摘要 本课开启解析三角学,它研究三角函数之间的代数关系。本课精确地定义什么是恒等式,即在两边的整个公共定义域上都成立的等式,并汇集基本恒等式:倒数关系、商数关系、平方关系、奇偶关系和余角关系,它们还可以读作单位圆中线段的长度。本课讲授证明恒等式的方法,即把一边变形为另一边,或把两边都变形为同一个式子,并说明为什么从恒等式出发再两边平方是无效的;只要一个例外,即一个反例,就足以驳倒一个错误的恒等式。本课把每个函数用另一个函数表示,其符号由象限确定,在化简式子时注意定义域,通过代换把代数根式化为三角函数,并通过消去参数,在点 ( a cos t , b sin t ) \left( a \cos t, b \sin t \right) ( a cos t , b sin t ) 中认出椭圆,在点 ( a sec t , b tan t ) \left( a \sec t, b \tan t \right) ( a sec t , b tan t ) 中认出双曲线。
学习目标 精确定义三角恒等式,确定其公共定义域并把它与方程区分开,汇集并证明基本恒等式,也包括把它们几何地读作线段。 通过把一边变形为另一边或把两边变形为同一个式子来证明恒等式,识别无效的推理,并用反例驳倒错误的恒等式。 把每个三角函数用另一个三角函数表示,带上与象限相应的符号,并在保持定义域的前提下化简式子。 运用三角代换变换含根式的式子,并在椭圆和双曲线的三角参数化中消去参数。 什么是恒等式 三角函数之间的有些等式对每个实数都成立,例如 sin 2 θ + cos 2 θ = 1 \sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1 sin 2 θ + cos 2 θ = 1 ,它已在关于三角比与单位圆 的课中证明;另一些,例如 sin θ = − 1 2 \sin \theta = -\frac{1}{2} sin θ = − 2 1 ,只对某些值成立,求这些值的方法已在关于反三角函数 的课中学过。两者的区别在于性质:前者断言关于所有数的某件事,后者则提出一个问题。不过,“对每个实数”这句话需要加以精确化,因为许多三角式子并非在所有数上都有定义。
三角恒等式 是由三角函数构成的两个式子之间的等式,它对变量的所有使两边都有定义的值都成立。这些值组成的集合是该恒等式的公共定义域 。只对公共定义域中的某些值成立的等式是方程 ,这些值是它的解。定义域不是细节。正切在余弦不为零处有定义,余切在正弦不为零处有定义;因此,两者之积恰好在 x x x 不是 π 2 \frac{\pi}{2} 2 π 的整数倍时有定义,并且在那里等于 1 1 1 :
在 π 2 \frac{\pi}{2} 2 π 的倍数处,该恒等式什么也没有断言,因为它的左边不表示任何数。同样,sin x tan x = cos x \frac{\sin x}{\tan x} = \cos x t a n x s i n x = cos x 在其公共定义域上是恒等式,这个定义域排除 π 2 \frac{\pi}{2} 2 π 的倍数;然而,函数 f ( x ) = sin x tan x f(x) = \frac{\sin x}{\tan x} f ( x ) = t a n x s i n x 与 g ( x ) = cos x g(x) = \cos x g ( x ) = cos x 并不相等,因为根据课程 I 中关于函数的运算 的课,两个相等的函数有相同的定义域,而后者例如在 x = 0 x = 0 x = 0 处有定义。因此,恒等式只在两个式子都有意义的地方比较它们。
基本恒等式 下面的恒等式直接由定义和前一单元的定理得到;其余所有恒等式都由它们推出。
在每个等式的公共定义域上,下列倒数关系、商数关系和平方关系成立。此外,正弦、正切、余割和余切是奇函数,余弦和正割是偶函数;并且每个函数在 π 2 − θ \frac{\pi}{2} - \theta 2 π − θ 处的值等于其余函数在 θ \theta θ 处的值,这里正弦与余弦、正切与余切、正割与余割互为余函数。
一切都在点 P ( θ ) = ( cos θ , sin θ ) P(\theta) = \left( \cos \theta, \sin \theta \right) P ( θ ) = ( cos θ , sin θ ) 上读出,这个点来自关于三角比 的课:其余四个函数在那里被定义为它的坐标之商,而那节课中证明的正弦和余弦的对称性定理给出 P ( θ ) P(\theta) P ( θ ) 关于 x x x 轴和关于直线 y = x y = x y = x 的反射。其余恒等式通过取商和倒数得到。图中用的是锐角。
证明
1 倒数关系和商数关系就是正切、余切、正割和余割的定义:每个函数在其分母不为零处有定义,并且在这个定义域上,一个函数与它的倒数之积等于 1 1 1 。图中,正弦和余弦是 P ( θ ) P(\theta) P ( θ ) 的坐标。
2 点 P ( θ ) P(\theta) P ( θ ) 到原点的距离为 1 1 1 :这就是第一个平方关系,已在关于三角比的课中证明。在满足 cos θ ≠ 0 \cos \theta \neq 0 cos θ = 0 的地方,把它的两边除以 cos 2 θ \cos^2 \theta cos 2 θ ;在满足 sin θ ≠ 0 \sin \theta \neq 0 sin θ = 0 的地方,除以 sin 2 θ \sin^2 \theta sin 2 θ ;由前面得到的恒等式即得另外两个。
3 P ( θ ) P(\theta) P ( θ ) 关于 x x x 轴的反射是 P ( − θ ) P(-\theta) P ( − θ ) :由对称性定理,余弦是偶函数,正弦是奇函数。特别地,− θ -\theta − θ 属于每个函数的定义域,当且仅当 θ \theta θ 属于它,因为正弦和余弦的零点是对称的。
4 取倒数和商时,表达式中只含一次正弦的函数会出现负号:正割是偶函数,余割、正切和余切是奇函数。
5 P ( θ ) P(\theta) P ( θ ) 关于直线 y = x y = x y = x 的反射是 P ( π 2 − θ ) P\left( \frac{\pi}{2} - \theta \right) P ( 2 π − θ ) :由对称性定理,这个反射交换正弦和余弦。
6 取倒数和商时,正割与余割、正切与余切也互相交换。定义域互相对应:π 2 − θ \frac{\pi}{2} - \theta 2 π − θ 属于正割的定义域,当且仅当 θ \theta θ 属于余割的定义域,因为 cos ( π 2 − θ ) = sin θ \cos\left( \frac{\pi}{2} - \theta \right) = \sin \theta cos ( 2 π − θ ) = sin θ ,其余函数也是如此。
O θ P (θ)cos θ sin θ P (θ) = (cos θ, sin θ)O θ P (θ)cos θ sin θ sin² θ + cos² θ = 1 O θ P (θ)P (−θ)P (−θ) = (cos θ, −sin θ)O θ P (θ)sin θ P (−θ)−sin θ csc(−θ) = −csc θ O θ P (θ)P (π/2 − θ)P (π/2 − θ) = (sin θ, cos θ)O θ P (θ)P (π/2 − θ)sin θ cos θ cot(π/2 − θ) = tan θ 六个函数的线段表示 正切和正割的名称来自几何:对于锐角,它们是单位圆的一条切线和一条割线上的线段长度。这幅经典的图在一张图中汇集了六个函数和三个平方关系。
设 0 < θ < π 2 0 < \theta < \frac{\pi}{2} 0 < θ < 2 π ,P P P 为单位圆上的点 P ( θ ) P(\theta) P ( θ ) ,Q Q Q 为从它向 x x x 轴所作垂线的垂足,A = ( 1 , 0 ) A = (1, 0) A = ( 1 , 0 ) ,B = ( 0 , 1 ) B = (0, 1) B = ( 0 , 1 ) 。含终边的直线与在 A A A 处的竖直切线交于一点 T T T ,与在 B B B 处的水平切线交于一点 S S S 。那么,θ \theta θ 的余弦、正弦、正切、正割、余切和余割分别是从 O O O 到 Q Q Q 、从 Q Q Q 到 P P P 、从 A A A 到 T T T 、从 O O O 到 T T T 、从 B B B 到 S S S 以及从 O O O 到 S S S 的线段的长度;而在顶点为 O O O 、A A A 和 T T T 的三角形中,以及在顶点为 O O O 、B B B 和 S S S 的三角形中,勾股定理分别是第二个和第三个平方关系。
下面逐条线段地走遍这幅图。所用的工具就是在关于三角比的课中给出正切意义的那个工具:含终边的直线过原点且斜率为 tan θ \tan \theta tan θ ,所以它的方程是 y = x tan θ y = x \tan \theta y = x tan θ 。
证明
1 按定义,P P P 的坐标是余弦和正弦;从 O O O 到 Q Q Q 的水平线段的长度是横坐标,从 Q Q Q 到 P P P 的竖直线段的长度是纵坐标,二者在第一象限都是正的。
2 圆在 A A A 处的切线是直线 x = 1 x = 1 x = 1 。把 x = 1 x = 1 x = 1 代入终边的方程,得到 T T T :从 A A A 到 T T T 的线段在切线上,其长度为 tan θ \tan \theta tan θ 。
3 点 T T T 是点 P ( θ ) P(\theta) P ( θ ) 乘以 sec θ \sec \theta sec θ ,因为 sec θ cos θ = 1 \sec \theta \cos \theta = 1 sec θ cos θ = 1 。由于 P ( θ ) P(\theta) P ( θ ) 到原点的距离为 1 1 1 ,T T T 到原点的距离为 sec θ \sec \theta sec θ :从 O O O 到 T T T 的线段在割线上,其长度就是正割。
4 顶点为 O O O 、A A A 和 T T T 的三角形在 A A A 处是直角,两条直角边为 1 1 1 和 tan θ \tan \theta tan θ ,斜边为 sec θ \sec \theta sec θ 。在其中运用勾股定理,就是第二个平方关系。
5 在 B B B 处的切线是直线 y = 1 y = 1 y = 1 。把 y = 1 y = 1 y = 1 代入 y = x tan θ y = x \tan \theta y = x tan θ 得 x = cot θ x = \cot \theta x = cot θ ;又因为 csc θ sin θ = 1 \csc \theta \sin \theta = 1 csc θ sin θ = 1 ,点 S S S 是 P ( θ ) P(\theta) P ( θ ) 乘以 csc θ \csc \theta csc θ 。因此,从 B B B 到 S S S 的线段的长度是余切,从 O O O 到 S S S 的线段的长度是余割。
6 顶点为 O O O 、B B B 和 S S S 的三角形在 B B B 处是直角,两条直角边为 1 1 1 和 cot θ \cot \theta cot θ ,斜边为 csc θ \csc \theta csc θ :由它得出第三个平方关系。它在 O O O 处的角等于 π 2 − θ \frac{\pi}{2} - \theta 2 π − θ ,对于这个角,θ \theta θ 的余切是对边:它是余角的正切。
O A B θ P Q cos θ sin θ P (θ) = (cos θ, sin θ)O A B θ P Q cos θ sin θ T tan θ T = (1, tan θ)O A B θ Q cos θ sin θ T tan θ sec θ P T = sec θ · P (θ)O A B θ Q cos θ sin θ T tan θ sec θ P 1 + tan² θ = sec² θ O A B θ T tan θ S cot θ csc θ P S = (cot θ, 1)O A B θ T tan θ S cot θ csc θ P 1 + cot² θ = csc² θ 从图中还可以读出,锐角的正割和余割大于 1 1 1 ,因为它们是有一条直角边长为 1 1 1 的三角形的斜边,并且正切小于正割。同样,第一个平方关系就是勾股定理在顶点为 O O O 、Q Q Q 和 P P P 的三角形中的情形。
本课节其余部分
恒等式的证明 一个无效的推理 用一个函数表示另一个函数 式子的化简 三角代换 消去参数 例题 定义域不同的恒等式 平移后的椭圆 一个错误的恒等式及其改正 正弦与余弦之和 六次幂之和 练习题 正割减正切 需要改写常数一的恒等式 滑动的梯子 隐藏的双曲线 确定正切的条件 使用免费账户继续阅读
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