Tento článek poskytuje přesné algebraické výrazy pro některá trigonometrická čísla . Takové výrazy mohou být požadovány například pro převedení výsledků výrazů s goniometrickými funkcemi do radikální formy, což umožňuje další zjednodušení.
Jakékoli goniometrické číslo je algebraické . Některá trigonometrická čísla mohou být vyjádřena v komplexních radikálech , ale ne vždy ve skutečných: zejména mezi hodnotami goniometrických funkcí v úhlech vyjádřených v celých stupních mohou být pouze hodnoty v těch z nich vyjádřeno ve skutečných radikálech , počet stupňů ve kterých je násobkem tří. Ale podle Abelova teorému existují i takové, které jsou v radikálech nerozhodnutelné.
Podle Nivenovy věty je hodnota sinus s racionálním argumentem ve stupních buď iracionální , nebo se rovná jednomu z čísel mezi , , , , .
Podle Bakerovy věty , jestliže sinus , kosinus nebo tečna v daném bodě dává algebraické číslo , pak je jejich argument ve stupních buď racionální , nebo transcendentální . Jinými slovy, pokud je argument ve stupních algebraický a iracionální , pak hodnoty všech goniometrických funkcí z tohoto argumentu budou transcendentální .
Hodnoty pro goniometrické funkce argumentu srovnatelné s jsou vyjádřitelné v reálných radikálech pouze v případě, že jmenovatel redukovaného racionálního zlomku získaného jeho dělením je mocnina dvou násobená součinem několika Fermatových prvočísel (viz Gauss-Wanzelova věta ). Tato stránka je věnována především úhlům vyjádřeným ve skutečných radikálech.
Pomocí vzorce polovičního úhlu lze získat algebraické výrazy pro hodnoty goniometrických funkcí v jakémkoli úhlu, pro který již byly nalezeny, rozdělené na polovinu. Zejména pro úhly ležící na intervalu od do platí vzorce
a . _Níže uvedené výrazy také umožňují získat výrazy v komplexních radikálech pro hodnoty goniometrických funkcí v těch úhlech, ve kterých nejsou vyjádřeny ve skutečných. Například, daný vzorec pro úhel, vzorec pro3lze získat řešením následující rovnice třetího stupně :
Při jeho obecném řešení však mohou vznikat komplexní nereálná čísla (tento případ se nazývá casus ireducibilis ).
Existují různé jednotky pro měření úhlů , například stupně , radiány , otáčky , grady (gony) .
Tato tabulka ukazuje převody z jedné míry na druhou a hodnoty goniometrických funkcí z nejběžnějších úhlů:
Obraty | stupně | radiány | Grady (gons) | Sinus | Kosinus | Tečna |
---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0° | 0 | 0 | 0 | jeden | 0 |
jeden12 | 30° | 6 | 33jeden | jeden2 | √ 32 | √ 33 |
jedenosm | 45° | čtyři | padesáti | √2 _2 | √2 _2 | jeden |
jeden6 | 60° | 3 | 662 | √ 32 | jeden2 | √ 3 |
jedenčtyři | 90° | 2 | 100 | jeden | 0 | |
jeden3 | 120° | 23 | 133jeden | √ 32 | −jeden2 | − √ 3 |
3osm | 135° | 3čtyři | 150 | √2 _2 | −√2 _2 | −1 |
512 | 150° | 56 | 1662 | jeden2 | −√ 32 | −√ 33 |
jeden2 | 180° | 200 | 0 | −1 | 0 | |
712 | 210° | 76 | 233jeden | −jeden2 | −√ 32 | √ 33 |
5osm | 225° | 5čtyři | 250 | −√2 _2 | −√2 _2 | jeden |
23 | 240° | čtyři3 | 2662 | −√ 32 | −jeden2 | √ 3 |
3čtyři | 270° | 32 | 300 | −1 | 0 | |
56 | 300° | 53 | 333jeden | −√ 32 | jeden2 | − √ 3 |
7osm | 315° | 7čtyři | 350 | −√2 _2 | √2 _2 | −1 |
jedenáct12 | 330° | jedenáct6 | 3662 | −jeden2 | √ 32 | −√ 33 |
jeden | 360° | 2 | 400 | 0 | jeden | 0 |
Hodnoty goniometrických funkcí v úhlech, které nejsou v intervalu od do, jsou jednoduše odvozeny z hodnot v úhlech tohoto intervalu pomocí redukčních vzorců . Všechny úhly jsou zapsány ve stupních a radiánech , přičemž převrácená hodnota činitele před výrazem pro daný úhel je jediným číslem ve Schläfliho symbolu pravidelného (případně stelovaného) mnohoúhelníku s vnějším úhlem rovným danému.
Jsou uvedeny pouze vzorce, které nepoužívají odmocniny stupně větší než . Protože (podle Moivreovy věty ) v množině komplexních čísel vede extrahování kořene z celočíselného stupně n k n různým hodnotám, pak pro kořeny 3. a 5. stupně nereálných čísel, které se objevují v této části níže, je by měla mít hlavní hodnotu rovnou odmocnině s největší reálnou částí: je vždy kladná. Proto jsou součty kořenů 3. nebo 5. stupně komplexně sdružených čísel , které se objevují v tabulce, také kladné. Tangenta je uvedena v případech, kdy ji lze zapsat mnohem snadněji než poměr sinusových a kosinových záznamů.
V některých případech níže se používají dvě čísla , která mají vlastnost, že .
Jednou z běžných a vizuálních metod pro odvození vzorců pro ( n a o jsou celá čísla) je vyřešit rovnici x n = 1, to znamená najít komplexní kořeny 1 . V tomto případě jsou kosinus a sinus samy o sobě stejné , resp . Tato metoda je odůvodněna De Moivreovou větou :
jestliže je modul a je argumentem komplexního čísla, pak všechny kořeny stupně celého čísla od jsou vyjádřeny čísly , kterými prochází množina celých čísel |
Tento teorém je zase dokázán tvrzením, že když se násobí komplexní čísla, jejich moduly se násobí a argumenty se přidávají (ten je ekvivalentní goniometrickým identitám pro součet ):
|
Mezi kořeny přirozeného stupně n z 1 jsou ty, které nejsou kořeny žádného jiného přirozeného stupně m < n z 1 - nazývají se primitivními nebo primitivními kořeny n-tého stupně 1 . A polynom, který obsahuje jako kořeny pouze primitivní radikály od 1 as jednotkovou násobností, se nazývá kruhový . Pro n-té kořeny z 1 je stupeň kruhového polynomu roven φ ( n ), kde φ je Eulerova funkce , a je nutně sudý pro n ≥ 3, protože pro n ≥ 3 nejsou všechny primitivní kořeny (mezi nimiž nejsou žádné delší ±1) jsou nereálné a tvoří komplexní konjugované páry.
Pro n ≥ 2 je kruhový polynom symetrický , to znamená, že všechny jeho koeficienty se odrážejí s ohledem na mocninu φ ( n )/2. Pokud n ≥ 3, pak pro řešení rovnice s kruhovým polynomem s φ(n) ( x ) = 0 sudého stupně φ(n) , je třeba symetrický polynom s φ(n) ( x ) vydělit x φ( n) /2 , a pak seskupit mocniny čísla x + 1/ x (to je možné díky symetrii), což se shodou okolností ukáže jako požadovaný kosinus vynásobený 2.
Polynom je rozložen na kruhové faktory , z nichž první má kořen rovný 1 a druhý je polynom 2. stupně. A v obecném případě, abyste vyřešili kvadratickou rovnici, musíte vydělit polynom vedoucím koeficientem (zde se rovná 1) a poté vybrat přesný čtverec, abyste se zbavili monomiálního členu stupně, který je menší než stupeň polynomu o 1, to znamená, že rovnice polynomu se dostane do kanonické podoby :
( kanonický pohled ).
V důsledku toho se spolu s rovnicí ukazuje, že
nebo |
Namísto řešení rovnice jako kvadratického lze symetrický polynom rozdělit x , seskupit kolem x + 1/ x , za předpokladu, že x + 1/ x je požadovaný kosinus vynásobený 2:
|
Kruhový polynom se rovná a abychom našli jeho kořeny, musí být vydělen x 2 , seskupen pomocí mocnin x + 1/ x (redukováno na čtvercový polynom) a rovná se 0:
(požadovaný kosinus vynásobený 2),
|
Symboly . Označte jako
Krok 1 - převedení rovnice do kanonické podobyPo provedení transformací s kruhovým polynomem podobným těm uvedeným pro n \u003d 5 získáme rovnici 3. stupně . Dále, stejně jako v případě kvadratické rovnice, musí být tato rovnice převedena do kanonického tvaru, tj. vydělte obě části rovnice vedoucím koeficientem (jedna) a poté vyberte přesnou krychli, zbavte se členu stupně, který je menší než stupeň polynomu o 1:
( kanonická forma ).
Krok 2 – metoda del FerroMetoda pro řešení kanonických kubických rovnic vešla do historie pod jménem Gerolamo Cardano , ale jako první ji objevil Scipio del Ferro . Skládá se z následujícího: nahraďte požadovanou proměnnou ( ) součtem :
a potom nastavte vztah mezi v a w tak, aby rovnice mohla být redukována na méně než 3. mocninu. Pak se ukáže, že v čísle se faktor musí rovnat nule. V tomto případě a (samotný kosinus) a samotná kubická rovnice je redukována na kvadratickou:
a s přihlédnutím k hlavním hodnotám krychlových kořenů se ukazuje:
kde
|
kde o = 1 ( o = 6) odpovídá m = 0, o = 2 ( o = 5 ) odpovídá m = 1 a o = 3 ( o = 4 ) odpovídá m = 2.
Krok 3 - sinus [2]Nejlepší je hledat sinus ne podle základní goniometrické identity, ale podle vzorce polovičního úhlu, jinak se objeví druhé mocniny čísel a zjednodušení se stane nezřejmým. V důsledku toho jsou všechny primitivní 7. kořeny 1 stejné
|
kde
Symbol . Označte jako
Číslo 9 je rozloženo do prvočinitelů jako 3 2 , takže polynom lze rozložit na kruhové faktory jako Kořeny posledního z nich jsou 3. kořeny čísel (kořeny polynomu ), které jsou naopak primitivní kořeny 3. stupně 1, tedy primitivní 9. kořeny 1 jsou
kde |
Poté (s přihlédnutím k hlavním hodnotám krychlových kořenů) jsou „primitivní“ kosiny a sinusy vyjádřeny jako
|
|
Symbol:
Polynom má kruhové faktory:
Kořeny polynomu jsou přesně opačné než kořeny polynomu (to lze dokázat změnou proměnné na její opak nebo pomocí Vietovy věty ), a proto vypadají takto:
|
kde
Kruhový polynom není příliš jednoduchý a místo hledání jeho kořenů je lepší rozšířit úhel ( o je celé číslo) jako součet , kde o 1 a o 2 jsou nějaká celá čísla.
Poznámka . Na rozdíl od 15 zahrnuje rozklad čísla 9 stejný faktor dvojnásobné násobnosti - a na rozdíl od úhlu , není vždy možné expandovat ve tvaru ( o , o 1 a o 2 jsou celá čísla).
Rozšířením úhlu na součet úhlů můžete vypočítat kosinus a sinus:
Pokud například o = 1, můžete zvolit −1 a 2 jako o 1 a o 2 . Pak
Protože toto Fermatovo číslo je prvočíslo, musíme, stejně jako v případě n = 3, n = 5 a n = 7, nejprve vydělit kruhový polynom x 8 a nahradit jej nějakou proměnnou b = x + 1/ x — dostáváme
Symbol. Kořeny polynomu označíme jako
Krok 2 [3]Kořeny polynomu se nejlépe nenacházejí prostřednictvím jeho koeficientů, ale pomocí skutečnosti, že jeho kořeny jsou zdvojené kosiny. K tomu je třeba nějak rozložit všechny jeho kořeny na dva součty S 1 a S 2 , najít S 1 + S 2 a S 1 S 2 a pomocí Vietovy věty odvodit rovnici pro S 1 a S 2 , řešit což dostaneme S 1 a S 2 .
Přesněji řečeno, kořeny polynomu musí být rozděleny v mocninách dvou :
Součet S 1 + S 2 je roven součtu všech odmocnin , což znamená, že podle Vietovy věty je roven −1 a součin se nalézá pomocí kosinusového vzorce součinu.
(podle vzorce kosinusu produktu)
Pak dostaneme kvadratickou rovnici s kořeny a ty jsou rozděleny takto:
Členy uzavřené v S 1 a S 2 je třeba opět rozdělit na polovinu součty, navíc mocninami čtyř - a tvoří se čtyři čísla:
Součet (kde m prochází množinou {1, 2}) je roven a součin (podle stejného vzorce ) je roven −1 (pro m = 1 a pro m = 2), což znamená, že Vietův teorém, získáme kvadratickou rovnici pro T :
Ve 2. a 3. fázi pokaždé „rozdělíme“ částky na polovinu. Zde uděláme totéž a tím se již dostaneme k samotným kořenům (čísla b o /17 ). Částky jsou:
a odpovídající díla:
Po sestavení všech požadovaných kvadratických rovnic získáme požadované kosiny :
kde .
Potřebujeme vydělit kruhový polynom x 6 a nahradit x + 1/ x nějakou proměnnou b - dostaneme polynomická prvočísla a za druhé stupně polynomů ( což odpovídá n = 13) a ( n = 17) jsou složená čísla - proto existuje takové podezření, že kořeny polynomu je třeba najít podle stejného principu jako v 7. příkladu: a zde musíte nejprve odvodit a vyřešit kvadratickou rovnici a teprve potom - kubickou rovnici .
Symbol . Kořeny polynomu označíme jako
Krok 1Všech šest kořenů uvedeného polynomu rozložíme na dva součty S 1 , S 2 a na mocniny trojice:
a vypočítat následující veličiny pomocí identity
po obdržení rovnice , jejíž řešením dostaneme:
Krok 2S 1 a S 2 jsou známé - nyní s jejich pomocí musíte odvodit kubické rovnice pro b . Pro demonstraci zvolíme např. kořeny zahrnuté v součtu S 1 . Pak musíte najít následující množství:
k získání rovnice Vietovou větou. Pokud spolu s kořeny obsaženými v S 1 zahrneme i kořeny obsažené v S 2 , výsledkem je rovnice .
Krok 3 - kanonizace( kanonická forma )
(takže v odpovědi byl jmenovatel okamžitě vyjmut zpod kořene).
Krok 4 je řešením kanonické rovnice
kde m prochází {0, 1, 2} a
Například objem pravidelného dvanáctistěnu s délkou hrany může být dán vzorcem:
Pokud použijeme výrazy
vzorec lze zjednodušit na
Odvození hodnot sinus , kosinus a tečna v radikálním tvaru je založeno na možnosti sestrojit pravidelné mnohoúhelníky pomocí kružítka a pravítka .
Zde se k výpočtu základních trigonometrických poměrů používají pravoúhlé trojúhelníky vytvořené řezy podél os symetrie pravidelných mnohoúhelníků. V každém z pravoúhlých trojúhelníků jsou vrcholy:
Pravidelný n - úhelník lze rozdělit na 2n trojúhelníky s rohy180n0,90 180n, 90 stupňů pro n větší nebo rovné 3. Možnost sestrojit pomocí kružítka a pravítka trojúhelník, čtverec, pěti- a patnáctiúhelník - v základně, úhlové osy umožňují i mnohoúhelníky s počtem stran rovným mocnina dvou, vynásobená počtem stran daného mnohoúhelníku.
Sinus a kosinus 0, 30, 45, 60 a 90 stupňů lze vypočítat z odpovídajících pravoúhlých trojúhelníků pomocí Pythagorovy věty.
Při použití radiánů lze sinus a kosinus / 2 n vyjádřit v radikálové formě rekurzivní aplikací následujících vzorců:
; atd. ; atd.Například:
; ; ; ; ;atd.
atd.
atd.
atd.
Pokud a pak
Pak pomocí indukce dostaneme to
;Výše aplikovanou indukci lze stejným způsobem aplikovat na jakákoli Fermatova prvočísla (F 3 =2 2 3 +1=2 8 +1= 257 ; F 4 =2 2 4 +1=2 16 +1= 65537 ), násobky jejichž hodnoty sinus a kosinus existují v radikální podobě, ale jsou příliš dlouhé na to, abychom je zde vyjmenovali.
; ;D = 2 32 - 1 = 4294967295 je největší aktuálně známý lichý celočíselný jmenovatel, pro který jsou známy radikálové formy sin( /D) a cos ( /D). Použitím radikálních forem množství z výše uvedených sekcí a použitím pravidla indukcí dostaneme -
; ;Proto s použitím radikálních forem množství z výše uvedených sekcí a použitím pravidla indukcí dostaneme -
; ;Nakonec s použitím radikálních forem množství z výše uvedených sekcí a použitím pravidla indukcí dostaneme -
; ;Radikální forma popisu uvedeného výše je velmi rozsáhlá, a proto je vyjádřena jednodušším způsobem (jak je uvedeno výše).
Aplikováním Ptolemaiovy nerovnosti na vepsaný čtyřúhelník ABCD definovaný čtyřmi po sobě jdoucími vrcholy pětiúhelníku zjistíme, že:
což je recipročníjedenφve vztahu ke zlatému řezu . crd je funkcí délky tětivy,
Což znamená
(Můžete se také obejít bez Ptolemaiovy nerovnosti. Nechť X označuje průsečík AC a BD a všimněte si, že trojúhelník AXB je rovnoramenný , a tedy AX = AB = a . Trojúhelníky AXD a CXB jsou podobné , protože AD je rovnoběžné s BC XC = a (Ab). Ale AX + XC = AC, takže + a 2b = b . Po vyřešení výsledku to mámeAb = jedenφ, jak bylo získáno dříve).
Podobný
což znamená
Algebraická metodaJe-li θ 18° nebo −54°, pak 2θ a 3θ se zmenší na 5θ = 90° nebo −270°, takže .
Dále , co děláTudíž,
a a aTaké víceúhlové vzorce pro funkce 5 x , kde x ∈ {18, 36, 54, 72, 90} a 5 x ∈ {90, 180, 270, 360, 450}, lze řešit pro funkce x , protože známe hodnoty funkcí z 5 x . Níže jsou uvedeny vzorce pro více úhlů:
V zásadě vnořené radikály nejsou zjednodušené. Ale pokud
kde a , b a c jsou racionální čísla, dostaneme to
racionální, pak oba výrazy
Racionální; tudíž
Například,
Trigonometrie | |
---|---|
Všeobecné |
|
Adresář | |
Zákony a věty | |
Matematická analýza |