Перейти до основного вмісту
Каталог

Формули додавання й подвійного кута

~20 хв · 9 розділів · 12 тестових запитань

Перетворення виразів
Математика НМТ

Частина кар’єрної траєкторії НМТ 2027: 3 обов’язкові + українська література.

Обчислюй sin 75° або cos 15° через табличні кути, згортай sin·cos ± cos·sin у синус суми, застосовуй 2 sin α cos α = sin 2α і вибирай потрібну форму cos 2α для спрощення виразів на НМТ.

Формули додавання

Формули додавання — це основа для обчислення тригонометричних функцій кутів, яких немає в стандартній таблиці (15°, 75°, 105° тощо). Вони виражають синус і косинус суми або різниці двох кутів через синуси й косинуси цих кутів:

Зверни особливу увагу на знаки в косинусі: у формулі cos(α ± β) знак між добутками cos·cos і sin·sin є протилежним до знака між кутами. Тобто cos(α + β) має мінус (cos α cos β − sin α sin β), а cos(α − β) — плюс (cos α cos β + sin α sin β). Це найчастіша причина помилок під час застосування формул.

Чи є формули в довідці НМТ?

Формул додавання в довідці немає. Програма НМТ (тема 1.3) вимагає вміти їх застосовувати, але самі формули треба знати напам’ять. Тому вивчи їх як таблицю множення — без них не обійтися ні в обчисленнях, ні в завданнях на спрощення.

Обчислення через табличні кути: sin 75° і cos 15°

Кути 75° і 15° не є табличними, але їх можна подати як суму або різницю табличних кутів (30°, 45°, 60°). Ось як це працює.

Обчислимо sin 75°. 75° = 45° + 30°, тому:

Обчислимо cos 15°. 15° = 45° − 30°, тому:

Цікаво, що sin 75° і cos 15° мають однакове значення (√6 + √2)/4 — це не випадково, адже sin 75° = cos 15° (формула зведення: sin(90° − α) = cos α).

Поширена омана: sin(α + β) ≠ sin α + sin β

Синус суми не дорівнює сумі синусів! Це груба помилка. Перевір на конкретному прикладі: sin 90° = 1, а sin 45° + sin 45° = √2/2 + √2/2 = √2 ≈ 1,41. Як бачиш, 1 ≠ √2. Ніколи не «розподіляй» синус або косинус на окремі доданки — завжди застосовуй правильну формулу додавання.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Згортання виразів за формулами додавання

Формули додавання працюють в обидва боки. Якщо ти бачиш вираз, що складається з добутків sin·cos ± cos·sin або cos·cos ∓ sin·sin, його можна «згорнути» в синус або косинус одного кута. Це називають згортанням тригонометричного виразу.

Як розпізнати згортання

Структура виразу

Формула згортання

Приклад

Результат

sin · cos + cos · sin

sin(α + β)

sin 40° cos 20° + cos 40° sin 20°

sin 60° = √3/2

sin · cos − cos · sin

sin(α − β)

sin 50° cos 20° − cos 50° sin 20°

sin 30° = 1/2

cos · cos − sin · sin

cos(α + β)

cos 75° cos 15° − sin 75° sin 15°

cos 90° = 0

cos · cos + sin · sin

cos(α − β)

cos 70° cos 10° + sin 70° sin 10°

cos 60° = 1/2

Ключова підказка: у структурі sin·cos ± cos·sin обидва добутки містять по одному синусу й одному косинусу — це синус суми або різниці. А в структурі cos·cos ∓ sin·sin обидва добутки — або косинуси, або синуси — це косинус суми або різниці.

Приклади згортання з буквами

Формули додавання допомагають спрощувати й буквені вирази. Розгляньмо кілька:

1) cos(α − β) − cos(α + β). Розпишемо кожен доданок:

2) sin(α + β) − sin α cos β. Розпишемо перший доданок:

Такі спрощення можуть трапитися й у завданнях на встановлення відповідності (логічні пари).

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Формули подвійного кута

Якщо у формулах додавання покласти β = α, то отримаємо формули подвійного кута — тотожності, які виражають синус і косинус кута 2α через синус і косинус кута α:

На відміну від формул додавання, sin 2α і cos 2α є в довідці НМТ. Однак це не означає, що їх не треба розуміти — ти маєш обирати потрібну з трьох форм косинуса подвійного кута залежно від виразу, який спрощуєш.

Зв'язок між формулами додавання і подвійного кута

Формули подвійного кута — окремий випадок формул додавання при β = α: sin 2α = sin(α + α) = sin α cos α + cos α sin α = 2 sin α cos α; cos 2α = cos(α + α) = cos²α − sin²α. Якщо замінити cos²α = 1 − sin²α або sin²α = 1 − cos²α, отримаємо ще дві форми: 1 − 2 sin²α і 2 cos²α − 1.

Рендеринг діаграми…

Застосування справа наліво: згортання до табличного кута

Формули подвійного кута, як і формули додавання, читають в обидва боки. Поглянь, як згорнути вирази до значень табличних кутів:

  • 2 sin 15° cos 15° = sin 30° = 1/2

  • cos²22,5° − sin²22,5° = cos 45° = √2/2

  • 1 − 2 sin²15° = cos 30° = √3/2

  • sin α cos α = ½ sin 2α

Обчислення за відомим значенням синуса

Нехай sin α = , α ∈ (π/2; π). Треба знайти sin 2α і cos 2α.

Крок 1. Визначаємо знак cos α у заданій чверті. Кут α ∈ (π/2; π) — це друга чверть, де косинус відʼємний. Тому cos α < 0.

Крок 2. Знаходимо cos α з основної тригонометричної тотожності:

Крок 3. Обчислюємо sin 2α:

Крок 4. Обчислюємо cos 2α (можна будь-якою з трьох форм, наприклад 1 − 2 sin²α):

Увага: cos 2α знаходимо без урахування чверті кута α — формула cos 2α = 1 − 2 sin²α не потребує знака cos α. Для sin 2α знак cos α є критичним!

Наслідок: формули пониження степеня

З трьох форм cos 2α можна отримати формули пониження степеня — вони виражають квадрати синуса й косинуса через косинус подвійного кута:

У довідці НМТ цих формул також немає. Їх виводять із cos 2α = 1 − 2 sin²α (для sin²α) та cos 2α = 2 cos²α − 1 (для cos²α). Вони стануть у пригоді в завданнях, де потрібно звести вираз із квадратами до першого степеня.

Поширена омана: sin 2α ≠ 2 sin α

Подвійний кут — це не подвоєння функції! sin 60° = √3/2 ≈ 0,866, а 2 sin 30° = 2 · 1/2 = 1. Як бачиш, 0,866 ≠ 1. Формула sin 2α = 2 sin α cos α обов'язково містить cos α, який «коригує» результат.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Спрощення виразів з подвійним кутом

У цьому розділі ми навчимося спрощувати складніші вирази, використовуючи формули подвійного кута. Головне — правильно обрати одну з трьох форм косинуса подвійного кута залежно від того, які функції є у виразі.

Вибір потрібної форми cos 2α

Що є у виразі

Обирай форму

Чому

є 1 і sin²α

cos 2α = 1 − 2 sin²α

sin²α входить з множником 2, який зникає після перенесення

є 1 і cos²α

cos 2α = 2 cos²α − 1

cos²α входить з множником 2, який зникає після перенесення

є різниця cos²α − sin²α

cos 2α = cos²α − sin²α

найпростіша форма, нічого додавати чи віднімати

Квадрат суми й різниці sin α та cos α

Розкриємо дужки у виразі (sin α + cos α)²:

Аналогічно:

Ці співвідношення корисні, коли треба пов'язати суму синуса й косинуса з подвійним кутом.

Різниця четвертих степенів

Спростимо cos⁴α − sin⁴α. Розкладемо як різницю квадратів:

Тут ми скористалися першою формою cos 2α = cos²α − sin²α.

Спрощення дробів

Розгляньмо кілька дробових виразів, які спрощуються через формули подвійного кута:

1) . Застосуймо формулу sin 2α = 2 sin α cos α:

2) . Тут cos 2α = cos²α − sin²α = (cos α − sin α)(cos α + sin α):

3) . Використаємо cos 2α = 1 − 2 sin²α у чисельнику та sin 2α = 2 sin α cos α у знаменнику:

Порада: щоразу, бачачи дріб із тригонометричними функціями, спробуй замінити чисельник або знаменник за формулами подвійного кута, щоб скоротити спільні множники.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Розбираємо завдання

Приклад 1. Обчислити 2 sin 15° cos 15°

Завдання з вибором однієї відповіді з п'яти.

Розв'язання. Вираз 2 sin 15° cos 15° має вигляд правої частини формули подвійного кута sin 2α = 2 sin α cos α. Згортаємо його: 2 sin 15° cos 15° = sin(2·15°) = sin 30° = 1/2.

Відповідь: 1/2.

Розбір дистракторів:

  • √3/2 — взято cos 30° замість sin 30°, плутанина з іншою формулою.

  • √2/2 — можливий результат, якби у виразі було cos²22,5° − sin²22,5°.

  • 1 — кут подвоїли, але зайвий множник 2 залишили: записали 2 sin 30° = 1 замість sin 30° = 1/2.

  • 1/4 — хибне ділення: (sin 30°)/2 або (1/2)·(1/2).

Приклад 2. Обчислити cos 75° cos 15° − sin 75° sin 15°

Завдання з вибором однієї відповіді з п'яти.

Розв'язання. Вираз має структуру cos·cos − sin·sin, що відповідає правій частині формули cos(α + β) = cos α cos β − sin α sin β. Згортаємо: cos 75° cos 15° − sin 75° sin 15° = cos(75° + 15°) = cos 90° = 0.

Відповідь: 0.

Розбір дистракторів:

  • 1/2 — узято cos(75° − 15°) = cos 60°, помилка у виборі знака формули.

  • 1 — результат, якби cos 90° = 1, або помилка у згортанні.

  • √3/2 — хибне згортання в sin 60°.

  • −1 — сплутано знак: cos 90° = −1.

Приклад 3. Логічні пари: вираз ↔ значення

Завдання на встановлення відповідності (№ 17 НМТ). Для кожного виразу (1–3) обери його значення з переліку А–Д.

Вирази:

  1. cos²22,5° − sin²22,5°

  2. sin 40° cos 20° + cos 40° sin 20°

  3. 1 − 2 sin²75°

Значення:

  • А) √2/2

  • Б) √3/2

  • В) −√3/2

  • Г) 1/2

  • Д) 1

Розв'язання.

1) cos²22,5° − sin²22,5° = cos(2·22,5°) = cos 45° = √2/2. Отже, 1–А.

2) sin 40° cos 20° + cos 40° sin 20° = sin(40° + 20°) = sin 60° = √3/2. Отже, 2–Б.

3) 1 − 2 sin²75° = cos(2·75°) = cos 150°. Кут 150° — це друга чверть, косинус у другій чверті від'ємний: cos 150° = −cos 30° = −√3/2. Отже, 3–В.

Відповідь: 1–А, 2–Б, 3–В.

Зайві варіанти Г і Д — пастки: Г = 1/2 отримає той, хто в третьому виразі замість cos 150° обчислить sin 150°; Д = 1 — той, хто сплутає cos²22,5° − sin²22,5° з тотожністю cos²α + sin²α = 1. Якщо ж не врахувати знак у третьому виразі, вийде √3/2 — варіант Б.

Приклад 4. Знайти sin 2α, якщо sin α = 0,6, α ∈ (π/2; π)

Завдання з вибором однієї відповіді з п'яти.

Розв'язання.

Крок 1. Визначаємо знак cos α. Кут α ∈ (π/2; π) — друга чверть, де cos α < 0.

Крок 2. Знаходимо cos α: sin²α = , отже cos²α = 1 − 0,36 = 0,64, cos α = −√0,64 = −0,8.

Крок 3. Обчислюємо sin 2α: sin 2α = 2 sin α cos α = 2 · 0,6 · (−0,8) = −0,96.

Відповідь: −0,96.

Розбір дистракторів:

  • 0,96 — cos α взято додатним (не враховано чверть).

  • 1,2 — помилка sin 2α = 2 sin α, пропущено cos α.

  • 0,28 — обчислено cos 2α замість sin 2α.

  • −0,48 — пропущено множник 2 (узято sin α cos α замість 2 sin α cos α).

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Типові помилки й пастки

  • sin 2α = 2 sin α — забувають множник cos α. Подвійний кут — це подвоєний добуток sin α cos α, а не подвоєний синус. Перевірка: sin 60° = √3/2, а 2 sin 30° = 1.

  • sin(α + β) = sin α + sin β — синус (і косинус) не розподіляються на доданки. Це найгрубіша помилка. sin 90° = 1, а sin 45° + sin 45° = √2 ≈ 1,41.

  • cos(α + β) = cos α cos β + sin α sin β — у косинусі суми знак між добутками протилежний до знака між кутами. Правильно: cos(α + β) = cos α cos β − sin α sin β.

  • У виразі 2 sin 15° cos 15° замість sin 30° беруть cos 30° — плутають, яка формула дає синус, а яка — косинус подвійного кута. 2 sin α cos α = sin 2α, а не cos 2α.

  • cos 2α = 1 − sin²α — пропущено множник 2. Правильно: cos 2α = 1 − 2 sin²α. Коефіцієнт 2 перед sin²α обов'язковий.

  • Не враховано знак cos α у заданій чверті — під час обчислення sin 2α за відомим sin α. Якщо α ∈ (π/2; π), cos α від'ємний, і sin 2α = 2 sin α cos α теж від'ємний. Забуваючи про знак, отримують 0,96 замість −0,96.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Як це перевіряють на НМТ

Формули додавання та наслідки з них належать до теми 1.3 програми НМТ («Раціональні, ірраціональні, степеневі, показникові, логарифмічні, тригонометричні вирази та їх перетворення»). Ось що варто знати про формат перевірки:

  • У довідці НМТ є sin 2α і cos 2α, але немає формул додавання й пониження степеня.

  • У завданнях № 4–15 — вибір однієї відповіді з п'яти (А–Д), 0 або 1 бал: обчислити значення чи спростити тригонометричний вираз.

  • У завданні № 17 — «логічні пари» «вираз ↔ значення»: три вирази (1–3) треба зіставити з п'ятьма варіантами значень (А–Д), по 1 балу за кожну правильну пару (максимум 3 бали).

Стратегія виконання

Якщо у виразі фігурує кут, якого немає в таблиці (15°, 22,5°, 75°, 105° тощо), шукай формулу, що зводить цей вираз до табличного кута. Наприклад:

  • 2 sin 15° cos 15° → sin 30° — формула подвійного кута.

  • cos²22,5° − sin²22,5° → cos 45° — те саме.

  • sin 75° — подати як sin(45° + 30°) — формула додавання.

  • 1 − 2 sin²75° → cos 150° (пам'ятай про знак за чвертю!) — формула подвійного кута в іншій формі.

Час на таке завдання — близько 1–2 хвилин. Якщо вираз не згортається за 30 секунд, перевір, чи не можна подати кут як суму/різницю табличних (75° = 45° + 30°, 15° = 45° − 30°).

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Питання й відповіді

Як не сплутати знаки у формулі косинуса суми?

Запам'ятай: у косинусі знак між добутками протилежний до знака між кутами. Якщо у формулі стоїть «+» між кутами (α + β), то між добутками має бути «−». Якщо «−» між кутами (α − β), то між добутками «+». Мнемонічне правило: «косинус — хитрий, він робить навпаки». А для синуса знаки збігаються: sin(α + β) = sin α cos β + cos α sin β.

Яку з трьох форм cos 2α вибирати?

Дивися на те, що містить вираз. Якщо в ньому є 1 і sin²α — бери cos 2α = 1 − 2 sin²α. Якщо є 1 і cos²α — бери 2 cos²α − 1. Якщо вираз має вигляд cos²α − sin²α або різницю квадратів — бери cos 2α = cos²α − sin²α. З трьох форм жодна не є «правильнішою» — кожна зручна у своїй ситуації.

Чи треба вчити формули додавання, якщо їх немає в довідці?

Так, обов'язково. Програма НМТ (тема 1.3) прямо вимагає вміти застосовувати формули додавання. Без них ти не зможеш обчислити sin 75°, cos 15° та спростити багато виразів. Формули sin 2α і cos 2α є в довідці, але вони виводяться саме з формул додавання, тому розуміння одних без других неповне.

Як обчислити sin 75°, якщо його немає в таблиці?

Подай 75° як суму табличних кутів: 75° = 45° + 30°. Тоді sin 75° = sin(45° + 30°) = sin 45° cos 30° + cos 45° sin 30° = (√2/2)·(√3/2) + (√2/2)·(1/2) = (√6 + √2)/4. Аналогічно для cos 15°: 15° = 45° − 30°.

Чому sin 2α не дорівнює 2 sin α?

Бо це різні математичні операції. sin 2α — це синус кута 2α, тобто синус подвоєного аргументу. А 2 sin α — це подвоєне значення синуса кута α. Наприклад, sin 60° = √3/2 ≈ 0,866, а 2 sin 30° = 2·1/2 = 1. Як бачиш, числа різні. Правильна формула: sin 2α = 2 sin α cos α — cos α «коригує» результат.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Коротко: головне

  • sin(α ± β) = sin α cos β ± cos α sin β

  • cos(α ± β) = cos α cos β ∓ sin α sin β — знак між добутками протилежний до знака між кутами

  • sin 2α = 2 sin α cos α; cos 2α = cos²α − sin²α = 1 − 2 sin²α = 2 cos²α − 1

  • Формули працюють в обидва боки: згортання дає табличний кут

  • Формул додавання в довідці НМТ немає — вчити напам'ять; sin 2α і cos 2α в довідці є

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Самоперевірка

Перевірте себе на цьому юніті

Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.

1. Спростіть вираз: (sin α + cos α)².

2. Спростіть вираз: sin 40° cos 20° + cos 40° sin 20°.

3. Обчисліть 2 sin 15° cos 15°.

4. Відомо, що sin α = 0,6, α ∈ (π/2; π). Знайдіть sin 2α.

5. Обчисліть cos 15°.

Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 12 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.

Приєднатися, щоб пройти тест