Trigonometrinen funktio
Trigonometriset funktiot ovat matematiikassa kulman funktioita, jotka ovat tärkeitä, kun tutkitaan kolmioita tai mallinnetaan jaksollisia ilmiöitä. Trigonometriset funktiot määritellään yleisesti kulman sisältävän suorakulmaisen kolmion sivujen suhteina, mutta ne voidaan yhtäpitävästi määritellä yksikköympyrään piirrettyjen janojen pituuksina. Modernimmat määritelmät esittävät ne sarjoina tai tiettyjen differentiaaliyhtälöiden ratkaisuina, jolloin ne voidaan laajentaa käsittämään sekä positiiviset että negatiiviset luvut ja jopa kompleksiluvut. Kaikki nämä lähestymistavat esitellään edempänä.
Nykyään on käytössä kuusi trigonometrista perusfunktiota, jotka on taulukoitu alempana keskinäisine yhteyksineen. Näitä yhteyksiä pidetään usein varsinkin neljän viimeisen funktion "määritelmänä", mutta ne voidaan määritellä yhtä hyvin myös geometrisesti tai muilla tavoilla ja johtaa sitten funktioiden väliset yhteydet.
Ennen oli käytössä myös muutama nykyään vähän käytetty funktio, joiden arvoja myös taulukoitiin, kuten:
Myös sekantti ja kosekantti ovat harvoin käytettyjä, sillä niiden sijasta käytetään yleensä sinin ja kosinin käänteisarvoja.
Trigonometristen funktioiden tiettyjen rajoittumien käänteisfunktioita ovat arkusfunktiot.
Määritelläksemme trigonometriset funktiot kulmalle "α", aloitamme mielivaltaisesta suorakulmaisesta kolmiosta, jossa on kulma "α". Suorankulman vastainen sivu on hypotenuusa, mitä merkitsemme myös h:lla. Vastainen kateetti on tarkastelemamme kulman vastainen sivu eli a. Viereinen kateetti on suoran kulman ja tarkastelemamme kulman välinen sivu eli b.
Oletamme kaikkien kolmioiden olevan euklidisella tasolla, jolloin sisäkulmien summa on 180°. Tällöin suorakulmaisen kolmion terävät kulmat ovat molemmat välillä 0° < θ < 90°, missä θ on kulma. Määrittelemmekin nyt tässä trigonometriset funktiot vain näille kulmille, laajempia määritelmiä esittelemme tuonnempana.
Kulman sini on vastaisen kateetin ja hypotenuusan pituuksien suhde. Huomaa, että tämä suhde ei riipu suorakulmaisesta kolmiosta: suorakulmaiset kolmiot, joissa on kulma "α", ovat yhdenmuotoisia. Kulman kosini on viereisen kateetin ja hypotenuusan pituuksien suhde. Kulman tangentti on vastaisen ja viereisen kateetin pituuksien suhde. Määritelmistä saamme seuraavat kaavat:
Jäljellä oleville kolmelle funktiolle on helpointa antaa määritelmät äsken laatimiemme määritelmien avulla. Kulman kosekantti on kulman sinin käänteisluku eli hypotenuusan ja vastaisen kateetin pituuksien suhde. Kulman sekantti on kulman kosinin käänteisluku eli hypotenuusan ja viereisen kateetin pituuksien suhde. Kulman kotangentti on kulman tangentin käänteisluku eli viereisen ja vastaisen sivun pituuksien suhde. Saamme kaavat:
Kun kulma formula_5 on hyvin lähellä nollaa tai suoraa kulmaa, kolmio on muodoltaan hyvin kapea. Tällöin siinä toinen kateetti on hyvin lyhyt ja toinen melkein hypotenuusan pituinen. Tällä perusteella laajennamme antamaamme trigonometristen funktioiden määritelmiä rajatapauksina myös 0 ja 90 asteen kulmille seuraavasti:
Nollan asteen kulmalle ei voida määritellä kotangenttia eikä sekanttia eikä liioin 90 asteen kulmalle tangenttia eikä kosekanttia. Kulman lähestyessä näitä arvoja näiden funktioiden arvot kasvavat rajattomasti, minkä vuoksi funktioilla sanotaan näissä kohdissa olevan raja-arvo ääretön.
Trigonometriset funktiot voidaan myös määritellä yksikköympyrän eli origossa sijaitsevan ympyrän, jonka säde on 1, avulla. Tämä määritelmä ei juuri eroa aiemmasta suorakulmaisten kolmioiden avulla tehdystä, sillä se tukeutuu vahvasti suorakulmaisiin kolmioihin. Yksikköympyrän etu on kuitenkin se, että se sallii trigonometristen funktioiden määrittelyjoukon luontevan laajentamisen kaikille positiivisille ja negatiivisille kulmille sen sijaan, että hyväksyttäisiin kulman arvot ainoastaan välillä 0° < θ < 90°. Siksi onkin luontevaa mitata kulmia radiaaneina asteiden sijaan. Yksikköympyrän yhtälö on:
Kuvassa on annettu joitain tavallisia kulmien arvoja radiaaneissa. Vastapäivään tehdyt mittaukset ovat positiivisia ja myötäpäivään tehdyt negatiivisia kulmia. Piirretään origon kautta kulkeva suora, joka muodostaa positiivisen "x"-akselin kanssa kulman θ. Tämän suoran ja yksikköympyrän leikkauspisteen "x"- ja "y"-koordinaatit (tässä järjestyksessä) ovat cos θ ja sin θ. Yksikköympyrän sisälle piirretty kolmio vahvistaa tämän; kolmion hypotenuusa on ympyrän säde, jonka pituus on 1, joten sin θ = "y"/1 ja cos θ = "x"/1. Yksikköympyrää voi ajatella tapana tarkastella ääretöntä määrää suorakulmaisia kolmioita vaihtelemalla sivujen pituuksia mutta pitämällä hypotenuusa yhtäsuurena.
Kulmilla, jotka ovat suurempia kuin täysikulma formula_8 tai pienempiä kuin formula_9, annetaan kulman kiertyä ympäri. Tällä tavalla sini ja kosini muuttuvat jaksollisiksi funktioiksi jaksolla formula_8.
kaikille kulman arvoille θ ja kokonaisluvuille "n".
Sinillä, kosinilla ja tangentilla on kaikilla äärettömästi nollakohtia seuraavasti, kun kulma on θ ja "n" on kokonaisluku:
Jaksollisen funktion "pienintä" positiivista jaksoa sanotaan funktion "perusjaksoksi". Sinin, kosinin, sekantin ja kosekantin kokonainen ympyrä eli formula_8 radiaania tai 360 astetta; tangentin perusjakso on puoliympyrä eli formula_17 radiaania tai 180 astetta. Yllä määriteltiin vain sini ja kosini suoraan yksikköympyrän avulla, sillä neljä muuta trigonometrista funktiota voidaan määritellä niiden avulla:
Oikealla olevassa kuvassa on sinin ja kosinin kuvaajista huomattavasti poikkeava tangenttifunktion kuvaaja piirrettynä koordinaatistoon. Huomaa, että sen "x"-akselin leikkauspisteet vastaavat sinifunktion vastaavia, kun taas ne arvot joilla se ei ole määritelty vastaavat kosinifunktion nollakohtia. Funktion arvot muuttuvat hitaasti lähellä kulman arvoja formula_20 ja nopeasti kulmilla jotka ovat lähellä arvoja formula_21. Tangentilla on pystysuora asymptootti formula_22:n arvoilla formula_23. Tämä johtuu siitä, että kulman arvon lähestyessä arvoa formula_24 vasemmalta lähestyy funktion arvo ääretöntä, kun taas oikealta lähestyttäessä sen arvo lähestyy miinus ääretöntä.
"Kaikki" trigonometriset funktiot voidaan vaihtoehtoisesti määritellä "O"-keskisen yksikköympyrän (kuvattu oikealla) avulla, ja vastaavanlaisia geometrisia määritelmiä käytettiinkin ennen paljon. Ympyrän jänteelle "AB", jossa θ on puolet kolmion "OAB" janan "AB" vastaisesta kulmasta, sin(θ) on "AC" (puolet jänteestä); määritelmä, jonka esitti intialainen matemaatikko Aryabhata 400-luvun lopulla. cos(θ) on vaakasuora jana "OC", ja versin(θ) = 1 − cos(θ) on jana "CD". tan(θ) on ympyrän pisteeseen "A" piirretylle tangentille piirretyn janan "AE" pituus, minkä takia funktio onkin nimetty "tangentiksi". cot(θ) on jana "AF", joka on myös pisteen "A" kautta kulkevalla tangentilla. sec(θ) ja csc(θ) ovat sekanttien osia, ja niitä voidaan myös pitää janan "OA" projektioina "x"- ja "y"-akseleille pisteeseen "A" piirrettyä tangenttia pitkin. "DE" on exsec(θ) = sec(θ) − 1 (sekantin ympyrän ulkopuolinen osa). Näissä konstruktioista on helppoa nähdä, että tangentti- ja sekanttifunktiot hajaantuvat, kun θ lähestyy suoraa kulmaa, ja että kosekantti ja kotangentti hajaantuvat θ:n lähestyessä nollaa. (Moni muu vastaava rakennelma on mahdollinen, ja yksinkertaiset trigonometriset identiteetit voidaan todistaa graafisesti.)
"Huomautus": Kuten differentiaalilaskennassa yleensäkin, kaikkien kulmien arvot ilmoitetaan tässä radiaaneina. (Katso otsikko radiaanien merkitys)
Pelkällä geometrialla ja raja-arvoilla voidaan osoittaa, että sinin derivaatta on kosini, ja että kosinin derivaatta on sinin vastaluku. Taylorin polynomien avulla voidaan näyttää että seuraavat identiteetit pätevät kaikille reaaliluvuille "x":
Näitä identiteettejä käytetään usein sinin ja kosinin "määritelminä" ja lähtöpisteenä trigonometristen funktioiden ja niiden sovellusten (esim. Fourier'n sarjoissa) täsmälliselle käsittelylle, sillä sarjojen teoria voidaan rakentaa reaalilukujen pohjalta, ilman minkäänlaisia geometrisia tulkintoja. Näiden funktioiden derivoituvuus ja jatkuvuus todentuu näin sarjojen määritelmien pohjalta.
Muillekin funktioille on olemassa sarjakehitelmiä (Abramowitz ja Stegun 1964, Weisstein 2006):
Kun tämä sarja esitetään muodossa, jossa nimittäjät ovat vastaavia kertomia, saavat osoittajat, joita kutsutaan "tangenttiluvuiksi", kombinatoriaalisen tulkinnan: ne ovat äärellisten parittomasti mahtavien joukkojen vuorottelevien permutaatioiden lukumäärä.
Kun tämä sarja esitetään muodossa, jossa nimittäjät ovat vastaavia kertomia, saavat osoittajat, joita kutsutaan "sekanttiluvuiksi", kombinatoriaalisen tulkinnan: ne ovat äärellisten parillisesti mahtavien joukkojen vuorottelevien permutaatioiden lukumäärä.
Kompleksianalyysissä käytetyn teoreeman mukaan tällä funktiolla on yksikäsitteinen analyyttinen laajennus kompleksilukujen alueelle. Sen Taylorin polynomi on sama kuin reaaliluvuille määritelty, joten trigonometriset funktiot on määritelty kompleksiluvuille käyttämällä yllä olevia Taylorin sarjoja.
Sarjakehitelmien avulla voidaan näyttää, että sini- ja kosinifunktio ovat eksponenttifunktion, jonka muuttuja on puhtaasti imaginaarinen, imaginaari- ja reaaliosa:
Tämän yhteyden huomasi ensimmäisenä Leonhard Euler, ja sitä kutsutaan hänen mukaansa Eulerin lauseeksi. Tämän lauseen seurauksena trigonometrisista funktioista tulee oleellinen osa kompleksianalyysin geometrista tulkintaa. Esimerkiksi kompleksitasolle piirretty yksikköympyrä, jonka määrittelee kaava formula_31, voidaan parametrisoida sinin ja kosinin avulla, jolloin kompleksiarvoisten eksponenttifunktioiden ja trigonometristen funktioiden välinen yhteys muuttuu entistä selvemmäksi.
Eulerin kaavan avulla voidaan lisäksi määritellä trigonometriset funktiot kompleksiargumenteilla formula_32:
missä formula_35.
Lisäksi kaikille reaalisille formula_22:
Funktio formula_40 ei saavuta ääretöntä missään äärellisessä pisteessä, mutta funktio lähenee sitä raja-arvona, jos formula_32 lähestyy ääretöntä siten, että sen imaginääriosa kasvaa kohti ääretöntä tai pienenee kohti miinusääretöntä. Tästä seuraa, että ääretön on siis funktion formula_40 asymptoottinen arvo. Edelläesitetty pätee myös funktiolle formula_43, koska sinin arvot saadaan kosinin arvoista siirtämällä niitä x-akselin suuntaan formula_44:n verran.
Sini- ja kosinifunktio toteuttavat differentiaaliyhtälön
toisin sanoen kumpikin on oman toisen derivaattansa vasta-alkio. Kaksiulotteisessa lineaariavaruudessa "V", joka koostuu tämän yhtälön kaikista ratkaisuista, sinifunktio saadaan alkuehdoilla formula_46 ja formula_47, ja kosinifunktio saadaan alkuehdoilla formula_48 ja formula_49. Koska sini ja kosini ovat lineaarisesti riippumattomia, muodostavat ne "V":n kannan. Tämä tapa määritellä trigonometriset funktiot on olennaisesti sama kuin Eulerin kaavan avulla tehty määritelmä. Tätä differentiaaliyhtälöä voi myös käyttää sinin ja kosinin trigonometristen kaavojen todistamiseen.
Tangenttifunktio on epälineaarisen differentiaaliyhtälön
yksiselitteinen ratkaisu alkuarvoilla formula_51.
Radiaanit määrittelevät kulman mittaamalla yksikköympyrän kehää pitkin kuljettua matkaa ja ovat trigonometristen funktioiden luonnollinen muuttuja. Ainoastaan ne sini- ja kosinifunktiot, jotka kuvaavat radiaanit suhteiksi, toteuttavat ne differentiaaliyhtälöt, jotka tavallisesti kuvaavat niitä. Jos sinin tai kosinin muuttujan "taajuutta" muutetaan,
muuttuu derivaattojen "amplitudi".
Vakio formula_54 on muunnoskerroin yksiköstä toiseen. Jos formula_22 on ilmoitettu asteissa,
Sinin toinen derivaatta ei siis toteuta differentiaaliyhtälöä
vaan yhtälön
kosinifunktio käyttäytyy samalla tavoin.
Nämä sinit ja kosinit ovat siis eri funktioita, ja sinin neljäs derivaatta on sini vain, jos muuttuja on radiaaneissa.
Lause: On olemassa täsmälleen yksi pari reaalifunktioita "s", "c", joilla on seuraavat ominaisuudet:
Kaikille formula_59:
Trigonometristen funktioiden monet tärkeimmät ominaisuudet voidaan johtaa sinin ja kosinin yhteen- ja vähennyslaskukaavoista. Näistä voidaan johtaa vastaavat kaavat myös tangentille ja kotangentille:
Näiden avulla voidaan johtaa edelleen myös seuraavat muunnoskaavat:
Yleensä trigonometrisen funktion arvoa ei voida esittää tarkasti, mutta joillekin erityisarvoille tämä onnistuu helposti käyttämällä Pythagoraan lausetta apuna. Esitämme näistä arvoista muutamia ja kaksi ns. muistikolmiota, joiden avulla voi tarkkoja arvoja laskea käsin.
Neliön lävistäjä jakaa neliön kahteen yhtä suureen suorakulmaiseen ja tasakylkiseen kolmioon. Näissä molemmissa kateetit ovat yhtä pitkät ja kulmat 45°-45°-90°. Pythagoraan lauseen mukaan neliön lävistäjän ja sivun suhde on √2. Nyt kun suorakulmaisen kolmion kaikkien sivujen pituudet tunnetaan, voidaan trigonometristen funktioiden tarkka arvo laskea määritelmien avulla.
Tasasivuisen kolmion kaikki kulmat ovat suuruudeltaan 60°. Jakamalla tämä kolmio kahtia korkeusjanalla, syntyy kaksi suorakulmaista kolmiota, joiden kulmat ovat 30°-60°-90° ja lyhyemmän kateetin pituus on puolet hypotenuusasta. Pythagoraan lauseesta seuraa, että pidemmän kateetin pituus on √3/2 kertaa hypotenuusan pituus.
Näiden sekä edellä jo mainittujen yhteen- ja vähennyslaskukaavojen avulla trigonometristen funktioiden tarkat arvot voi johtaa monille muillekin kulmille, kuten kaikille kulmille, joiden asteluku on kolmen monikerta. Käytännössä lausekkeista tulee melko monimutkaisia.
Trigonometristen funktioiden derivaatat voidaan johtaa niiden yhteen- ja vähennyslaskukaavojen avulla. Tällöin on kulmayksikkönä käytettävä radiaania. Ohessa on myös sinin, kosinin ja tangentin integraalit.
Trigonometriset funktiot ovat jaksollisia, joten niiden määrittelyjoukkoa täytyy rajoittaa, jotta niille olisi mahdollista määritellä käänteisfunktio. Seuraavassa taulukossa oikealla olevat yhtälöt "määrittelevät" vasemmalla olevan funktion; nämä eivät siis ole johdettuja kaavoja. Käänteisfunktiot, joista käytetään nimitystä arkusfunktiot, määritellään yleensä seuraavalla tavalla:
Trigonometrisille funktioille on mahdollista määrittää käänteisfunktiot myös mille tahansa jakson pituiselle monotoniselle välille. Joskus käytetään merkintää, jossa käänteisfunktion nimen alkuosan päällä on viiva, korostamaan sitä, että määrittely on tehty funktion päähaaran mukaan. Esimerkiksi formula_69. Tällainen merkintätapa on kuitenkin harvinainen.
Trigonometristen funktioiden käänteisfunktioille käytetään joskus merkintätapaa sin("x") ja cos("x"). Tässä merkintätavassa on kuitenkin vaarana, että käänteisfunktion sijasta sama merkintä voi tarkoittaa myös funktion negatiivista potenssia. Tämän välttämiseksi käytetään nimiä arcsin, arccos jne. trigonometristen funktioiden käänteisfunktioille.
Trigonometriset funktiot ovat, kuten nimestäkin käy ilmi, ratkaisevan tärkeitä trigonometriassa. Tämä johtuu pääasiassa kahdesta seuraavasta kaavasta:
Sinilauseen mukaan mille tahansa kolmiolle pätee:
joka voidaan esittää myös muodossa
jossa "a", "b" ja "c" ovat kolmion sivut, "α" on sivun "a" vastainen kulma, "β" on "b":n vastainen kulma, "γ" on "c":n vastainen kulma ja "R" on kolmion ympäri piirretyn ympyrän säde. Sinilause voidaan todistaa jakamalla kolmio kahteen suorakulmaiseen kolmioon ja käyttämällä yllä esitettyä sinin määritelmää suorakulmaisen kolmion sivujen suhteina. Sinilause on hyödyllinen laskettaessa tuntemattomien sivujen pituuksia, kun kaksi kulmaa ja yksi sivu on tiedossa. Tämä on yleinen tilanne kolmioinnissa, jonka avulla mitataan tuntemattomia pituuksia määrittämällä kaksi kulmaa ja niiden välinen pituus.
Kosinilause on Pythagoraan lauseen laajennus mielivaltaisille kolmioille:
joka voidaan muotoilla myös
jossa "a", "b" ja "c" ovat kolmion sivut ja "γ" on sivun "c" vastainen kulma. Tämänkin lauseen todistus on yksinkertainen kun jaetaan tutkittava kolmio kahteen suorakulmaiseen kolmioon. Kosinilauseen avulla voidaan laskea kolmion puuttuvat tiedot jos kaksi sivua ja kulma on tiedossa.
Kannattaa huomata että kolmio ei välttämättä ole yksikäsitteisesti määrätty, jos tunnettu kulma ei sijaitse tunnettujen sivujen välissä. Tällöin kosinilauseen ratkaisussa saadaan kaksi vaihtoehtoista sivun pituutta.
On olemassa myös tangenttilause:
jossa "a" ja "b" kolmion sivuja, ja "α" ja "β" ovat niitä vastaavat kulmat.
Trigonometriset funktiot ovat tärkeitä muissakin kohteissa kuin kolmioiden tutkimuksessa. Ne ovat jaksollisia funktioita, joiden kuvaajille ominainen aaltomuoto on hyödyllinen toistuvien ilmiöiden, kuten ääni- ja valoaaltojen mallintamisessa. Jokainen signaali voidaan kirjoittaa eritaajuisten sinifunktioiden (tavallisesti äärettömänä) summana; tämä on perustavanlaatuinen ajatus harmonisessa analyysissä, jossa trigonometrisia sarjoja käytetään osittaisdifferentiaaliyhtälöiden erilaisten reuna-arvotehtävien ratkaisussa.