  • π / 5 (36 °) - π / 10 (18 °) - π / 20 (9 °)
  • π / 7 - π / 14
  • π / 9 (20 °) - π / 18 (10 °)
  • π / 11
  • π / 13
  • π / 15 (12 °) - π / 30 (6 °)
  • π / 17
  • π / 19
  • π / 23
  • Бракен, Пол; Чижек, Иржи (2002). «Оценка сумм квантово-механических возмущений в терминах квадратичных сурдов и их использование в приближении ζ (3) / π 3 ». Int. J. Quantum Chem . 90 (1): 42–53. DOI : 10.1002 / qua.1803 .
  • Конвей, Джон Х .; Радин, Чарльз ; Садун, Лоренцо (1999). «Об углах, квадраты тригонометрических функций которых рациональны». Диск. И комп. Геом . 22 (3): 321–332. arXiv : math-ph / 9812019 . DOI : 10.1007 / PL00009463 . Руководство по ремонту  1706614 .
  • Гирстмэр, Курт (1997). «Некоторые линейные отношения между значениями тригонометрических функций при k π / n » . Acta Arithmetica . 81 (4): 387–398. DOI : 10,4064 / аа-81-4-387-398 . Руководство по ремонту  1472818 .
  • Гурак, С. (2006). «О минимальном многочлене периодов Гаусса для простых степеней» . Математика вычислений . 75 (256): 2021–2035. Bibcode : 2006MaCom..75.2021G . DOI : 10.1090 / S0025-5718-06-01885-0 . Руководство по ремонту  2240647 .
  • Серви, LD (2003). «Вложенные квадратные корни из 2». Амер. Математика. Ежемесячно . 110 (4): 326–330. DOI : 10.2307 / 3647881 . JSTOR  3647881 . Руководство по ремонту  1984573 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Конструируемые правильные многоугольники
  • Именование полигонов
  • Синус и косинус в Surds в некоторых случаях включают альтернативные выражения, а также выражения для некоторых других углов.