Краткое содержание
Этот урок завершает раздел об аналитической тригонометрии. Он собирает в одну дедуктивную цепь то, что доказано в шести его уроках: основные тождества, формулу косинуса разности и все формулы, которые из неё выводятся, преобразование сумм в произведения и гармоническую форму, решение уравнений и неравенств, угол между прямыми и поворот осей, который классифицирует конические сечения. Он объясняет, как эта цепь опирается на предыдущий раздел и на курс «Алгебра и геометрия I», особенно на единичную окружность, полярные координаты, многочлены и конические сечения, и как она готовит очередной раздел, где те же формулы снова появляются как правило умножения комплексных чисел. Урок завершается итоговой проверкой, параллельной входной проверке из введения, и десятью задачами повышенной трудности, более трудными, чем предложенные задачи раздела, которые требуют сочетать несколько уроков.
Цели обучения
- Восстанавливать дедуктивную цепь раздела, от формулы косинуса разности до классификации конических сечений по дискриминанту, и указывать на каждом этапе результат, от которого он зависит.
- Связывать результаты раздела с результатами предыдущего раздела и курса I о единичной окружности, полярных координатах, многочленах и конических сечениях.
- Предвидеть роль формул сложения в умножении комплексных чисел в тригонометрической форме.
- Решать задачи, которые сочетают тождества, уравнения, углы между прямыми и повороты, выбирая в каждом случае преобразование, которое делает задачу доступной.
Чего достиг раздел
Раздел начался с того, что был установлен язык. В уроке об основных тригонометрических тождествах тождество было определено как равенство, верное во всей общей области определения обеих его сторон, были собраны тождества обратных величин, частного, пифагоровы тождества, тождества чётности и дополнительных углов, и был установлен метод доказательства: преобразовать одну сторону в другую или обе в одно и то же выражение, не исходя из того, что требуется доказать; одного контрпримера достаточно, чтобы опровергнуть ложное тождество. На этом языке каждая функция была выражена через другую, корни были преобразованы подстановками, а в параметризациях и были узнаны эллипс и гипербола.
Решающим стал урок о формулах сложения. Вычисляя двумя способами длину хорды единичной окружности, в декартовых и в полярных координатах, мы доказали, что для всех действительных и выполняется приведённое ниже равенство:
Всё остальное было выведено из него. Из чётности получился косинус суммы; из формул дополнительных углов, синус суммы и разности; из частного, тангенс суммы. Если это так, то, полагая , получаем формулы двойного угла; выражая квадрат, формулы понижения степени и половинного угла; складывая ещё раз, формулы тройного угла. Подстановка превратила синус и косинус в рациональные дроби от , и отсюда последовали рациональная параметризация окружности и формула всех пифагоровых троек.
Урок о преобразовании сумм в произведения прошёл обратный путь: складывая и вычитая формулы сложения, произведения превращают в суммы, а суммы в произведения. Его главный результат состоит в том, что всякая комбинация есть одна волна , где ; отсюда следуют её множество значений, , суперпозиция колебаний одинаковой частоты, биения и, с множителем, который делает сумму телескопической, суммы синусов и косинусов в арифметической прогрессии.
С этими средствами урок о тригонометрических уравнениях и неравенствах смог решить целое семейство задач. Общие решения уравнений , и продолжают по периодичности решения, которые дают обратные функции; остальные уравнения сводятся к ним с помощью тождеств, разложения на множители, равенства двух синусов или двух косинусов и гармонической формы, с двумя постоянными предосторожностями: деление может потерять решения, а возведение в квадрат может их добавить. Неравенства решались на одном обороте, с помощью единичной окружности или таблиц знаков, и продолжались периодически.
Два последних урока перенесли это исчисление в аналитическую геометрию. В уроке об угле между прямыми тангенс разности дал угол между двумя прямыми по их угловым коэффициентам, а скалярное произведение дало вторую формулу, верную и для вертикальных прямых; были найдены биссектрисы и центр вписанной окружности, и были построены модели недоступных высот, гармонического колебания, дальности полёта снарядов и отражения света. Это единственный урок раздела, который принимает что-то без доказательства и заявляет об этом: из евклидовой геометрии, три факта, которые уже принимал курс I (теорему Пифагора, равенство соответственных углов при параллельных и сумму углов треугольника), а из физики, уравнения гармонического колебания и уравнения движения снаряда. Наконец, в уроке о повороте осей формулы разности описали замену координат при повороте осей; угол, удовлетворяющий условию , исключает член с , сумма и дискриминант не меняются при повороте, и поэтому знак дискриминанта классифицирует всякое уравнение второй степени.
Всю цепь можно резюмировать так: хорда, вычисленная двумя способами, даёт косинус разности; из него выходят все формулы сложения; из них, преобразования и гармоническая форма; с их помощью решаются уравнения; а решённые уравнения измеряют углы между прямыми и исключают смешанный член конических сечений. Рисунок ниже собирает эту цепь в пять участков, которые идут в порядке абзацев выше: каждый узел столбца есть определение или теорема, пронумерованные в логическом порядке и соединённые дугой с предыдущими звеньями, которые использует их доказательство; вокруг расположены опоры, то есть принципы и средства, к которым цепь обращается снова и снова, и каждая соединена сплошной линией со звеньями, которые на неё опираются, и пунктирной со звеном, где она устанавливается, кроме тех, что принимаются без доказательства или взяты из предыдущего раздела или из курса I: они изображены кольцами. Нажатие на опору выделяет все звенья, которые её используют, а каждое звено ведёт к уроку, где оно доказывается.
Опоры цепи
- AЕдиничная окружность. Принимается аксиома обхода по длине дуги: для каждого действительного существует единственная точка единичной окружности, в которую приходят из , пройдя длину , обходы сцепляются, , абсцисса точки строго убывает на и возрастает на , и всякая точка окружности есть некоторая . Из этой аксиомы в разделе о тригонометрических функциях и полярных координатах было доказано, что всякая точка окружности есть для единственного из , что косинус и синус, координаты точки , периодичны и удовлетворяют тождествам чётности и дополнительных углов и что они строго монотонны на своих главных промежутках. В этом разделе принимается без доказательства.
- BОбратные функции. Арксинус, арккосинус и арктангенс дают на своих главных промежутках единственный угол с данным синусом, косинусом или тангенсом; доказано в разделе о тригонометрических функциях и полярных координатах. В этом разделе принимается без доказательства.
- CПолярные координаты. Точка с полярными координатами имеет декартовы координаты и , а расстояние между и удовлетворяет равенству ; доказано в разделе о тригонометрических функциях и полярных координатах. В этом разделе принимается без доказательства.
- DАналитическая геометрия на плоскости. Формула расстояния, расстояние от точки до прямой, теорема о полуплоскостях, скалярное произведение с неравенством Коши-Шварца и угол между двумя векторами, а также классификация конических сечений с осями, параллельными координатным; доказано в курсе I, в разделе об аналитической геометрии на плоскости, и в уроке о решении треугольников. В этом разделе принимается без доказательства.
- EАлгебра и арифметика курса I. Разложение многочленов на множители, теорема о множителе и синтетическое деление, таблицы знаков, телескопические суммы и лемма Евклида; доказано в курсе I, в разделах о натуральных числах и об алгебраических функциях и многочленах. В этом разделе принимается без доказательства.
- FПифагорово тождество. Для всякого выполняется , а в своих областях определения, и . Устанавливается в: 2. Основные тождества.
- GФормулы сложения. Для всех действительных и выполняются и , а также формулы разности, которые получаются заменой на . Устанавливается в: 6. Формулы сложения.
- HЕвклидова геометрия. Из евклидовой геометрии принимаются, как в разделе курса I об аналитической геометрии на плоскости, теорема Пифагора и обратная к ней, равенство соответственных углов, образованных секущей с двумя параллельными, и сумма углов треугольника; из них выводятся равенство вертикальных углов и накрест лежащих углов при параллельных. В этом разделе принимается без доказательства.
Участок 1 Язык: тождества и их доказательство
- Определять тождество как равенство, верное во всей общей области определения его сторон, и отличать его от уравнения.
- Собирать тождества обратных величин, частного, пифагоровы тождества, тождества чётности и дополнительных углов.
- Доказывать тождества, не исходя из того, что требуется доказать, и опровергать ложные контрпримером.
- Преобразовывать корни подстановками и узнавать эллипс и гиперболу в их тригонометрических параметризациях.
Тождество и его доказательство. Тождество есть равенство, верное во всей общей области определения обеих его сторон; оно доказывается преобразованием одной стороны в другую или обеих в одно и то же выражение, не исходя из него самого, и опровергается одним контрпримером.
Доказывается в уроке: Основные тригонометрические тождества.
Основные тождества. В общей области определения каждого из них выполняются тождества обратных величин, частного и пифагоровы тождества; синус, тангенс, косеканс и котангенс нечётны, косинус и секанс чётны, и каждая функция от равна своей дополнительной функции от .
Использует: 1. Тождество и его доказательство. Опирается на: A (Единичная окружность). Доказывается в уроке: Основные тригонометрические тождества.
Тригонометрические подстановки. Если , то ; если , то ; и если и , то .
Использует: 2. Основные тождества. Опирается на: F (Пифагорово тождество), B (Обратные функции). Доказывается в уроке: Основные тригонометрические тождества.
Параметрические эллипс и гипербола. Когда пробегает , точка один раз обходит эллипс ; а точка один раз обходит правую ветвь гиперболы , когда пробегает , и левую, когда пробегает .
Использует: 2. Основные тождества. Опирается на: A (Единичная окружность), F (Пифагорово тождество). Доказывается в уроке: Основные тригонометрические тождества.
Участок 2 Формула косинуса разности и её следствия
- Доказывать формулу косинуса разности, вычисляя двумя способами хорду единичной окружности.
- Выводить из неё косинус и синус суммы и разности и тангенс суммы.
- Получать формулы двойного угла, понижения степени, половинного угла и тройного угла.
- Выражать синус и косинус рациональными дробями от , рационально параметризовать окружность и порождать все пифагоровы тройки.
Косинус разности. Для всех действительных и выполняется , потому что хорда, соединяющая с , имеет одну и ту же длину, вычисленную в декартовых и в полярных координатах.
Опирается на: C (Полярные координаты), D (Аналитическая геометрия на плоскости), F (Пифагорово тождество). Доказывается в уроке: Формулы сложения, двойного и половинного угла.
Формулы сложения. С помощью чётности и формул дополнительных углов получаются , и синус разности; а если тангенсы и определены и , то .
Использует: 2. Основные тождества, 5. Косинус разности. Доказывается в уроке: Формулы сложения, двойного и половинного угла.
Двойной угол. Выполняются , и, где определено, .
Опирается на: G (Формулы сложения), F (Пифагорово тождество). Доказывается в уроке: Формулы сложения, двойного и половинного угла.
Понижение степени и половинный угол. Выполняются и ; отсюда синус и косинус от суть корни из и из со знаком их четверти, и , если .
Использует: 7. Двойной угол. Опирается на: F (Пифагорово тождество). Доказывается в уроке: Формулы сложения, двойного и половинного угла.
Тройной угол. Для всякого действительного выполняются и .
Использует: 7. Двойной угол. Опирается на: F (Пифагорово тождество), G (Формулы сложения). Доказывается в уроке: Формулы сложения, двойного и половинного угла.
Тангенс половинного угла. Если не есть нечётное кратное и , то и .
Использует: 7. Двойной угол. Опирается на: F (Пифагорово тождество). Доказывается в уроке: Формулы сложения, двойного и половинного угла.
Рациональная параметризация. Прямая с угловым коэффициентом , проходящая через , снова пересекает единичную окружность в точке ; всякая другая точка окружности получается так для единственного и рациональна тогда и только тогда, когда рационально .
Использует: 10. Тангенс половинного угла. Опирается на: E (Алгебра и арифметика курса I). Доказывается в уроке: Формулы сложения, двойного и половинного угла.
Пифагоровы тройки. Примитивные пифагоровы тройки с чётным суть в точности , и , где , и нечётно.
Использует: 11. Рациональная параметризация. Опирается на: E (Алгебра и арифметика курса I). Доказывается в уроке: Формулы сложения, двойного и половинного угла.
Участок 3 Преобразования и гармоническая форма
- Превращать произведения в суммы и суммы в произведения, складывая и вычитая формулы сложения.
- Записывать всякую комбинацию как одну волну и находить её множество значений.
- Складывать колебания одинаковой частоты и объяснять биения.
- Суммировать синусы и косинусы в арифметической прогрессии с помощью телескопической суммы.
Преобразование произведения в сумму. Выполняется , и точно так же , и суть полусуммы или полуразности синусов или косинусов от и от .
Опирается на: G (Формулы сложения). Доказывается в уроке: Преобразование сумм в произведения и гармоническая форма.
Преобразование суммы в произведение. Для всех действительных и выполняется , с аналогичными формулами для , и ; отсюда следуют биения функции .
Использует: 13. Преобразование произведения в сумму. Доказывается в уроке: Преобразование сумм в произведения и гармоническая форма.
Гармоническая форма. Если и не равны нулю одновременно и , то существует единственное из , такое что для всякого ; эта форма единственна, и функция имеет множество значений .
Опирается на: A (Единичная окружность), D (Аналитическая геометрия на плоскости), F (Пифагорово тождество), G (Формулы сложения). Доказывается в уроке: Преобразование сумм в произведения и гармоническая форма.
Суперпозиция колебаний. Если они не гасят друг друга, колебания и в сумме дают колебание той же частоты, амплитуда которого удовлетворяет равенству .
Использует: 5. Косинус разности, 15. Гармоническая форма. Опирается на: F (Пифагорово тождество), G (Формулы сложения). Доказывается в уроке: Преобразование сумм в произведения и гармоническая форма.
Суммы в арифметической прогрессии. Если не есть целое кратное , то выполняется , а сумма косинусов получается с вместо .
Использует: 13. Преобразование произведения в сумму, 14. Преобразование суммы в произведение. Опирается на: E (Алгебра и арифметика курса I). Доказывается в уроке: Преобразование сумм в произведения и гармоническая форма.
Участок 4 Уравнения и неравенства
- Получать общие решения уравнений , и с помощью обратных функций и периодичности.
- Сводить остальные уравнения к простейшим с помощью тождеств, разложения на множители, равенства двух синусов или двух косинусов и гармонической формы.
- Не терять решения при делении и не добавлять их при возведении в квадрат.
- Решать неравенства на одном обороте, с помощью единичной окружности или таблиц знаков, и продолжать их решения периодически.
Общие решения. Если , то решения уравнения суть и , а уравнения суть и ; для всякого действительного решения уравнения суть , где целое.
Использует: 2. Основные тождества. Опирается на: A (Единичная окружность), B (Обратные функции). Доказывается в уроке: Тригонометрические уравнения и неравенства.
Равенство синусов и косинусов. Равенство выполняется тогда и только тогда, когда или , а тогда и только тогда, когда или , для некоторого целого ; два определённых тангенса равны тогда и только тогда, когда .
Использует: 14. Преобразование суммы в произведение. Опирается на: A (Единичная окружность), G (Формулы сложения). Доказывается в уроке: Тригонометрические уравнения и неравенства.
Алгебраические и однородные уравнения. Уравнение равносильно уравнениям для действительных корней многочлена ; однородное уравнение относительно и сводится к алгебраическому относительно , если отдельно рассмотреть нули косинуса; и всякое решение, полученное при возведении в квадрат, нужно подставить в исходное уравнение.
Использует: 18. Общие решения. Опирается на: E (Алгебра и арифметика курса I). Доказывается в уроке: Тригонометрические уравнения и неравенства.
Уравнение, линейное относительно синуса и косинуса. Уравнение имеет решение тогда и только тогда, когда , и тогда его решения суть и , где и взяты из гармонической формы.
Использует: 15. Гармоническая форма, 18. Общие решения. Доказывается в уроке: Тригонометрические уравнения и неравенства.
Неравенства. Если и , то тогда и только тогда, когда для некоторого целого , и аналогичное верно для синуса; произведения и частные тригонометрических множителей решаются с помощью таблицы знаков на одном обороте.
Использует: 18. Общие решения. Опирается на: A (Единичная окружность), B (Обратные функции), E (Алгебра и арифметика курса I). Доказывается в уроке: Тригонометрические уравнения и неравенства.
Участок 5 Аналитическая геометрия: прямые и конические сечения
- Измерять угол между двумя прямыми с помощью тангенса разности и скалярного произведения.
- Находить биссектрисы двух прямых и центр вписанной окружности треугольника.
- Строить модели недоступных высот, гармонического колебания, дальности полёта снаряда и отражения света.
- Выводить формулы поворота, исключать член с и классифицировать всякое уравнение второй степени по знаку дискриминанта.
Угол между прямыми. Угловой коэффициент невертикальной прямой есть тангенс её угла наклона; две прямые с угловыми коэффициентами и перпендикулярны тогда и только тогда, когда , а если нет, то угол между ними удовлетворяет равенству , в согласии с формулой скалярного произведения их направляющих векторов.
Использует: 5. Косинус разности, 6. Формулы сложения. Опирается на: B (Обратные функции), D (Аналитическая геометрия на плоскости), F (Пифагорово тождество), H (Евклидова геометрия). Доказывается в уроке: Угол между двумя прямыми и приложения тригонометрии.
Биссектрисы и центр вписанной окружности. Точки, равноудалённые от двух пересекающихся прямых, образуют две взаимно перпендикулярные прямые, биссектрисы, каждая из которых делит пополам свою пару вертикальных углов; а три биссектрисы внутренних углов треугольника, каждая из которых пересекает противолежащую сторону, пересекаются во внутренней точке, центре вписанной окружности.
Использует: 8. Понижение степени и половинный угол. Опирается на: D (Аналитическая геометрия на плоскости), H (Евклидова геометрия). Доказывается в уроке: Угол между двумя прямыми и приложения тригонометрии.
Дальность полёта снаряда. Если принять из физики уравнения движения, которые сочетают равномерное горизонтальное перемещение с равноускоренным падением, то дальность полёта снаряда, брошенного со скоростью под углом возвышения , равна ; она максимальна при , и каждая меньшая дальность достигается ровно при двух углах, которые дополняют друг друга до прямого.
Использует: 18. Общие решения, 7. Двойной угол. Доказывается в уроке: Угол между двумя прямыми и приложения тригонометрии.
Формулы поворота. Если оси повернуть на угол , то новые координаты суть и , и расстояние между двумя точками не меняется.
Опирается на: A (Единичная окружность), C (Полярные координаты), F (Пифагорово тождество), G (Формулы сложения). Доказывается в уроке: Поворот осей и общее уравнение второй степени.
Коэффициенты после поворота. При повороте осей уравнение сохраняет свободный член, а его новый коэффициент при равен .
Использует: 26. Формулы поворота, 7. Двойной угол. Доказывается в уроке: Поворот осей и общее уравнение второй степени.
Исключение члена с xy. Если , то существует единственный угол из , поворот на который обращает в нуль : тот, что удовлетворяет условию .
Использует: 27. Коэффициенты после поворота. Опирается на: B (Обратные функции). Доказывается в уроке: Поворот осей и общее уравнение второй степени.
Инварианты поворота. Для всякого угла поворота выполняются и .
Использует: 27. Коэффициенты после поворота, 7. Двойной угол. Опирается на: F (Пифагорово тождество). Доказывается в уроке: Поворот осей и общее уравнение второй степени.
Классификация по дискриминанту. Если , и не все равны нулю и , то уравнение задаёт эллипс, точку или пустое множество, если ; параболу, две параллельные прямые, одну прямую или пустое множество, если ; и гиперболу или две пересекающиеся прямые, если .
Использует: 26. Формулы поворота, 28. Исключение члена с xy, 29. Инварианты поворота. Опирается на: D (Аналитическая геометрия на плоскости). Доказывается в уроке: Поворот осей и общее уравнение второй степени.
К комплексным числам в тригонометрической форме. При умножении на появляются косинус и синус от : формулы сложения суть правило умножения комплексных чисел, и очередной раздел объединяет их в одну, формулу Муавра.
Загрузка содержимого…