Синус и косинус

Основные тригонометрические функции

В математике синус и косинус являются тригонометрическими функциями угла . _ Синус и косинус острого угла определяются в контексте прямоугольного треугольника : для указанного угла его синус равен отношению длины стороны, противоположной этому углу, к длине самой длинной стороны треугольника ( гипотенуза ), а косинус — отношение длины прилежащего катета к длине гипотенузы . Для угла функции синуса и косинуса обозначаются просто как и . ^[1] ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \sin \theta }$ ${\displaystyle \cos \theta }$

В более общем смысле определения синуса и косинуса можно расширить до любого действительного значения с точки зрения длин определенных отрезков в единичном круге . Более современные определения выражают синус и косинус как бесконечные ряды или как решения некоторых дифференциальных уравнений , позволяя расширять их до произвольных положительных и отрицательных значений и даже до комплексных чисел .

Функции синуса и косинуса обычно используются для моделирования периодических явлений, таких как звуковые и световые волны , положение и скорость гармонических осцилляторов, интенсивность солнечного света и продолжительность дня, а также изменения средней температуры в течение года. Их можно проследить до функций джья и коти-джья , которые использовались в индийской астрономии в период Гуптов .

Обозначения

Синус и косинус записываются с использованием функциональной записи с сокращениями sin и cos .

Часто, если аргумент достаточно простой, значение функции будет записано без круглых скобок, как sin θ , а не как sin( θ ) .

Синус и косинус являются функцией угла, который обычно выражается в радианах или градусах . Если явно не указано иное, в этой статье предполагается, что угол измеряется в радианах.

Определения

Определения прямоугольного треугольника.

Для угла α функция синуса дает отношение длины противоположной стороны к длине гипотенузы.

Чтобы определить синус и косинус острого угла α , начните с прямоугольного треугольника , содержащего угол меры α ; на прилагаемом рисунке угол α в треугольнике ABC представляет собой интересующий угол. Три стороны треугольника называются следующим образом:

• Противоположная сторона — это сторона, противоположная интересующему углу, в данном случае сторона  a .
• Гипотенуза — это сторона, противоположная прямому углу, в данном случае  сторона h . Гипотенуза всегда является самой длинной стороной прямоугольного треугольника.
• Соседняя сторона — это оставшаяся сторона, в данном случае сторона  b . Он образует сторону (и примыкает к нему) как к интересующему углу (углу A ), так и к прямому углу.

Если такой треугольник выбран, синус угла равен длине противоположной стороны, деленной на длину гипотенузы: ^[2]

${\displaystyle \sin(\alpha )={\frac {\textrm {opposite}}{\textrm {hypotenuse}}}\qquad \cos(\alpha )={\frac {\textrm {adjacent}}{\textrm {hypotenuse}}}}$

Аналогично определяются и другие тригонометрические функции угла; например, касательная — это соотношение между противоположной и прилегающей сторонами. ^[2]

Как уже говорилось, значения и, по-видимому, зависят от выбора прямоугольного треугольника, содержащего угол меры α . Однако это не так: все такие треугольники подобны , а значит, и соотношения для каждого из них одинаковы. ${\displaystyle \sin(\alpha )}$ ${\displaystyle \cos(\alpha )}$

Определения единичного круга

В тригонометрии единичный круг — это круг радиуса один с центром в начале координат (0, 0) в декартовой системе координат .

Единичный круг: круг радиуса один.

Пусть линия, проходящая через начало координат, пересекает единичную окружность, образуя угол θ с положительной половиной оси x . Координаты x и y этой точки пересечения равны cos( θ ) и sin( θ ) соответственно. Это определение согласуется с определением синуса и косинуса в прямоугольном треугольнике, когда : поскольку длина гипотенузы единичной окружности всегда равна 1, . Длина противоположной стороны треугольника — это просто координата y . Аналогичный аргумент можно привести и для функции косинуса, чтобы показать, что когда , даже при новом определении с использованием единичного круга. tan( θ ) тогда определяется как или, что то же самое, как наклон отрезка прямой. ${\displaystyle 0<\theta <{\frac {\pi }{2}}}$ ${\displaystyle \sin(\theta )={\frac {\text{opposite}}{\text{hypotenuse}}}={\frac {\text{opposite}}{1}}={\text{opposite}}}$ ${\displaystyle \cos(\theta )={\frac {\text{adjacent}}{\text{hypotenuse}}}}$ ${\displaystyle 0<\theta <{\frac {\pi }{2}}}$ ${\displaystyle {\frac {\sin(\theta )}{\cos(\theta )}}}$

Преимущество использования определения единичного круга состоит в том, что угол можно расширить до любого реального аргумента. Этого также можно достичь, потребовав определенной симметрии и того, чтобы синус был периодической функцией .

Определения сложных экспоненциальных функций

Показательная функция определена во всей области комплексных чисел . Определение синуса и косинуса можно распространить на все комплексные числа с помощью ${\displaystyle e^{z}}$

${\displaystyle \sin z={\frac {e^{iz}-e^{-iz}}{2i}}}$

${\displaystyle \cos z={\frac {e^{iz}+e^{-iz}}{2}}}$

Их можно перевернуть, чтобы получить формулу Эйлера.

${\displaystyle e^{iz}=\cos z+i\sin z}$

${\displaystyle e^{-iz}=\cos z-i\sin z}$

При построении графика на комплексной плоскости функция для действительных значений отображает единичный круг на комплексной плоскости. ${\displaystyle e^{ix}}$ ${\displaystyle x}$

Когда является действительным числом, синус и косинус упрощаются до мнимой и действительной частей или , как: ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle e^{ix}}$ ${\displaystyle e^{-ix}}$

${\displaystyle \sin x=\operatorname {Im} (e^{ix})=-\operatorname {Im} (e^{-ix})}$

${\displaystyle \cos x=\operatorname {Re} (e^{ix})=\operatorname {Re} (e^{-ix})}$

Когда для действительных значений и синус и косинус могут быть выражены через действительные синусы, косинусы и гиперболические функции как ${\displaystyle z=x+iy}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle y}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\sin z&=\sin x\cosh y+i\cos x\sinh y\\[5pt]\cos z&=\cos x\cosh y-i\sin x\sinh y\end{aligned}}}$

Определение дифференциального уравнения

${\displaystyle (\cos \theta ,\sin \theta )}$является решением двумерной системы дифференциальных уравнений и с начальными условиями и . Можно интерпретировать единичную окружность в приведенных выше определениях как определение траектории фазового пространства дифференциального уравнения с заданными начальными условиями. ${\displaystyle (x(\theta ),y(\theta ))}$ ${\displaystyle y'(\theta )=x(\theta )}$ ${\displaystyle x'(\theta )=-y(\theta )}$ ${\displaystyle y(0)=0}$ ${\displaystyle x(0)=1}$

• Анимация, демонстрирующая, как синусоидальная функция (красный цвет) отображается на основе координаты y (красная точка) точки единичного круга (зеленый цвет) под углом θ . Косинус (синий) — это координата x .

Ее можно интерпретировать как траекторию в фазовом пространстве системы дифференциальных уравнений , исходя из начальных условий и . ${\displaystyle y'(\theta )=x(\theta )}$ ${\displaystyle x'(\theta )=-y(\theta )}$ ${\displaystyle y(0)=0}$ ${\displaystyle x(0)=1}$

Определения серий

Синусоидальная функция (синяя) точно аппроксимируется полиномом Тейлора степени 7 (розовый) для полного цикла с центром в начале координат.

Эта анимация показывает, как включение все большего количества членов в частичную сумму ряда Тейлора приближается к синусоидальной кривой.

Последовательные производные синуса, оцененные как ноль, можно использовать для определения его ряда Тейлора. Используя только геометрию и свойства пределов , можно показать, что производная синуса — это косинус, а производная косинуса — это минус синуса. Это означает, что последовательные производные от sin(x) — это cos(x), -sin(x), -cos(x), sin(x), продолжая повторять эти четыре функции. (4 n + k )-я производная, оцененная в точке 0:

${\displaystyle \sin ^{(4n+k)}(0)={\begin{cases}0&{\text{when }}k=0\\1&{\text{when }}k=1\\0&{\text{when }}k=2\\-1&{\text{when }}k=3\end{cases}}}$

где верхний индекс представляет собой повторное дифференцирование. Это подразумевает следующее разложение в ряд Тейлора при x = 0. Затем можно использовать теорию рядов Тейлора , чтобы показать, что для всех действительных чисел x (где x - угол в радианах) справедливы следующие тождества: ^[3]

${\displaystyle {\begin{aligned}\sin(x)&=x-{\frac {x^{3}}{3!}}+{\frac {x^{5}}{5!}}-{\frac {x^{7}}{7!}}+\cdots \\[8pt]&=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n+1)!}}x^{2n+1}\\[8pt]\end{aligned}}}$

Взяв производную каждого члена, получим ряд Тейлора для косинуса:

${\displaystyle {\begin{aligned}\cos(x)&=1-{\frac {x^{2}}{2!}}+{\frac {x^{4}}{4!}}-{\frac {x^{6}}{6!}}+\cdots \\[8pt]&=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n)!}}x^{2n}\\[8pt]\end{aligned}}}$

Определения непрерывных дробей

Функцию синуса также можно представить в виде обобщенной цепной дроби :

${\displaystyle \sin(x)={\cfrac {x}{1+{\cfrac {x^{2}}{2\cdot 3-x^{2}+{\cfrac {2\cdot 3x^{2}}{4\cdot 5-x^{2}+{\cfrac {4\cdot 5x^{2}}{6\cdot 7-x^{2}+\ddots }}}}}}}}.}$

${\displaystyle \cos(x)={\cfrac {1}{1+{\cfrac {x^{2}}{1\cdot 2-x^{2}+{\cfrac {1\cdot 2x^{2}}{3\cdot 4-x^{2}+{\cfrac {3\cdot 4x^{2}}{5\cdot 6-x^{2}+\ddots }}}}}}}}.}$

Представления цепной дроби могут быть получены из формулы непрерывной дроби Эйлера и выражать значения действительных чисел , как рациональные , так и иррациональные , функций синуса и косинуса.

Личности

Точные тождества (в радианах ):

Они применимы ко всем значениям . ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle \sin(\theta )=\cos \left({\frac {\pi }{2}}-\theta \right)=\cos \left(\theta -{\frac {\pi }{2}}\right)}$

${\displaystyle \cos(\theta )=\sin \left({\frac {\pi }{2}}-\theta \right)=\sin \left(\theta +{\frac {\pi }{2}}\right)}$

Взаимные

Обратная величина синуса является косекансной, т.е. обратная величина равна . Косеканс дает отношение длины гипотенузы к длине противоположной стороны. Точно так же обратная величина косинуса является секущей, которая дает отношение длины гипотенузы к длине прилежащей стороны. ${\displaystyle \sin {\theta }}$ ${\displaystyle \csc {\theta }}$

${\displaystyle \csc {\theta }={\frac {1}{\sin {\theta }}}={\frac {\textrm {hypotenuse}}{\textrm {opposite}}}}$

${\displaystyle \sec {\theta }={\frac {1}{\cos {\theta }}}={\frac {\textrm {hypotenuse}}{\textrm {adjacent}}}}$

Инверсии

Обычные главные значения функций arcsin( x ) и arccos( x ) , изображенные на декартовой плоскости

Обратная функция синуса — это арксинус (arcsin или asin) или обратный синус ( sin ⁻¹ ). Обратная функция косинуса — это арккосинус (arccos, acos или cos ⁻¹ ). (Верхний индекс -1 в sin ^-1 и cos ^-1 обозначает обратную функцию, а не возведение в степень .) Поскольку синус и косинус не инъективны , их обратные функции не являются точными обратными функциями, а являются частичными обратными функциями. Например, sin(0) = 0 , но также sin( π ) = 0 , sin(2 π ) = 0 и т. д. Отсюда следует, что функция арксинуса многозначна: arcsin(0) = 0 , но также arcsin(0) = π , arcsin(0) = 2 π и т. д. Если требуется только одно значение, функция может быть ограничена своей главной ветвью . С этим ограничением для каждого x в домене выражение arcsin( x ) будет оценивать только одно значение, называемое его главным значением . Стандартный диапазон главных значений для arcsin составляет от − π /2 до π /2 , а стандартный диапазон для arccos — от 0 до π .

${\displaystyle \theta =\arcsin \left({\frac {\text{opposite}}{\text{hypotenuse}}}\right)=\arccos \left({\frac {\text{adjacent}}{\text{hypotenuse}}}\right).}$

где (для некоторого целого числа k ):

${\displaystyle {\begin{aligned}\sin(y)=x\iff &y=\arcsin(x)+2\pi k,{\text{ or }}\\&y=\pi -\arcsin(x)+2\pi k\\\cos(y)=x\iff &y=\arccos(x)+2\pi k,{\text{ or }}\\&y=-\arccos(x)+2\pi k\end{aligned}}}$

По определению, arcsin и arccos удовлетворяют уравнениям:

${\displaystyle \sin(\arcsin(x))=x\qquad \cos(\arccos(x))=x}$

и

${\displaystyle {\begin{aligned}\arcsin(\sin(\theta ))=\theta \quad &{\text{for}}\quad -{\frac {\pi }{2}}\leq \theta \leq {\frac {\pi }{2}}\\\arccos(\cos(\theta ))=\theta \quad &{\text{for}}\quad 0\leq \theta \leq \pi \end{aligned}}}$

Пифагорейское тригонометрическое тождество

Основная связь между синусом и косинусом представляет собой тригонометрическое тождество Пифагора : ^[1]

${\displaystyle \cos ^{2}(\theta )+\sin ^{2}(\theta )=1}$

где sin ² ( x ) означает (sin( x )) ² .

Формулы двойного угла

Синус и косинус удовлетворяют следующим формулам двойного угла:

${\displaystyle \sin(2\theta )=2\sin(\theta )\cos(\theta )}$

${\displaystyle \cos(2\theta )=\cos ^{2}(\theta )-\sin ^{2}(\theta )=2\cos ^{2}(\theta )-1=1-2\sin ^{2}(\theta )}$

Синусоидальная функция выделена синим цветом, а функция синусоидального квадрата — красным. Ось X указана в радианах.

Формула двойного угла косинуса подразумевает, что sin ² и cos ² сами по себе являются сдвинутыми и масштабированными синусоидальными волнами. В частности, ^[4]

${\displaystyle \sin ^{2}(\theta )={\frac {1-\cos(2\theta )}{2}}\qquad \cos ^{2}(\theta )={\frac {1+\cos(2\theta )}{2}}}$

На графике показаны как функция синуса, так и функция синус-квадрат: синус выделен синим цветом, а синус-квадрат красным. Оба графика имеют одинаковую форму, но с разными диапазонами значений и разными периодами. Синус-квадрат имеет только положительные значения, но количество периодов в два раза больше.

Производная и интегралы

Производные синуса и косинуса:

${\displaystyle {\frac {d}{dx}}\sin(x)=\cos(x)\qquad {\frac {d}{dx}}\cos(x)=-\sin(x)}$

и их первообразные:

${\displaystyle \int \sin(x)\,dx=-\cos(x)+C}$

${\displaystyle \int \cos(x)\,dx=\sin(x)+C}$

где C обозначает константу интегрирования . ^[1]

Свойства, относящиеся к квадрантам

Четыре квадранта декартовой системы координат.

В таблице ниже показаны многие ключевые свойства функции синуса (знак, монотонность, выпуклость), упорядоченные по квадранту аргумента. Для аргументов, не входящих в таблицу, можно вычислить соответствующую информацию, используя периодичность функции синуса. ${\displaystyle \sin(\alpha +2\pi )=\sin(\alpha )}$

Квадранты единичного круга и sin( x ) в декартовой системе координат.

В следующей таблице представлена ​​основная информация о границах квадрантов.

Фиксированные точки

Итерация с фиксированной точкой x _{n +1}  = cos( x _n ) с начальным значением x ₀  = −1 сходится к числу Дотти.

Ноль — единственная реальная фиксированная точка синусоидальной функции; другими словами, единственное пересечение функции синуса и тождественной функции — это . Единственная действительная неподвижная точка косинуса называется числом Дотти . То есть число Дотти является единственным вещественным корнем уравнения. Десятичное разложение числа Дотти равно . ^[5] ${\displaystyle \sin(0)=0}$ ${\displaystyle \cos(x)=x.}$ ${\displaystyle 0.739085\ldots }$

Длина дуги

Длина дуги синусоиды между и равна ${\displaystyle 0}$ ${\displaystyle t}$

${\displaystyle \int _{0}^{t}\!{\sqrt {1+\cos ^{2}(x)}}\,dx={\sqrt {2}}\operatorname {E} (t,1/{\sqrt {2}}),}$

где – неполный эллиптический интеграл второго рода с модулем . Его невозможно выразить с помощью элементарных функций . ${\displaystyle \operatorname {E} (\varphi ,k)}$ ${\displaystyle k}$

Длина дуги за полный период равна ^[6]

${\displaystyle L={\frac {4{\sqrt {2\pi ^{3}}}}{\Gamma (1/4)^{2}}}+{\frac {\Gamma (1/4)^{2}}{\sqrt {2\pi }}}={\frac {2\pi }{\varpi }}+2\varpi =7.640395578\ldots }$

где – гамма-функция , – константа лемнискаты . ^{[6] [7]} ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle \varpi }$

Законы

Закон синусов гласит, что для произвольного треугольника со сторонами a , b и c и углами, противоположными сторонам A , B и C :

${\displaystyle {\frac {\sin A}{a}}={\frac {\sin B}{b}}={\frac {\sin C}{c}}.}$

Это эквивалентно равенству первых трех выражений ниже:

${\displaystyle {\frac {a}{\sin A}}={\frac {b}{\sin B}}={\frac {c}{\sin C}}=2R,}$

где R — радиус описанной окружности треугольника .

Это можно доказать, разделив треугольник на два прямоугольных и воспользовавшись приведенным выше определением синуса. Закон синусов полезен для вычисления длин неизвестных сторон треугольника, если известны два угла и одна сторона. Это обычная ситуация, возникающая при триангуляции — методе определения неизвестных расстояний путем измерения двух углов и доступного замкнутого расстояния.

Закон косинусов гласит, что для произвольного треугольника со сторонами a , b и c и углами, противоположными этим сторонам A , B и C :

${\displaystyle a^{2}+b^{2}-2ab\cos(C)=c^{2}}$

В случае, когда , и это становится теоремой Пифагора : для прямоугольного треугольника, где c - гипотенуза. ${\displaystyle C=\pi /2}$ ${\displaystyle \cos(C)=0}$ ${\displaystyle a^{2}+b^{2}=c^{2},}$

Особые значения

Некоторые распространенные углы ( θ ) показаны на единичном круге . Углы задаются в градусах и радианах вместе с соответствующей точкой пересечения на единичной окружности (cos( ​​θ ), sin( θ )).

Для целых чисел , кратных 15° (то есть радиан), значения sin( x ) и cos( x ) особенно просты и могут быть выражены только через . Таблица этих углов приведена ниже. Более сложные выражения углов см. в разделе Точные тригонометрические значения § Общие углы . ${\displaystyle \textstyle {\frac {\pi }{12}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {2}},{\sqrt {3}},{\sqrt {6}}}$

Шаг 90 градусов:

Связь с комплексными числами

${\displaystyle \cos(\theta )}$и являются реальной и мнимой частями . ${\displaystyle \sin(\theta )}$ ${\displaystyle e^{i\theta }}$

Синус и косинус используются для соединения действительной и мнимой частей комплексного числа с его полярными координатами ( r , φ ):

${\displaystyle z=r(\cos(\varphi )+i\sin(\varphi ))}$

Действительная и мнимая части:

${\displaystyle \operatorname {Re} (z)=r\cos(\varphi )}$

${\displaystyle \operatorname {Im} (z)=r\sin(\varphi )}$

где r и φ представляют собой величину и угол комплексного числа z .

Для любого действительного числа θ формула Эйлера гласит , что:

${\displaystyle e^{i\theta }=\cos(\theta )+i\sin(\theta )}$

Следовательно, если полярные координаты z равны ( r , φ ), ${\displaystyle z=re^{i\varphi }.}$

Сложные аргументы

Раскраска области sin( z ) в комплексной плоскости. Яркость указывает абсолютную величину, оттенок представляет собой сложный аргумент.

sin( z ) как векторное поле

Применение определения синуса и косинуса в виде ряда к комплексному аргументу z дает:

${\displaystyle {\begin{aligned}\sin(z)&=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n+1)!}}z^{2n+1}\\&={\frac {e^{iz}-e^{-iz}}{2i}}\\&={\frac {\sinh \left(iz\right)}{i}}\\&=-i\sinh \left(iz\right)\\\cos(z)&=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n)!}}z^{2n}\\&={\frac {e^{iz}+e^{-iz}}{2}}\\&=\cosh(iz)\\\end{aligned}}}$

где sinh и cosh — гиперболические синус и косинус . Это целые функции .

Также иногда полезно выразить сложные функции синуса и косинуса через действительную и мнимую части аргумента:

${\displaystyle {\begin{aligned}\sin(x+iy)&=\sin(x)\cos(iy)+\cos(x)\sin(iy)\\&=\sin(x)\cosh(y)+i\cos(x)\sinh(y)\\\cos(x+iy)&=\cos(x)\cos(iy)-\sin(x)\sin(iy)\\&=\cos(x)\cosh(y)-i\sin(x)\sinh(y)\\\end{aligned}}}$

Частные дроби и разложения по произведениям комплексного синуса

Используя технику разложения в частные дроби в комплексном анализе , можно обнаружить, что бесконечный ряд

${\displaystyle \sum _{n=-\infty }^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{z-n}}={\frac {1}{z}}-2z\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{n^{2}-z^{2}}}}$

оба сходятся и равны . Аналогично можно показать, что ${\textstyle {\frac {\pi }{\sin(\pi z)}}}$

${\displaystyle {\frac {\pi ^{2}}{\sin ^{2}(\pi z)}}=\sum _{n=-\infty }^{\infty }{\frac {1}{(z-n)^{2}}}.}$

Используя технику расширения продукта, можно получить

${\displaystyle \sin(\pi z)=\pi z\prod _{n=1}^{\infty }\left(1-{\frac {z^{2}}{n^{2}}}\right).}$

Альтернативно, бесконечное произведение синуса можно доказать с помощью комплексного ряда Фурье .

Использование комплексного синуса

sin( z ) находится в функциональном уравнении для гамма-функции ,

${\displaystyle \Gamma (s)\Gamma (1-s)={\pi \over \sin(\pi s)},}$

что, в свою очередь, находится в функциональном уравнении для дзета-функции Римана ,

${\displaystyle \zeta (s)=2(2\pi )^{s-1}\Gamma (1-s)\sin \left({\frac {\pi }{2}}s\right)\zeta (1-s).}$

Как голоморфная функция , sin z является двумерным решением уравнения Лапласа :

${\displaystyle \Delta u(x_{1},x_{2})=0.}$

Комплексная синусоидальная функция также связана с кривыми уровня маятников . ^{[ как? ] [9] [ нужен лучший источник ]}

Сложные графики

История

Квадрант из Османской Турции 1840-х годов с осями для поиска синуса и версинуса углов.

Хотя раннее изучение тригонометрии восходит к древности, тригонометрические функции , используемые сегодня, были разработаны в средневековый период. Функция аккорда была открыта Гиппархом из Никеи (180–125 гг. До н.э.) и Птолемеем из Римского Египта (90–165 гг. н.э.). ^[10]

Функции синуса и косинуса можно проследить до функций джья и коти-джья , которые использовались в индийской астрономии в период Гуптов ( Арьябхатия и Сурья Сиддханта ), посредством перевода с санскрита на арабский, а затем с арабского на латынь. ^[11]

Все шесть тригонометрических функций, используемых в настоящее время, были известны в исламской математике к 9 веку, как и закон синусов , используемый при решении треугольников . ^[12] За исключением синуса (который был заимствован из индийской математики), остальные пять современных тригонометрических функций были открыты арабскими математиками, включая косинус, тангенс, котангенс, секанс и косеканс. ^[12] Аль-Хваризми (ок. 780–850) составил таблицы синусов, косинусов и тангенсов. ^{[13] [14]} Мухаммад ибн Джабир аль-Харрани аль-Баттани (853–929) обнаружил взаимные функции секущего и косеканса и составил первую таблицу косекансов для каждой степени от 1 ° до 90 °. ^[14]

Первое опубликованное использование аббревиатур sin , cos и tan принадлежит французскому математику XVI века Альберту Жирару ; в дальнейшем они были обнародованы Эйлером (см. ниже). Opus palatinum de triangulis Георга Иоахима Ретикуса , ученика Коперника , был, вероятно, первым в Европе, который определил тригонометрические функции непосредственно в терминах прямоугольных треугольников вместо кругов, с таблицами для всех шести тригонометрических функций; эта работа была завершена учеником Ретикуса Валентином Отоном в 1596 году.

В статье, опубликованной в 1682 году, Лейбниц доказал, что sin x не является алгебраической функцией от x . ^[15] Роджер Коутс вычислил производную синуса в своей «Harmonia Mensurarum» (1722). ^[16] Книга Леонарда Эйлера « Introductio in analysin infinitorum» (1748 г.) в основном способствовала созданию аналитической трактовки тригонометрических функций в Европе, также определяя их как бесконечные ряды и представляя « формулу Эйлера », а также почти современные сокращения греха. . , потому что. , Тан. , детская кроватка. , сек. , и косек. ^[11]

Этимология

Этимологически слово синус происходит от санскритского слова jyā «тетива лука» ^{[17] [18]} или, точнее, от его синонима jīvá (оба заимствованы из древнегреческого χορδή «струна» ^[19] ), из-за визуального сходства между дугой круга с соответствующей ему хордой и лука со своей тетивой (см. джья, коти-джья и уткрама-джья ). На арабском языке это слово было транслитерировано как jība , что на этом языке бессмысленно, и записано как jb ( جب ). Поскольку в арабском языке нет кратких гласных, jb интерпретировался как гомограф jayb (جيب), что означает «грудь», «карман» или «складка». Когда арабские тексты Аль-Баттани и аль-Хорезми были переведены на средневековую латынь в XII веке Герардом Кремонским , он использовал латинский эквивалент sinus (который также означает «залив» или «складка», а точнее «висячий»). складка тоги на груди»). ^{[11] [20] [21]} Джерард, вероятно, не был первым ученым, использовавшим этот перевод; Роберт Честерский, по-видимому, предшествовал ему, и есть свидетельства еще более раннего использования. ^{[22] [23]} Английская форма синуса была введена в 1590-х годах. ^[24]

Слово косинус происходит от аббревиатуры латинского комплементи синус «синус дополнительного угла » как косинус в «Каноне треугольника » Эдмунда Гюнтера (1620), который также включает аналогичное определение котангена . ^{[25] [26] [27]}

Реализации программного обеспечения

Стандартного алгоритма вычисления синуса и косинуса не существует. IEEE 754 , наиболее широко используемый стандарт для спецификации надежных вычислений с плавающей запятой, не рассматривает вычисление тригонометрических функций, таких как синус. Причина в том, что не известен эффективный алгоритм вычисления синуса и косинуса с заданной точностью, особенно для больших входных данных. ^[28]

Алгоритмы расчета синуса могут быть сбалансированы с учетом таких ограничений, как скорость, точность, портативность или диапазон принимаемых входных значений. Это может привести к разным результатам для разных алгоритмов, особенно для особых обстоятельств, таких как очень большие входные данные, например .sin(1022)

Общая оптимизация программирования, особенно используемая в 3D-графике, заключается в предварительном расчете таблицы значений синуса, например, одного значения на градус, затем для промежуточных значений выбирают ближайшее предварительно рассчитанное значение или линейную интерполяцию между двумя ближайшими значениями. значения для его аппроксимации. Это позволяет искать результаты в таблице, а не рассчитывать их в реальном времени. При использовании современных архитектур ЦП этот метод может не дать никаких преимуществ. ^{[ нужна цитата ]}

Алгоритм CORDIC обычно используется в научных калькуляторах.

Функции синуса и косинуса, а также другие тригонометрические функции широко доступны на разных языках программирования и платформах. В вычислительной технике их обычно сокращают до sinи cos.

Некоторые архитектуры ЦП имеют встроенную инструкцию для синуса, включая FPU Intel x87, начиная с 80387.

В языках программирования sinони cosобычно являются либо встроенной функцией, либо находятся в стандартной математической библиотеке языка.

Например, стандартная библиотека C определяет функции синуса в math.h : , и . Параметр каждого из них представляет собой значение с плавающей запятой , определяющее угол в радианах. Каждая функция возвращает тот же тип данных , который она принимает. Многие другие тригонометрические функции также определены в math.h , например, для косинуса, арксинуса и гиперболического синуса (sinh).sin(double)sinf(float)sinl(long double)

Аналогично Python определяет math.sin(x)и math.cos(x)внутри встроенного mathмодуля. В модуле также доступны сложные функции синуса и косинуса cmath, например cmath.sin(z). Математические функции CPython вызывают библиотеку C math и используют формат чисел с плавающей запятой двойной точности .

Пошаговые реализации

Некоторые библиотеки программного обеспечения предоставляют реализации синуса и косинуса с использованием входного угла в пол- оборота , причем полуоборот представляет собой угол в 180 градусов или радиан. Представление углов в виде поворотов или полуповоротов в некоторых случаях имеет преимущества в точности и эффективности. ^{[29] [30]} В MATLAB, OpenCL, R, Julia, CUDA и ARM эти функции называются и . ^{[29] [31] [30] [32] [33] [34]} Например, можно оценить, где x выражается в полуоборотах, и, следовательно, окончательный вход в функцию, πx можно интерпретировать в радианах как sin . ${\displaystyle \pi }$sinpicospisinpi(x) ${\displaystyle \sin(\pi x),}$

Преимущество в точности обусловлено способностью идеально отображать ключевые углы, такие как полный оборот, полуоборот и четверть оборота, без потерь в двоичном формате с плавающей или фиксированной запятой. Напротив, представление , и в двоичном формате с плавающей запятой или в двоичном масштабе с фиксированной запятой всегда связано с потерей точности, поскольку иррациональные числа не могут быть представлены конечным числом двоичных цифр. ${\displaystyle 2\pi }$ ${\displaystyle \pi }$ ${\textstyle {\frac {\pi }{2}}}$

Повороты также имеют преимущество в точности и эффективности при вычислении по модулю до одного периода. Вычисления по модулю 1 оборота или по модулю 2 полуоборотов могут быть выполнены без потерь и эффективно как с плавающей, так и с фиксированной запятой. Например, вычисление по модулю 1 или по модулю 2 для значения фиксированной точки в двоичном масштабе требует только побитового сдвига или побитовой операции И. Напротив, вычисление по модулю предполагает неточности в представлении . ${\textstyle {\frac {\pi }{2}}}$ ${\textstyle {\frac {\pi }{2}}}$

В приложениях, в которых используются датчики угла, датчик обычно обеспечивает измерение угла в форме, непосредственно совместимой с поворотами или полуповоротами. Например, датчик угла может считать от 0 до 4096 за один полный оборот. ^[35] Если в качестве единицы измерения угла используются полуобороты, то значение, полученное от датчика, напрямую и без потерь преобразуется в тип данных с фиксированной точкой с 11 битами справа от двоичной точки. Напротив, если в качестве единицы хранения угла используются радианы, то возникнут неточности и затраты на умножение необработанного целого числа датчика на приближение. ${\textstyle {\frac {\pi }{2048}}}$

Смотрите также

• Таблица синусов Арьябхаты
• Формула аппроксимации синуса Бхаскары I
• Дискретное синусоидальное преобразование
• Эллиптические функции Диксона
• Формула Эйлера
• Обобщенная тригонометрия
• Гиперболическая функция
• Лемнискатные эллиптические функции
• Закон синусов
• Список периодических функций
• Список тригонометрических тождеств
• Серия Мадхава
• Таблица синусов Мадхавы
• Теорема оптического синуса
• Полярный синус - обобщение углов при вершинах.
• Доказательства тригонометрических тождеств.
• Функция Sinc
• Синусные и косинусные преобразования
• Синусоидальный интеграл
• Синусоидальный квадрант
• Синусоидальная волна
• Уравнение Синус – Гордон
• Синусоидальная модель
• СОХ-КА-ТОА
• Тригонометрические функции
• Тригонометрический интеграл

Цитаты

1. Вайсштейн, Эрик В. «Синус». mathworld.wolfram.com . Проверено 29 августа 2020 г.
2. Янг, Синтия (2017). Тригонометрия. Джон Уайли и сыновья. п. 27. ISBN 978-1-119-32113-2.
3. Альфорс, Ларс (1 января 1979 г.). Комплексный анализ (3-е изд.). стр. 43–44.
4. «Функция синус-квадрат» . Проверено 9 августа 2019 г.
5. "OEIS A003957" . oeis.org . Проверено 26 мая 2019 г.
6. "A105419 - Oeis".
7. Адлай, Семен (2012). «Красноречивая формула периметра эллипса» (PDF) . Американское математическое общество . п. 1097.
8. Рудин, Уолтер (1987). Реальный и комплексный анализ (Третье изд.). Книжная компания МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-100276-6.п. 299, Теорема 15.4.
9. «Почему фазовый портрет простого плоского маятника и доменная раскраска sin(z) так похожи?». math.stackexchange.com . Проверено 12 августа 2019 г.
10. Брендан, Т. (февраль 1965 г.). «Как Птолемей построил таблицы тригонометрии». Учитель математики . 58 (2): 141–149 – через JSTOR.
11. Мерцбах, Ута К .; Бойер, Карл Б. (2011), История математики (3-е изд.), John Wiley & Sons: Слово «синус» появилось в результате перевода Роберта Честерского с арабского языка. Индусы дали полухорде название джива в тригонометрии, а арабы переняли его как джиба. В арабском языке также есть слово джаиб, означающее «залив» или «залив». Когда Роберт Честерский начал переводить техническое слово джиба, он, похоже, перепутал его со словом джаиб (возможно, потому, что гласные были опущены); следовательно, он использовал слово sinus, латинское слово, означающее «залив» или «входное отверстие».
12. Джинджерич, Оуэн (1986). «Исламская астрономия». Научный американец . Том. 254. с. 74. Архивировано из оригинала 19 октября 2013 г. Проверено 13 июля 2010 г.
13. Жак Сезиано, «Исламская математика», с. 157, в Селине, Хелейн ; Д'Амброзио, Убиратан , ред. (2000). Математика в разных культурах: история незападной математики . Springer Science+Business Media . ISBN 978-1-4020-0260-1.
14. «тригонометрия». Британская энциклопедия.
15. Николас Бурбаки (1994). Элементы истории математики . Спрингер. ISBN 9783540647676.
16. «Почему у синуса есть простая производная. Архивировано 20 июля 2011 г. в Wayback Machine », в «Исторических заметках для учителей исчисления». Архивировано 20 июля 2011 г. в Wayback Machine В. Фредериком Рики. Архивировано 20 июля 2011 г. в Вейбэк-машина
17. «Как триггерные функции получили свои имена» . Спросите доктора Математика . Дрексельский университет . Проверено 2 марта 2010 г.
18. Джей Джей О'Коннор и Э. Ф. Робертсон (июнь 1996 г.). «Тригонометрические функции» . Проверено 2 марта 2010 г.
19. См. Плофкер, Математика в Индии , Princeton University Press, 2009, стр. 257
    См. «Университет Кларка». Архивировано из оригинала 15 июня 2008 года.
    См. Maor (1998), главу 3, относительно этимологии.
20. Эли Маор (1998), Тригонометрические наслаждения , Принстон: Princeton University Press, стр. 35-36.
21. Виктор Дж. Кац (2008), История математики , Бостон: Аддисон-Уэсли, 3-е место. ред., с. 253, врезка 8.1. «История математики» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 14 апреля 2015 г. Проверено 9 апреля 2015 г.: Английское слово «синус» происходит от серии неправильных переводов санскритского слова « джья-ардха» (половина аккорда). Арьябхата часто сокращал этот термин до джья или его синонима джива . Когда некоторые из индуистских произведений были позже переведены на арабский язык, это слово было просто фонетически транскрибировано в бессмысленное арабское слово джиба . Но поскольку арабский язык пишется без гласных, более поздние авторы интерпретировали согласные jb как jaib , что означает грудь или грудь. В двенадцатом веке, когда работа по арабской тригонометрии была переведена на латынь, переводчик использовал эквивалентное латинское слово sinus , которое также означало грудь и, в более широком смысле, складку (как в тоге на груди), залив или залив.
22. Смит, DE (1958) [1925], История математики , том. Я, Дувр, с. 202, ISBN 0-486-20429-4
23. Различные источники приписывают первое использование пазухи либо
    • Перевод Платона Тибуртина « Астрономии Аль -Баттани» 1116 года.
    • Перевод Герарда Кремонского « Алгебры аль -Хорезми»
    • Перевод таблиц аль-Хорезми Робертом Честерским в 1145 году.
    См. Мерле, «Заметки об истории тригонометрических функций» Чеккарелли (ред.), Международный симпозиум по истории машин и механизмов , Springer, 2004 г.
    См. Маор (1998), глава 3, для более ранней этимологии, посвященной Джерарду.
    См. Каткс, Виктор (июль 2008 г.). История математики (3-е изд.). Бостон: Пирсон . п. 210 (боковая панель). ISBN 978-0321387004.
24. Англиизированная форма впервые упоминается в 1593 году в « Часословии Томаса Фейла , искусство набора номера» .
25. Гюнтер, Эдмунд (1620). Канон треугольный .
26. Рогель, Денис, изд. (6 декабря 2010 г.). «Реконструкция Треугольного канона Гюнтера (1620 г.)» (отчет об исследовании). ХЭЛ. инрия-00543938. Архивировано из оригинала 28 июля 2017 года . Проверено 28 июля 2017 г.
27. «Косинус».
28. Циммерманн, Пол (2006), «Можем ли мы доверять числам с плавающей запятой?», Grand Challenges of Informatics (PDF) , стр. 31 ноября, заархивировано (PDF) из оригинала 16 июля 2011 г. , получено 11 сентября 2010 г.
29. "Документация MATLAB sinpi
30. "R Документация sinpi
31. "Документация OpenCL sinpi
32. "Юлия Документация sinpi
33. "Документация CUDA sinpi
34. "Документация ARM sinpi
35. "Техническое описание датчика угла ALLEGRO

Рекомендации

• Траупман, доктор философии, Джон К. (1966), Латинский и английский словарь Нового колледжа , Торонто: Bantam, ISBN 0-553-27619-0
• Седьмой новый университетский словарь Вебстера , Спрингфилд: G. & C. Merriam Company, 1969.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с функцией синуса, на Викискладе?