Ez a cikk pontos algebrai kifejezéseket tartalmaz egyes trigonometrikus számokhoz . Ilyen kifejezésekre szükség lehet például ahhoz, hogy a trigonometrikus függvényeket tartalmazó kifejezések eredményeit radikális formába hozzuk , ami további egyszerűsítést tesz lehetővé.
Bármely trigonometrikus szám algebrai . Egyes trigonometrikus számok kifejezhetők komplex gyökökben , de nem mindig valósokban : különösen a trigonometrikus függvények egész fokban kifejezett szögértékei közül csak azokban lévő értékek adhatók meg. valós gyökökben kifejezve , a fokok száma három többszöröse. Ábel tétele szerint azonban vannak olyanok is, amelyek a gyökökben eldönthetetlenek.
tétele szerint a racionális argumentumú szinusz fokokban kifejezett értéke irracionális , vagy egyenlő a , , , , számok valamelyikével .
tétele szerint , ha a szinusz , koszinusz vagy érintő egy adott pontban algebrai számot ad, akkor fokokban kifejezett argumentációjuk vagy racionális , vagy transzcendentális . Más szóval, ha a fokokban kifejezett argumentum algebrai és irracionális , akkor ebből az argumentumból az összes trigonometrikus függvény értéke transzcendentális lesz .
Egy argumentum trigonometrikus függvényeinek értékei csak akkor fejezhetők ki valós gyökökben , ha az osztással kapott redukált racionális tört nevezője kettőnek a hatványa, megszorozva több Fermat-prím szorzatával (lásd a Gauss-Wanzel-tételt ). Ezt az oldalt főleg a valós gyökökben kifejezett szögeknek szentelték.
A félszög képlet segítségével algebrai kifejezéseket kaphatunk a trigonometrikus függvények értékeire bármely olyan szögben, amelyre azokat már megtaláltuk, felezve. Különösen igazak a képletek a -tól -ig terjedő intervallumon fekvő szögekre
, és .Az alábbi kifejezések lehetővé teszik a trigonometrikus függvények értékeinek komplex gyökökben történő kifejezését is azokban a szögekben, amelyekben nem fejeződnek ki valós szögekben. Például adott a szög képlete, a képlet a3a következő harmadfokú egyenlet megoldásával kaphatjuk meg :
Általános megoldásában azonban összetett , nem valós számok is felmerülhetnek (ezt az esetet casus irreducibilisnek nevezzük ).
A szögek mérésére különféle mértékegységek léteznek , például fokok , radiánok , fordulatok , fokozatok (gonok) .
Ez a táblázat az egyik mértékről a másikra való átváltásokat és a trigonometrikus függvények értékeit mutatja a leggyakoribb szögekből:
Forgások | fokon | radiánok | Gradok (gonok) | Sinus | Koszinusz | Tangens |
---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0° | 0 | 0 | 0 | egy | 0 |
egy12 | 30° | 6 | 33egy | egy2 | √ 32 | √ 33 |
egynyolc | 45° | négy | ötven | √2 _2 | √2 _2 | egy |
egy6 | 60° | 3 | 662 | √ 32 | egy2 | √ 3 |
egynégy | 90° | 2 | 100 | egy | 0 | |
egy3 | 120° | 23 | 133egy | √ 32 | −egy2 | − √ 3 |
3nyolc | 135° | 3négy | 150 | √2 _2 | −√2 _2 | −1 |
512 | 150° | 56 | 1662 | egy2 | −√ 32 | −√ 33 |
egy2 | 180° | 200 | 0 | −1 | 0 | |
712 | 210° | 76 | 233egy | −egy2 | −√ 32 | √ 33 |
5nyolc | 225° | 5négy | 250 | −√2 _2 | −√2 _2 | egy |
23 | 240° | négy3 | 2662 | −√ 32 | −egy2 | √ 3 |
3négy | 270° | 32 | 300 | −1 | 0 | |
56 | 300° | 53 | 333egy | −√ 32 | egy2 | − √ 3 |
7nyolc | 315° | 7négy | 350 | −√2 _2 | √2 _2 | −1 |
tizenegy12 | 330° | tizenegy6 | 3662 | −egy2 | √ 32 | −√ 33 |
egy | 360° | 2 | 400 | 0 | egy | 0 |
A trigonometrikus függvények értékeit azokban a szögekben, amelyek nem tartoznak a tól -ig terjedő intervallumban, egyszerűen az intervallum szögeinek értékeiből származtatják a redukciós képletekkel . Minden szöget fokban és radiánban írunk le, és az adott szögre vonatkozó kifejezés előtti tényező reciproka az egyetlen szám egy olyan szabályos (esetleg csillagozott) sokszög Schläfli-szimbólumában, amelynek külső szöge megegyezik az adott szöggel.
Csak olyan képletek vannak megadva, amelyek nem használnak foknál nagyobb gyököket . Mivel ( Moivre tétele szerint ) a komplex számok halmazában egy n fokú egész szám gyökének kinyerése n különböző értékhez vezet , így a nem valós számok 3. és 5. fokú gyökére , amelyek ebben a szakaszban jelennek meg, egy a fő értéket a legnagyobb valós részt tartalmazó gyökével egyenlőnek kell vennie : mindig pozitív. Ezért a táblázatban megjelenő összetett konjugált számok 3. vagy 5. fokú gyökeinek összegei is pozitívak. Az érintőt olyan esetekben adjuk meg, ahol sokkal könnyebben írható, mint a szinusz és koszinusz rekordok aránya.
Néhány esetben az alábbiakban két olyan számot használunk , amelyek tulajdonsága .
Az ( n és o egész számok) képletei származtatásának egyik gyakori és vizuális módszere az x n = 1 egyenlet megoldása , azaz 1 komplex gyökeinek megkeresése . Ebben az esetben maga a koszinusz és a szinusz egyenlő , illetve . Ezt a módszert De Moivre tétele igazolja :
ha egy modul , és egy komplex szám argumentuma, akkor a -tól származó egész szám gyökét olyan számokkal fejezzük ki, ahol az egész számok halmaza átfut |
Ezt a tételt viszont bizonyítja az az állítás, hogy amikor komplex számokat szorozunk, akkor a modulusaikat megszorozzuk, és az argumentumokat összeadjuk (ez utóbbi ekvivalens az összeg trigonometrikus azonosságával ):
|
Az 1-es n -edik természetes fokú gyökök között vannak olyanok, amelyek nem gyökerei egyetlen más természetes fokú m < n 1-nek sem – ezeket az 1-es n- edik fokú antiderivatív vagy primitív gyökeinek nevezzük . Azt a polinomot pedig, amelyik gyökeként csak 1-ből származó primitív gyököket tartalmaz, és egységsokszorosával, körkörösnek nevezzük . 1 n- edik gyökére a körpolinom foka egyenlő φ ( n ), ahol φ az Euler-függvény , és szükségszerűen páros n ≥ 3 esetén, mivel n ≥ 3 esetén az összes primitív gyök (amelyek között nincs) hosszabb ±1) nem valós és összetett konjugált párokat alkotnak.
n ≥ 2 esetén a körpolinom szimmetrikus , azaz minden együtthatója tükröződik a φ ( n )/2 hatványra vonatkozóan. Ha n ≥ 3, akkor egy s φ(n) ( x ) = 0 páros fokú φ(n) körpolinomú egyenlet megoldásához az s φ(n ) ( x ) szimmetrikus polinomot el kell osztani x φ( n) /2 , majd az x + 1/ x szám hatványaival csoportosítjuk (ez a szimmetria miatt lehetséges), ami véletlenül a kívánt koszinusz 2-vel szorozva lesz.
A polinom körtényezőkre bontható , amelyek közül az első gyöke 1, a második pedig egy 2. fokú polinom. És általános esetben egy másodfokú egyenlet megoldásához el kell osztani a polinomot a vezető együtthatóval (itt egyenlő 1-gyel), majd ki kell választani a pontos négyzetet, hogy megszabaduljon a fok monomiális tagjától. 1-gyel kisebb, mint a polinom fokszáma, vagyis hozzuk a polinom egyenletet kanonikus alakba :
( kanonikus nézet ).
Ennek eredményeként az egyenlettel együtt kiderül, hogy
vagy |
Az egyenlet másodfokú megoldása helyett a szimmetrikus polinom osztható x -szel, x + 1/ x köré csoportosítva , mivel x + 1/ x a szükséges koszinusz szorozva 2-vel:
|
Egy körpolinom egyenlő , és a gyökeinek megtalálásához el kell osztani x 2 -vel, csoportosítani kell x + 1/ x hatványaival (négyzetes polinomra redukálva), és 0-val kell egyenlővé tenni:
(a kívánt koszinusz szorozva 2-vel),
|
Szimbólumok . Jelölje mint
1. lépés – az egyenlet kanonikus formába állításaAz n \u003d 5-höz hasonló körpolinommal végzett transzformációk után 3. fokú egyenletet kapunk . Továbbá , mint a másodfokú egyenlet esetében, ezt az egyenletet kanonikus formába kell hozni, azaz osszuk el az egyenlet mindkét részét a vezető együtthatóval (egy), majd válasszuk ki a pontos kockát, 1-gyel megszabadulva a polinom fokszámánál kisebb fok tagjától:
( kanonikus forma ).
2. lépés – del Ferro módszerA kanonikus köbegyenletek megoldásának módszere Gerolamo Cardano néven vonult be a történelembe , de először Scipio del Ferro fedezte fel . Ez a következőkből áll: cserélje ki a szükséges változót ( ) az összeggel :
majd állítsa be a v és w közötti összefüggést úgy, hogy az egyenlet a 3. hatvány alá csökkenthető. Ekkor kiderül, hogy a számban a tényezőt nullával kell egyenlővé tenni. Ebben az esetben és (maga a koszinusz), és maga a köbegyenlet másodfokúra redukálódik:
és figyelembe véve a kockagyökök fő értékeit, kiderül:
ahol
|
ahol o = 1 ( o = 6) m = 0, o = 2 ( o = 5 ) m = 1, o = 3 ( o = 4 ) pedig m = 2.
3. lépés – szinusz [2]A szinust a legjobb, ha nem a trigonometrikus alapazonosság, hanem a félszög képlet alapján keresed, különben számnégyzetek jelennek meg , és az egyszerűsítés nyilvánvalóvá válik. Ennek eredményeképpen az 1-nek minden primitív 7. gyöke egyenlő
|
ahol
Szimbólum . Jelölje mint
A 9-es szám prímtényezőkbe kerül 3 2 -ként , így a polinom beszámítható körtényezőkbe, mint például . Ezek közül az utolsó gyökerei a számok 3. gyökei (a polinom gyökei ), amelyek viszont: az 1 3. fokának primitív gyökerei, vagyis az 1 primitív 9. gyökei
ahol |
Ezután (figyelembe véve a kockagyökök fő értékeit) a "primitív" koszinuszokat és szinuszokat a következőképpen fejezzük ki:
|
|
Szimbólum:
A polinomnak körtényezői vannak :
A polinom gyökerei pontosan ellentétesek a polinom gyökeivel (ezt egy változó ellentétére cserélve vagy Vieta tételével igazolhatjuk ), ezért így néznek ki:
|
ahol
A körpolinom nem túl egyszerű, és ahelyett, hogy a gyökereit keresnénk, jobb, ha a szöget ( o egy egész szám) összegként bővítjük, ahol o 1 és o 2 néhány egész szám.
Megjegyzés . Ellentétben 15-tel, a 9-es szám faktorizálása ugyanazt a kettős multiplicitástényezőt foglalja magában - és a szöggel ellentétben nem mindig lehetséges az alakban bővíteni ( o , o 1 és o 2 egész számok).
A szöget a szögek összegére bővítve kiszámíthatja a koszinusz és a szinusz:
Például, ha o = 1, akkor a −1 és 2 közül választhat o 1 és o 2 értéket. Akkor
Mivel ez a Fermat-szám prím, ezért, mint n = 3, n = 5 és n = 7 esetén, először is el kell osztanunk a körpolinomot x 8 -cal , és helyettesíteni kell valamilyen b = x változóval. + 1/ x — kapjuk
Szimbólum. A polinom gyökeit mint
2. lépés [3]A polinom gyökereit nem az együtthatókon keresztül lehet a legjobban megtalálni, hanem abból a tényből, hogy a gyökei dupla koszinuszok. Ehhez valahogyan el kell osztani az összes gyökerét két S 1 és S 2 összeg között, meg kell keresni az S 1 + S 2 és S 1 S 2 értékeket, és a Vieta tétel segítségével le kell vezetni az S 1 és S 2 egyenletét , megoldva. amit kapunk S 1 és S 2 .
Pontosabban, a polinom gyökereit két hatványban kell elosztani :
Az S 1 + S 2 összeg egyenlő az összes gyök összegével , ami azt jelenti, hogy a Vieta-tétel szerint egyenlő -1-gyel, és a szorzatot a szorzat koszinusz képletével találjuk meg.
(a szorzat koszinuszának képlete szerint)
Ezután kapunk egy másodfokú egyenletet a gyökökkel, és ezek a következőképpen oszlanak meg:
Az S 1 -be és S 2 -be foglalt kifejezéseket ismét fele kell osztani az összegekkel, sőt a négy hatványaival - és négy szám keletkezik:
Az összeg (ahol m átmegy az {1, 2} halmazon) egyenlő , a szorzat pedig (ugyanaz a képlet szerint ) egyenlő -1-gyel ( m = 1 és m = 2 esetén), ami azt jelenti, hogy itt a Vieta-tétel, kapunk egy másodfokú egyenletet T -re :
A 2. és 3. szakaszban minden alkalommal „feleztük” az összegeket. Itt is ezt tesszük, és így már elérjük magukat a gyököket ( b o /17 számok ). Az összegek a következők:
és a hozzá tartozó művek:
Az összes szükséges másodfokú egyenlet összeállítása után megkapjuk a kívánt koszinuszokat :
ahol .
A körpolinomot el kell osztani x 6 - tal , és x + 1/ x -et helyettesíteni valamilyen b változóval - polinom prímszámokat kapunk , másodszor pedig a polinomok fokszámait (ami n = 13-nak felel meg) és ( n = 17) összetett számok - ezért van egy olyan gyanú, hogy a polinom gyökereit ugyanazon elv szerint kell megtalálni, mint a 7. példában: és itt először le kell vezetni és meg kell oldani a másodfokú egyenletet, és csak azután - a köböst .
Szimbólum . A polinom gyökeit mint
1. lépésA jelzett polinom mind a hat gyökét elosztjuk két S 1 , S 2 összegen és a hármas hatványai között:
és számítsuk ki a következő mennyiségeket az azonosság segítségével
miután megkaptuk az egyenletet , amelynek megoldásával kapjuk:
2. lépésS 1 és S 2 ismertek - most ezek segítségével kell levezetni b köbegyenleteit . A bemutatáshoz például az S 1 összegben szereplő gyököket választjuk . Ezután meg kell találnia a következő mennyiségeket:
hogy Vieta tételével megkapjuk az egyenletet. Ha az S 1 -ben szereplő gyökökkel együtt az S 2 -ben szereplő gyököket is beszámítjuk , az eredmény egy egyenlet .
3. lépés – kanonizálás( kanonikus forma )
(úgy, hogy a válaszban azonnal kivették a nevezőt a gyökér alól).
A 4. lépés a kanonikus egyenlet megoldása
ahol m átfut a 0, 1, 2} és
Például egy élhosszúságú szabályos dodekaéder térfogata a következő képlettel adható meg:
Ha kifejezéseket használunk
képlet leegyszerűsíthető
A szinusz , koszinusz és érintő értékeinek gyök alakban történő származtatása azon a lehetőségen alapul , hogy körzővel és vonalzóval szabályos sokszögeket lehet létrehozni .
Itt a szabályos sokszögek szimmetriatengelyei mentén metszett derékszögű háromszögeket használjuk az alapvető trigonometrikus arányok kiszámításához. Minden derékszögű háromszögben a csúcsok a következők:
Egy szabályos n -szög 2n sarkú háromszögre osztható180n.90 180n, 90 fokkal, ha n nagyobb vagy egyenlő 3-mal. Háromszög, négyzet, öt- és tizenötszögű háromszög, négyzet, öt- és tizenötszögű megszerkesztésének lehetősége – az alapban a szögfelezők olyan sokszögeket is lehetővé tesznek, amelyeknek oldalszáma egyenlő kettő hatványa, megszorozva egy adott sokszög oldalainak számával.
A 0, 30, 45, 60 és 90 fok szinusza és koszinusza a megfelelő derékszögű háromszögekből a Pitagorasz-tétel segítségével számítható ki.
Radiánok használatakor a szinusz és a koszinusz / 2 n a következő képletek rekurzív alkalmazásával fejezhető ki gyök alakban:
; stb. ; stb.Például:
; ; ; ; ;stb.
stb.
stb.
stb.
Ha és akkor
Ezután az indukciót használva azt kapjuk
;A fent alkalmazott indukció ugyanúgy alkalmazható bármely Fermat-prímre (F 3 =2 2 3 +1=2 8 +1= 257 ; F 4 =2 2 4 +1=2 16 +1= 65537 ), többszörösei amelynek szinusz és koszinusz értékei radikális formában léteznek, de túl hosszúak ahhoz, hogy itt felsoroljuk.
; ;D = 2 32 - 1 = 4294967295 a jelenleg ismert legnagyobb páratlan egész nevező, amelyre a sin( /D) és cos ( /D) gyökformák ismertek. A fenti szakaszokból származó mennyiségek gyökös alakjait felhasználva és a szabályt indukcióval alkalmazva azt kapjuk, hogy -
; ;Ezért a fenti szakaszokból származó mennyiségek gyökös alakjait felhasználva, és a szabályt indukcióval alkalmazva azt kapjuk, hogy -
; ;Végül a fenti szakaszokból származó mennyiségek gyökformáit felhasználva és a szabályt indukcióval alkalmazva azt kapjuk, hogy -
; ;A fenti leírás radikális formája nagyon nagy, ezért egyszerűbb módon fejezhető ki (mint fent).
A Ptolemaiosz-egyenlőtlenséget az ötszög négy egymást követő csúcsa által meghatározott ABCD négyszögre alkalmazva azt kapjuk, hogy:
aminek a reciprokjaegyφaz aranymetszés kapcsán . crd az akkordhossz függvénye,
Ami azt jelenti
(A Ptolemaiosz-egyenlőtlenség nélkül is megteheti. Jelölje X AC és BD metszéspontját, és vegye figyelembe, hogy az AXB háromszög egyenlő szárú , így AX = AB = a . Az AXD és a CXB háromszögek hasonlóak , mivel AD párhuzamos BC- vel Ezért XC = a (ab). De AX + XC = AC, tehát a + a 2b = b . Az eredményt megoldva ez megvanab = egyφ, mint korábban szereztük).
Hasonló
ami azt jelenti
Algebrai módszerHa θ 18° vagy -54°, akkor 2θ és 3θ 5θ = 90°-ra vagy -270°-ra redukálódik, tehát .
Következő , mit teszKövetkezésképpen,
és és ésAz 5 x függvények többszörös szögképlete is , ahol x ∈ {18, 36, 54, 72, 90} és 5 x ∈ {90, 180, 270, 360, 450}, megoldható x függvényeire is , mivel 5 x -ből ismerjük a függvények értékeit . A következő több szögképlet látható:
Alapvetően a beágyazott gyökök nincsenek leegyszerűsítve. De ha
ahol a , b és c racionális számok, azt kapjuk
racionális, akkor mindkét kifejezés
racionális; Következésképpen
Például,
Trigonometria | |
---|---|
Tábornok |
|
Könyvtár | |
Törvények és tételek | |
Matematikai elemzés |