Формули додавання й подвійного кута
~20 хв · 9 розділів · 12 тестових запитань
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 — 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.
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).
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.
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.
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.
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:
cos²22,5° − sin²22,5°
sin 40° cos 20° + cos 40° sin 20°
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).
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.
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°).
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.
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