Zusammenfassung
Diese Lektion untersucht Sinus, Kosinus und Tangens als Funktionen einer reellen Variablen, gemessen im Bogenmaß. Sie bestimmt ihre Definitionsmengen, ihre Wertemengen, ihre Nullstellen, ihre Extremwerte und ihre Parität und beweist, dass die kleinste positive Periode von Sinus und Kosinus ist und die des Tangens. Sie konstruiert den Graphen des Sinus, indem sie den Einheitskreis abrollt, gewinnt den des Kosinus durch eine Verschiebung und beschreibt mit Vorzeichentabellen die senkrechten Asymptoten des Tangens; daraus leitet sie die Graphen von Sekans, Kosekans und Kotangens her. Sie beweist durch einen Vergleich von Flächeninhalten die Ungleichung für und untersucht die Sinuskurven , mit denen sich periodische Vorgänge wie die Tageslänge, die Gezeiten oder die Bewegung eines Riesenrads modellieren lassen.
Lernziele
- Sinus, Kosinus und Tangens als Funktionen einer reellen Variablen definieren und ihre Wertemengen, ihre Nullstellen, ihre Extrema, ihre Parität und ihre kleinsten Perioden beweisen.
- Die Graphen der sechs trigonometrischen Funktionen aus dem Einheitskreis konstruieren und dabei die senkrechten Asymptoten mithilfe von Vorzeichentabellen beschreiben.
- Die Ungleichung für und die Schranke beweisen und sie zur Untersuchung von Funktionen und Gleichungen einsetzen.
- Amplitude, Periode, Phasenverschiebung und vertikale Verschiebung einer Sinuskurve als Transformationen des Graphen des Sinus deuten und Sinuskurven an periodische Vorgänge anpassen.
Sinus und Kosinus als Funktionen
In der Lektion über die trigonometrischen Verhältnisse wurden Sinus und Kosinus eines beliebigen Winkels als die Koordinaten des Punktes definiert, in dem der Endschenkel des Winkels in Standardlage den Einheitskreis schneidet. Nun ist nach der Lektion über Winkel und ihre Messung jede reelle Zahl das Bogenmaß irgendeines orientierten Winkels, und zwei Winkel haben genau dann denselben Endschenkel, wenn sich ihre Maße um ein ganzzahliges Vielfaches von unterscheiden. Ist dem so, so kann man Sinus und Kosinus als Funktionen auffassen, die auf ganz definiert sind: Jeder reellen Zahl wird eine Koordinate des Punktes zugeordnet.
Für jede reelle Zahl sei der Punkt des Einheitskreises, der zum Winkel von Radiant in Standardlage gehört. Die Sinusfunktion ordnet die Ordinate von zu, die Kosinusfunktion seine Abszisse. Beide haben als Definitionsmenge die Menge aller reellen Zahlen.
Die Variable wird stets im Bogenmaß gemessen und nicht in Grad. Die Wahl ist keine gleichgültige Konvention: Die Ergebnisse des zweiten Teils der Lektion, etwa für positives , vergleichen den Sinus mit der Variablen selbst, und dieser Vergleich ist nur sinnvoll, wenn die Länge des auf dem Einheitskreis durchlaufenen Bogens ist, also das, was ein Radiant misst.
Die Wertemenge des Sinus und die des Kosinus ist das Intervall . Für jede reelle Zahl gelten und ; der Sinus ist eine ungerade Funktion, der Kosinus eine gerade Funktion. Der Sinus verschwindet genau in den ganzzahligen Vielfachen von , nimmt den Wert genau in den Zahlen an und den Wert genau in den Zahlen , mit ganzzahligem . Der Kosinus verschwindet genau in den Zahlen , nimmt den Wert genau in den Zahlen an und den Wert genau in den Zahlen .
Alles lässt sich am Einheitskreis ablesen, mit dem trigonometrischen Pythagoras und den Symmetrien, die in der Lektion über die trigonometrischen Verhältnisse bewiesen wurden.
Beweis
Nach dem trigonometrischen Pythagoras ist das Quadrat des Sinus höchstens , und der Sinus liegt zwischen und ; dasselbe gilt für den Kosinus.
Ist umgekehrt mit gegeben, so liegt der folgende Punkt auf dem Einheitskreis; nach der Eigenschaft der Überdeckung des Axioms des Durchlaufens, das in der Lektion über Winkel und ihre Messung vorausgesetzt wurde, ist er der Punkt eines Winkels , und dann gilt . Ebenso zeigt der Punkt , dass der Kosinus den Wert annimmt.
Die Winkel von und von Radiant haben denselben Endschenkel, sodass gilt. Außerdem ist das Spiegelbild von an der waagerechten Achse, wie in der Lektion über die trigonometrischen Verhältnisse bewiesen wurde: Der Sinus ist ungerade und der Kosinus gerade.
Der Sinus verschwindet, wenn auf der waagerechten Achse liegt, das heißt, wenn er oder ist; das sind die Punkte der Winkel und und der Winkel mit gleichem Endschenkel wie diese. Der Kosinus verschwindet, wenn gleich oder ist.
Gilt , so zwingt der trigonometrische Pythagoras den Kosinus, null zu sein, und der Punkt ist , der zum Winkel gehört; gilt , so ist der Punkt , der zu gehört.
Mit derselben Überlegung nimmt der Kosinus den Wert an, wenn , und den Wert , wenn . Zusammengefasst werden die Extremwerte von Sinus und Kosinus in den folgenden Zahlen angenommen, mit ganzzahligem .
Der Graph des Sinus
Den Graphen von erhält man, indem man den Einheitskreis auf der waagerechten Achse abrollt: Während der Punkt den Kreis durchläuft, wird der durchlaufene Bogen der Länge auf die Abszissenachse übertragen, und über jeder Abszisse wird die Höhe des Punktes abgetragen. Die Symmetrien aus der Lektion über die trigonometrischen Verhältnisse erlauben es, den ganzen Graphen aus seinem ersten Viertel zu konstruieren.
Die Figur rollt den Einheitskreis auf der waagerechten Achse ab, mit demselben Maßstab auf beiden: Die Höhe des Punktes wird zur Abszisse übertragen, und der vollständige Graph ergibt sich, indem man das erste Viertel wiederholt und spiegelt.
Beweis
Während von bis wächst, durchläuft der Punkt den ersten Quadranten von bis . Nach der Eigenschaft der halben Drehung des Axioms des Durchlaufens fällt seine Abszisse streng von auf ; da seine Höhe die nichtnegative Wurzel ist, steigt sie streng von auf . In der Lektion über die Arkusfunktionen wird dasselbe Argument auf das ganze Intervall ausgedehnt.
Die besonderen Werte, die in der Lektion über die trigonometrischen Verhältnisse berechnet wurden, liefern drei Zwischenpunkte des ersten Bogens.
Zwischen und besagt die Symmetrie der Supplementwinkel, dass die Höhe bei dieselbe ist wie bei : Der erste Bogen ist symmetrisch zur vertikalen Geraden und sinkt bis ab, und zwar bei .
Zwischen und ist der Punkt der Gegenpunkt von : Die Höhe wechselt das Vorzeichen, und der Graph wiederholt den vorangehenden Bogen unterhalb der Achse, um verschoben und gespiegelt.
Wegen der Periodizität wiederholt sich das Stück zwischen und , Zyklus genannt, nach rechts und nach links; und da der Sinus ungerade ist, ist der Graph punktsymmetrisch zum Ursprung.
Der Graph des Sinus ist eine Welle, die zwischen den Geraden und schwingt, die waagerechte Achse in den Vielfachen von schneidet und ihre Maxima in den Zahlen und ihre Minima in den Zahlen annimmt, in Übereinstimmung mit dem oben bewiesenen Satz.
Die Zeichnung setzt außerdem zwei Eigenschaften voraus, die der abgerollte Kreis nahelegt, die sich aber mit den Mitteln dieser Einheit nicht beweisen lassen: dass der Graph eine Kurve ohne Unterbrechungen ist und dass jeder über der Achse liegende Bogen stets nach unten gekrümmt ist. Beide werden mithilfe von Grenzwerten definiert und im Kurs Analysis I bewiesen; hier werden sie vorausgesetzt. Kein Satz der Einheit hängt von ihnen ab: Sie werden nur in einigen Aufgaben verwendet, die das ausdrücklich angeben.
Vorausgesetzte Tatsache (Stetigkeit der trigonometrischen Funktionen und ihrer Umkehrfunktionen). Sinus und Kosinus sind auf der ganzen Geraden stetig; Tangens, Sekans, Kosekans und Kotangens sind es auf jedem in ihrer Definitionsmenge enthaltenen Intervall; und Arkussinus, Arkuskosinus und Arkustangens, die in der Lektion über die Arkusfunktionen definiert werden, sind auf ihren Definitionsmengen stetig. Summen, Produkte, Quotienten mit von null verschiedenem Nenner und Verkettungen stetiger Funktionen sind stetig. Folglich lässt sich die vorausgesetzte Tatsache aus Kurs I über den Zwischenwertsatz, die in der Lektion über die rationalen Funktionen formuliert wurde, auf jedem in ihrer Definitionsmenge enthaltenen abgeschlossenen Intervall auf Funktionen wie , oder anwenden: Wechseln sie an den Randpunkten das Vorzeichen, so verschwinden sie in einem inneren Punkt.
Vorausgesetzte Tatsache (Konkavität des Sinus). Der Sinus ist auf jedem Intervall , mit ganzzahligem , streng konkav: Sind Punkte dieses Intervalls, so liegt der Punkt des Graphen mit der Abszisse streng oberhalb der Strecke, die die Punkte des Graphen mit den Abszissen und verbindet.
Periodische Funktionen
Eine Funktion heißt periodisch, wenn es eine Zahl gibt, sodass für jedes der Definitionsmenge auch und in der Definitionsmenge liegen und gilt; eine solche Zahl heißt Periode von . Ist eine Periode, so sind es auch , und, durch vollständige Induktion, alle ihre natürlichen Vielfachen: . Eine periodische Funktion hat also unendlich viele Perioden, und die interessanteste ist die kleinste von ihnen, sofern sie existiert; sie heißt kleinste Periode. Ihren Graphen erhält man, indem man das Stück, das zu einem Intervall von der Länge der Periode gehört, immer wieder wiederholt.
Ist die kleinste Periode einer Funktion , so sind die Perioden von genau die Zahlen , mit natürlichem .
Man teilt eine beliebige Periode durch , wie bei der Division mit Rest, und zeigt, dass der Rest nicht positiv sein kann. Die Figur verwendet eine Funktion mit der kleinsten Periode .
Beweis
Jedes natürliche Vielfache von ist eine Periode, wie eben durch vollständige Induktion gezeigt wurde.
Sei umgekehrt eine Periode; wegen der Minimalität von ist . Nach der archimedischen Eigenschaft der reellen Zahlen, die in der Lektion des Kurses I über die Dezimaldarstellung der rationalen Zahlen bewiesen wurde, und dem Wohlordnungsprinzip gibt es, wie im Satz von der Reduktion auf die erste Umdrehung aus der Lektion über Winkel und ihre Messung, eine natürliche Zahl mit , und der Rest liegt zwischen und , wobei die zweite Zahl ausgeschlossen ist.
Wäre positiv, so wäre es eine Periode: Rückt man um und danach um vor, so rückt man um vor, und sowohl als auch sind Perioden.
Eine positive Periode, die kleiner als ist, widerspricht aber der Minimalität von . Daher ist der Rest null, und ist ein natürliches Vielfaches von .
Die Zahl ist die kleinste Periode von Sinus und Kosinus.
Nach dem Satz über die Eigenschaften ist eine Periode beider Funktionen. Es bleibt zu zeigen, dass keine Zahl zwischen und eine ist, und dafür genügt es, zu betrachten, wo das Maximum angenommen wird.
Beweis
Angenommen, mit ist eine Periode des Sinus. Wertet man die Gleichung an der Stelle aus, so wäre die Zahl ebenfalls eine Maximalstelle.
Nach dem Satz über die Eigenschaften nimmt der Sinus den Wert nur in den Zahlen an: Dann wäre ein ganzzahliges Vielfaches von , was zwischen und unmöglich ist. Anders gesagt: Zwei aufeinanderfolgende Maxima des Sinus haben genau den Abstand .
Für den Kosinus argumentiert man ebenso an der Stelle : Eine Periode ergäbe , und der Kosinus nimmt den Wert nur in den ganzzahligen Vielfachen von an.
Nach dem eben bewiesenen Lemma sind die Perioden von Sinus und Kosinus genau die Zahlen mit natürlichem .
Der Kosinus als verschobener Sinus
Der Graph des Kosinus erfordert keine neue Konstruktion, denn er ist der verschobene Graph des Sinus.
Für jede reelle Zahl gilt . Folglich ist der Graph von der Graph des Sinus, um Einheiten nach links verschoben.
Man kombiniert die Symmetrien der Komplement- und der Supplementwinkel und danach den Satz über die Transformationen aus der Lektion des Kurses I über die Funktionsverknüpfung.
Beweis
Nach der Symmetrie der Komplementwinkel ist der Kosinus von der Sinus von .
Nach der Symmetrie der Supplementwinkel gilt ; mit ist der Winkel gleich .
Nach dem Satz über die Transformationen ist der Graph von der Graph von , um Einheiten in waagerechter Richtung verschoben. Hier ist der Sinus und : Jeder Punkt des Graphen des Sinus wird um nach links verschoben. Der Maximalpunkt geht in über.
Am verschobenen Graphen lassen sich die Eigenschaften des Kosinus ablesen: Er ist symmetrisch zur senkrechten Achse, weil der Kosinus gerade ist, er schneidet die waagerechte Achse in den Zahlen , und er nimmt das Maximum in den geraden Vielfachen von und das Minimum in den ungeraden an.
Inhalt wird geladen…
Abgeschlossen
Melde dich an, um deinen Fortschritt zu speichern