Trigonometric Function
三角函数
Definition 基础定义

sin(θ)=ry,cos(θ)=rx,tan(θ)=xy csc(θ)=yr,sec(θ)=xr,cot(θ)=yx
由此可以得到最基本的关系
Reciprocal 倒数
sin(θ)csc(θ)=1 cos(θ)sec(θ)=1 tan(θ)cot(θ)=1
Quotient 商
tan(θ)=cos(θ)sin(θ)=csc(θ)sec(θ) cot(θ)=sin(θ)cos(θ)=sec(θ)csc(θ)
Graph 图像
y=Asin(Bx−C)+D or y=Acos(Bx−C)+DAmplitude=∣A∣Phase Shift=BCPeriod=B2πBπ for tangentVertical Shift=D
「奇变偶不变,符号看象限」
诱导公式主要目的是将其他象限角规整到第一象限角(超出
2π 的部分通过 2n 的方式规整)
对于任意三角函数,都有 (n⋅2π±θ)=θ(转一圈,所以我们可以只看余数),所以我们化成另外一种形式
(2nπ±θ)
「奇变偶不变」,指后者的 n
为偶数是保持原有的三角函数不变, sin 还是 sin,cos 还是 cos;
如果是奇数就让原来的三角函数变为其余角所对应的三角函数。
sin→coscos→sin tan→cotcot→tan csc→secsec→csc
这是因为在 n (可以看作 n 就代表的是角度从第 n 象限开始或结束)为偶数的时候,是以
x 轴为起始点,而为奇数的时候,是以
y
轴为起始点,俩者完全对称,并且有余角性质,所以可以通过「奇变偶不变」来总结归纳这样一条规律。

「符号看象限」意思是,(2nπ±θ),看作 n
就代表的是角度从第 n
象限开始或结束,它所落的象限符号如果是正就不用变,如果是负就加一个负号。涉及到「奇变偶不变」中,「奇变」了之后,就是看变之前所落象限的符号。
以下是所有三角函数象限所对应的符号,其余角所对应三角函数的符号是一致的(只是倒数不影响正负)。
- sin(θ)=ry
所以 y 为负时为负

- cos(θ)=rx
所以 x 为负时为负

- tan(θ)=xy
所以 x,y
单一一个为负的时候为负


Trigonometric Identities
三角恒等式
Based on the
Pythagorean Theorem 基于勾股定理衍生
首先,显而易见的我们知道
a2+b2=c2
由此我们可以得到
sin2(θ)+cos2(θ)=c2a2+c2b2=c2a2+b2=c2c2=1
进一步可以得到由此衍生的相关公式,我们将上式除以 cos2(θ) 和 sin2(θ)
sin2(θ)+cos2(θ)=1⟹cos2(θ)sin2(θ)+cos2(θ)cos2(θ)=cos2(θ)1⟹tan2(θ)+1=sec2(θ)
sin2(θ)+cos2(θ)=1⟹sin2(θ)sin2(θ)+sin2(θ)cos2(θ)=sin2(θ)1⟹1+cot2(θ)=csc2(θ)
也可以借助下图记忆,阴影三角形的上面两个相加等于下面的结果

sin2(θ)+cos2(θ)=1 tan2(θ)+1=sec2(θ) 1+cot2(θ)=csc2(θ)
Plus and Minus 和差
sin(α±β)=sin(α)cos(β)±cos(α)sin(β)cos(α±β)=cos(α)cos(β)±sin(α)sin(β)tan(α±β)=1∓tan(α)tan(β)tan(α)±tan(β)
Double Angle 倍角
通过欧拉公式
eiθei2θeiθ⋅eiθcos(2θ)+isin(2θ)=cos(θ)+isin(θ)=cos(2θ)+isin(2θ)=(cos(θ)+isin(θ))(cos(θ)+isin(θ))=cos2(θ)−sin2(θ)+2cos(θ)sin(θ)i
↓
cos(2θ)=cos2(θ)−sin2(θ)sin(2θ)=2cos(θ)sin(θ)
↓
(sin(θ)+cos(θ))2=sin2(θ)+cos2(θ)+2sin(θ)cos(θ)=1+sin(2θ)
(a)
∫02πsin(θ)cos(θ) dθ
思路 (i) 三角恒等式
∫02πsin(θ)cos(θ) dθ=21∫02πsin(2θ) dθ=41∫02πsin(u) duapply u-sub dθ=21du=41⋅−cos(2x)∣∣02π=−41+41=0
思路 (ii) 分部积分
选取如下 u,v
No-dDusin(θ)cos(θ)vsin(θ)cos(θ)
uvuv∣∣02π2sin(θ)cos(θ)∣∣02π=∫u⋅dv+∫v⋅du=∫02πsin(θ)cos(θ) dθ+∫02πsin(θ)cos(θ) dθ=∫02πsin(θ)cos(θ) dθ=0
tan(2θ)=1−tan2(θ)2tan(θ)
Descending Power 降幂
首先通过勾股定理衍生
sin2(θ)+cos2(θ)=1⟹{sin2(θ)=1−cos2(θ)cos2(θ)=1−sin2(θ)
我们知道 cos 的倍角公式
cos(2θ)=cos2(θ)−sin2(θ)
将 sin2(θ)=1−cos2(θ) 或 cos2(θ)=1−sin2(θ) 带入
{cos(2θ)=(1−sin2(θ))−sin2(θ)cos(2θ)=cos2(θ)−(1−cos2(θ))
↓
{sin2(θ)=21(1−cos2θ)cos2(θ)=21(1+cos2θ)
(a)
∫02πsin2(θ) dθ
思路 (i) 三角恒等式
∫02πsin2(θ) dθ=21∫02π1−cos(2θ) dθ=21∫02π1 dθ−21∫02πcos(u) duapply u-sub dθ=21du=21(θ∣∣02π−sin(θ)∣∣02π)=π
思路 (ii) 分部积分
选取如下 u,v
No-dDusin(θ)cos(θ)v−cos(θ)sin(θ)
uvuv∣∣02πuv∣∣02πuv+∫02π1 dθ2−sin(θ)cos(θ)+θ∣∣02π∣∣02π=∫u⋅dv+∫v⋅du=∫02πsin2(θ) dθ−∫02πcos2(θ) dθ=∫02πsin2(θ) dθ−∫02π1−sin2(θ) dθ=2∫02πsin2(θ) dθ=∫02πsin2(θ) dθ=π
tan2(θ)=1+cos2(θ)1−cos2(θ)
Auxiliary Angle 辅助角公式
对于任意 sin(θ),cos(θ),tan(θ) 都能写成非三角函数的勾股定理形式
cos(φ)=a2+b2a,sin(φ)=a2+b2b,tan(φ)=cos(φ)sin(φ)=ab
所以我们可以对 y=asin(x)+bcos(x) 整理
Note: cos(θ−2π)=sin(θ)
y=asinx+bcosx=a2+b2(sin(x)⋅a2+b2a+cos(x)⋅a2+b2b)=a2+b2(sin(x)cos(φ)+cos(x)sin(φ))=a2+b2sin(x+φ)=a2+b2cos(x+φ−2π)
(1)
y=3sin(2x)+cos(2x)=3sin(2x)+1⋅cos(2x)=(3)2+12⋅sin(2x+φ)=2sin(2x+φ)
所以我们可以确定 a=3,b=1
tan(φ)=ab=31=33=tan(6π)φ=6π
Half Angle 半角
sin(2θ)=±21−cos(θ)cos(2θ)=±21+cos(θ)tan(2θ)=±1+cos(θ)1−cos(θ)
Note: tan(2π),sin(2kπ)a don’t exist.
- Identity (θ=π+2kπ)
tan(2θ)=cos(2θ)sin(2θ)=2cos2(2θ)2sin(2θ)cos(2θ)=1+cos(θ)sin(θ)
- Nonidentity (Left: θ=π+2kπ, Right: θ=2kπ)
tan(2θ)=cos(2θ)sin(2θ)=2sin(2θ)cos(2θ)2sin2(2θ)=sin(θ)1−cos(θ)
Sum to Product 和差化积
sin(α)±sin(β)=2sin(2α±β)cos(2α∓β)cos(α)+cos(α)=2cos(2α+β)cos(2α−β)cos(α)−cos(α)=−2sin(2α+β)sin(2α−β)
Product to Sum 积化和差
sin(α)cos(β)=21[sin(α+β)+sin(α−β)]cos(α)sin(β)=21[sin(α+β)−sin(α−β)]cos(α)cos(β)=21[cos(α+β)+cos(α−β)]sin(α)sin(β)=−21[cos(α+β)−cos(α−β)]
Trigonometric Equation
三角方程
- 对于 sin(x)=a,我们可以进行如下讨论
(1) a=1 时 x∈{x∣x=2kπ+2π,k∈Z}
(2) a=−1 时 x∈{x∣x=2kπ−2π,k∈Z}
(3) ∣a∣<1 时 x∈{x∣x=kπ+(−1)karcsin(a),k∈Z}
(4) ∣a∣>1 时 x∈∅
- 对于 cos(x)=a,我们可以进行如下讨论
(1) a=1 时 x∈{x∣x=2kπ,k∈Z}
(2) a=−1 时 x∈{x∣x=2kπ+π,k∈Z}
(3) ∣a∣<1 时 x∈{x∣x=2kπ±arccos(a),k∈Z}
(4) ∣a∣>1 时 x∈∅
对于 tan(x)=a,x∈{x∣x=kπ+arctan(a),k∈Z}
反三角
arcsin(−x)=−arcsin(x)arccos(−x)=π−arccos(x)arctan(−x)=−arctan(x)
余/正弦定理
若存在 △ABC,其外接圆半径为 R
sin(∠A)a=sin(∠B)b=sin(∠C)c=2Ra2=b2+c2−2bc⋅cos(α)b2=a2+c2−2ac⋅cos(β)c2=a2+b2−2ab⋅cos(γ)
Differentiated 求导
(sin(θ))′(cos(θ))′(tan(θ))′(cot(θ))′(sec(θ))′(csc(θ))′(arcsin(θ))′(arctan(θ))′=cos(θ)=−sin(θ)=sec2(θ)=−csc2(θ)=tan(θ)sec(θ)=−cot(θ)csc(θ)=1−x21=1+x21
Integral 积分
∫sin(θ) dθ∫cos(θ) dθ∫tan(θ) dθ∫cot(θ) dθ∫sec(θ) dθ∫csc(θ) dθ=−cos(θ)+C=sin(θ)+C=−ln∣cos(θ)∣+C=ln∣sin(θ)∣+C=ln∣tan(θ)+sec(θ)∣+C=ln∣csc(θ)−cot(θ)∣+C
To be continued…