Перейти до основного вмісту
Каталог

Основні тригонометричні тотожності

~15 хв · 8 розділів · 11 тестових запитань

Перетворення виразів
Математика НМТ

Основні тотожності sin²α + cos²α = 1, tg α = sin α / cos α, 1 + tg²α = 1/cos²α. Як знаходити значення тригонометричних функцій за одним відомим і чвертю кута, спрощувати вирази та обчислювати дроби за tg α.

Основна тригонометрична тотожність

Основна тригонометрична тотожність — це ключове співвідношення, яке пов'язує синус і косинус одного й того самого кута. Вона має вигляд:

Ця рівність виконується для будь-якого кута . Запис означає — спершу знаходимо синус кута, потім підносимо його до квадрата. Те саме стосується .

Геометричний зміст тотожності

Уявімо одиничне коло — коло з радіусом 1 і центром у початку координат. Кожній точці на цьому колі відповідає кут між додатним напрямком осі і радіусом, проведеним до цієї точки. Координати точки — це . За теоремою Піфагора сума квадратів координат дорівнює квадрату радіуса, тобто 1. Звідси й маємо .

Рендеринг діаграми…

Наслідки з основної тотожності

Із можна виразити одну функцію через іншу:

Добуваючи квадратний корінь, обов'язково треба поставити знак і вибрати правильний знак залежно від чверті, у якій лежить кут .

Таблиця знаків синуса й косинуса за чвертями

Чверть

Кут

sin

cos

I

+

+

II

+

−

III

−

−

IV

−

+

Приклади застосування

Нехай і — це II чверть. Тоді:

У II чверті синус додатний, тому .

Нехай і — III чверть. Тоді:

У III чверті косинус від'ємний, тому .

«Піфагорові» пари для швидкого рахунку

Деякі комбінації синуса й косинуса трапляються в задачах так часто, що їх варто запам'ятати. Їх називають «піфагоровими» парами, оскільки вони задовольняють :

sin

cos

Перевірка

Якщо в задачі ти бачиш, наприклад, з II чверті, одразу можеш сказати, що (плюс, бо II чверть). Це економить час на НМТ.

Тангенс і тотожність 1 + tg²α = 1/cos²α

Тангенс кута визначається як відношення синуса до косинуса:

Ця формула має зміст тільки тоді, коли , тобто для кутів , . Знак тангенса збігається зі знаком добутку : у I та III чвертях тангенс додатний, у II та IV — від'ємний.

Обчислення тангенса за відомими синусом і косинусом

Повернімося до попереднього прикладу: , , . Тоді:

Зверни увагу: тангенс вийшов від'ємним, бо синус і косинус у II чверті мають різні знаки. Це загальне правило: у II чверті (, ) тангенс від'ємний, у III чверті (обидва від'ємні) — додатний.

Тотожність

Ця формула є в довідці НМТ, тож на іспиті ти не мусиш її виводити. Проте розуміти, звідки вона береться, варто:

Формула дає змогу знайти (а отже, і ) за відомим тангенсом, навіть не знаючи синуса. Головне — не забути вибрати знак косинуса за чвертю.

Приклад застосування

Нехай , — III чверть. Знайдемо і .

Крок 1. За формулою :

Крок 2. Добуваємо корінь:

У III чверті косинус від'ємний, тому .

Крок 3. Тепер знайдемо синус через визначення тангенса: , звідки :

Синус у III чверті теж від'ємний — це узгоджується зі знаком.

Котангенс (профільний рівень)

Котангенс є в програмі НМТ як вимога профільного рівня. Формул для нього в довідці немає, тому варто знати:

  • (обернене до тангенса)

Оскільки в довідці НМТ цих формул немає, їх варто вивчити напам'ять разом із формулами для тангенса.

Спрощення тригонометричних виразів

Спрощення тригонометричних виразів — це застосування вивчених тотожностей для перетворення складніших виразів на простіші. Головна ідея: замінювати або за основною тотожністю, зводити подібні доданки й застосовувати формули скороченого множення.

Заміни з основної тотожності

Найпростіші випадки — це коли вираз містить або . Їх одразу замінюють на або відповідно.

Приклад A. Спростити .

Замінюємо на :

Тут потрібно, щоб , інакше вираз не має змісту.

Приклад B. Спростити .

Замінюємо на :

Приклад C. Спростити .

Замінюємо :

Формули скороченого множення

До тригонометричних виразів можна застосовувати звичні формули скороченого множення. Розгляньмо різницю четвертих степенів:

Приклад D. Спростити .

За формулою різниці квадратів: :

Оскільки , маємо:

Приклад E. Спростити .

Розкриваємо дужки за формулами квадрата суми й різниці:

Додаємо: і взаємно знищуються. Залишається:

Дріб з sin α і cos α за відомим tg α

Це дуже поширений тип задач. Якщо чисельник і знаменник дробу містять і в однакових степенях (наприклад, у першому степені), досить знати , щоб обчислити дріб. Для цього ділимо чисельник і знаменник на (коли ).

Приклад F. . Обчислити .

Ділимо чисельник і знаменник на :

Підставляємо :

Важливо: цей прийом працює тільки для виразів, де кожен член у чисельнику й знаменнику має однаковий степінь відносно і .

Обмеження на змінну

Спрощення виконують для тих , за яких вираз має зміст. Наприклад, у виразі потрібно , тобто .

Розбираємо завдання

У цьому розділі розберемо чотири типові завдання НМТ, які перевіряють уміння застосовувати основні тригонометричні тотожності. Кожен приклад має формат, який ти побачиш на іспиті.

Приклад 1. Вибір однієї відповіді з п'яти

Умова. Відомо, що і . Знайдіть .

Розв'язання. За основною тригонометричною тотожністю:

Кут лежить у II чверті , де синус додатний. Отже, вибираємо знак «+»: .

Відповідь: .

Чому інші варіанти неправильні? — не враховано, що в II чверті синус додатний; — помилка замість ; — знайдено , але не добуто квадратний корінь; — поєднання помилок.

Приклад 2. Коротка відповідь (десятковий дріб)

Умова. Відомо, що і . Знайдіть . Відповідь запишіть десятковим дробом.

Розв'язання. Спочатку знайдемо за основною тотожністю:

У II чверті косинус від'ємний, тому .

Тепер за означенням тангенса:

Відповідь: .

Зверни увагу: на НМТ у завданнях з короткою відповіддю (№ 19–22) можна записувати лише десяткові дроби. Відповідь система не зарахує, а — зарахує. Знак «мінус» пишемо перед першою цифрою.

Приклад 3. Вибір однієї відповіді з п'яти

Умова. Спростіть вираз .

Розв'язання. За основною тригонометричною тотожністю , звідки . Підставляємо:

Відповідь: .

Чому інші варіанти неправильні? — плутанина з , а не з ; — забули скоротити на ; — не застосовано тотожність; — помилкове застосування означення тангенса.

Приклад 4. Коротка відповідь

Умова. Відомо, що . Обчисліть значення виразу . Відповідь запишіть десятковим дробом.

Розв'язання. Чисельник і знаменник дробу містять і в однаковому (першому) степені. Поділимо чисельник і знаменник на (за умови , що виконується, бо інакше тангенс не існував би):

Підставляємо :

Відповідь: .

Типові помилки й пастки

Нижче наведено найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час застосування основних тригонометричних тотожностей. Уважно їх вивчіть, щоб не втратити бали на НМТ.

  • Знак кореня не вибрано за чвертю. Коли ти добуваєш корінь з , результат завжди має два знаки: . Багато учнів пишуть зі знаком «+» для будь-якого кута. Це правильно лише для I та II чвертей; у III та IV чвертях синус від'ємний, тому треба писати .

  • Заміна . Це груба помилка. З основної тотожності маємо , а не . Пам'ятай: у квадраті стоїть косинус, а не сам кут.

  • Не добуто квадратний корінь. Знайшовши , дехто записує відповідь , забуваючи добути корінь. Завжди перевіряй: чи справді дорівнює тому числу, чи це ?

  • Перевернуто відношення для тангенса. Запам'ятай: , а не навпаки. Корисний мнемонічний прийом: у слові «тангенс» літера «т» нагадує дробову риску: «т» = синус зверху, косинус знизу.

  • Помилка з . Знайшовши , учень часто забуває добути корінь або вважає, що (обернене число). Насправді дає .

  • Ділення на cos α лише в чисельнику. Коли обчислюєш дріб за відомим , треба ділити на і чисельник, і знаменник. Помилка «поділив лише чисельник» призводить до неправильного результату.

Як це перевіряють на НМТ

Основні співвідношення між тригонометричними функціями одного аргументу — це тема 1.3 програми НМТ з математики. Вона охоплює як основну тригонометричну тотожність, так і формули тангенса й котангенса.

У довідці, яку ти отримаєш на іспиті, є всі три потрібні формули:

Формула в довідці НМТ

Застосування

Знайти синус за косинусом або навпаки

Обчислити тангенс через синус і косинус

Знайти косинус за тангенсом

Самостійно тобі треба лише вміти вибрати знак результату залежно від чверті, у якій лежить кут. Формули не потрібно виводити чи запам'ятовувати — вони перед тобою на екрані. Однак на НМТ час обмежений, тому варто вивчити їх напам'ять, щоб не гортати довідку щоразу.

Формати завдань на НМТ

Завдання на тригонометричні тотожності можуть трапитися в різних форматах:

Номери задач

Формат

Оцінювання

Відповідь

№ 4–15

Вибір однієї з п'яти (А–Д)

0 або 1 бал

Буква (А, Б, В, Г, Д)

№ 19–22

Коротка відповідь (число)

0 або 2 бали

Десятковий дріб, наприклад -0,75

Важливо: у завданнях з короткою відповіддю (№ 19–22) можна записувати лише десяткові дроби. Якщо твій результат — звичайний дріб, перетвори його на скінченний десятковий дріб (наприклад, ). Якщо ж вийшов нескінченний дріб, перевір розв'язання: відповіді таких завдань зазвичай добирають так, щоб вони записувалися скінченним десятковим дробом. Знак «мінус» пишемо перед першою цифрою.

Стратегія виконання

Найкраща стратегія для задач на тригонометричні тотожності:

  1. Намалюй у чернетці одиничне коло.

  2. Познач чверть, у якій лежить кут.

  3. Визнач знаки синуса й косинуса в цій чверті.

  4. Застосуй формулу з довідки.

  5. Вибери знак кореня відповідно до чверті.

  6. Запиши відповідь у потрібному форматі.

Ця стратегія зводить до мінімуму ризик помилки зі знаком — найпоширенішої проблеми в таких задачах.

Питання й відповіді

Тут зібрано відповіді на найчастіші запитання, які виникають під час вивчення основних тригонометричних тотожностей.

Як вибрати знак, коли добуваєш корінь з 1 − cos²α?

Після добування квадратного кореня з ти отримуєш два можливі значення: . Щоб обрати правильне, треба знати, у якій чверті лежить кут . У I та II чвертях синус додатний — беремо знак «+». У III та IV чвертях синус від'ємний — беремо знак «−». Якщо чверть не вказана, перевір, чи не визначає знак інша умова, або розглянь обидва випадки.

Чи треба запам'ятовувати формулу 1 + tg²α = 1/cos²α?

Формула є в довідці НМТ, тому запам'ятовувати її обов'язково не треба. Однак на іспиті час обмежений, і гортання довідки займає дорогоцінні секунди. Порада: вивчи три формули напам'ять, а довідку використовуй лише для перевірки або для складніших формул (наприклад, формул зведення, які в довідці теж є).

Чому для дробу з sin α і cos α досить знати tg α?

Якщо чисельник і знаменник містять і в однакових степенях, поділ на перетворює кожен член на вираз із . Наприклад, після ділення стає . Значення відоме — отже, дріб обчислюється без окремого знаходження і .

Що робити, якщо чверть кута в умові не вказана?

У завданнях НМТ зазвичай указують чверть або проміжок, якому належить кут, бо без цього не можна визначити знак результату. Якщо в якійсь нестандартній задачі чверть не дано, то відповідь записують зі знаком або розглядають обидва випадки окремо. Тож спершу шукай в умові вказівку на чверть, проміжок або знак іншої функції.

Чи потрібен котангенс на НМТ?

Так: котангенс є в програмі НМТ з математики як вимога профільного рівня. У довідці формул для котангенса немає, тому напам'ять варто знати формули і .

Коротко: головне

  • для будь-якого кута — це основна тригонометрична тотожність, що випливає з теореми Піфагора на одиничному колі.

  • Коли добуваєш корінь (), знак визначає чверть: у I–II чвертях синус додатний, у III–IV — від'ємний.

  • — означення тангенса; знак тангенса збігається зі знаком добутку .

  • — формула для знаходження косинуса за тангенсом (є в довідці НМТ).

  • Дріб, у якому чисельник і знаменник містять і в однакових степенях, можна обчислити через , поділивши чисельник і знаменник на .

  • — найчастіша заміна під час спрощення тригонометричних виразів.