KURS MATURALNY

Tożsamości trygonometryczne – wzory i zastosowania

Tego się dowiesz!

Tożsamości trygonometryczne to równości, które łączą sinus, cosinus i tangens tego samego kąta. Dzięki nim, znając jedną funkcję, można obliczyć pozostałe, a skomplikowane wyrażenia da się uprościć do jednej liczby. Na maturze pojawiają się w zadaniach zamkniętych i w krótkich dowodach. W tym wpisie wyjaśniam podstawowe tożsamości, skąd się biorą, i pokazuję krok po kroku, jak ich używać.

Jeśli definicje sinusa, cosinusa i tangensa w trójkącie prostokątnym nie są jeszcze dla Ciebie oczywiste, zacznij od wpisu „Funkcje trygonometryczne kąta ostrego w trójkącie prostokątnym”.

1Tożsamość a równanie

Równanie jest prawdziwe tylko dla niektórych wartości, na przykład sin α = ½ tylko dla α = 30° wśród kątów ostrych. Tożsamość jest prawdziwa dla każdego kąta, dla którego obie strony mają sens. Dlatego tożsamości można używać jak narzędzi: zawsze wolno zamienić jedną stronę na drugą.

2Podstawowe tożsamości

Jedynka trygonometryczna
sin2α + cos2α = 1

W trójkącie prostokątnym sin α = a/c i cos α = b/c. Zatem sin²α + cos²α = a²/c² + b²/c² = (a² + b²)/c². Z twierdzenia Pitagorasa a² + b² = c², więc wynik to 1. Zapis sin²α oznacza (sin α)², czyli kwadrat sinusa.

sin230° + cos230° = ¼ + ¾ = 1sin2α = 1 − cos2αcos2α = 1 − sin2α
Tangens jako iloraz
tg α = sin αcos α

tg α = a/b, a sin α : cos α = (a/c) : (b/c) = a/b. Tożsamość działa dla kątów, dla których cos α ≠ 0.

tg 45° = 2/22/2 = 1sin α = tg α · cos α
Kąty dopełniające do 90°
sin(90° − α) = cos α,   cos(90° − α) = sin α

W trójkącie prostokątnym drugi kąt ostry to 90° − α. Bok, który leży naprzeciw jednego kąta, leży przy drugim, więc sinus jednego jest cosinusem drugiego. Dla tangensa: tg(90° − α) = 1/tg α.

sin 60° = cos 30°cos 70° = sin 20°tg 20° · tg 70° = 1
Kąty 180° − α
sin(180° − α) = sin α,   cos(180° − α) = −cos α

Te wzory przydają się dla kątów rozwartych, na przykład w trójkątach rozwartokątnych. Tangens zmienia znak: tg(180° − α) = −tg α. Więcej o tym jest we wpisie o wzorach redukcyjnych.

sin 150° = sin 30° = ½cos 120° = −cos 60° = −½
Ważne o zapisiesin²α to (sin α)², a nie sin(α²). Podobnie sin 2α nie jest równe 2 sin α, a sin(α + β) nie jest równe sin α + sin β. Funkcji trygonometrycznych nie da się „rozdzielać” jak mnożenia.

3Zastosowanie 1: z jednej funkcji wyznacz pozostałe

PrzykładKąt α jest ostry i sin α = 13. Oblicz cos α i tg α.
cos2α = 1 − (13)2 = 89z jedynki
cos α = 83 = 223kąt ostry, więc cos α > 0
tg α = 13 : 223 = 122tg = sin : cos
tg α = 24usuwamy niewymierność z mianownika
Odpowiedźcos α = 223, tg α = 24
Uwaga na częsty błądZ cos²α = 8/9 wychodzą dwie liczby: ±2√2/3. Dla kąta ostrego wszystkie funkcje są dodatnie, więc bierzemy plus. Zawsze napisz, dlaczego wybierasz znak.

4Zastosowanie 2: z tangensa wyznacz sinus i cosinus

PrzykładKąt α jest ostry i tg α = 2. Oblicz sin α i cos α.

Mamy dwa równania z dwiema niewiadomymi: sin α / cos α = 2 oraz sin²α + cos²α = 1.

sin α = 2 cos αz tangensa
(2 cos α)2 + cos2α = 1wstawiamy do jedynki
5cos2α = 1
cos α = 15 = 55kąt ostry, więc dodatni
sin α = 2 · 55 = 255
Odpowiedźsin α = 255, cos α = 55

Sposób z trójkątem też działa: tg α = 2 = 2/1, więc rysujemy trójkąt z przyprostokątnymi 2 (naprzeciw) i 1 (przy). Przeciwprostokątna to √5, więc sin α = 2/√5 i cos α = 1/√5.

Tożsamości trygonometryczne to w moim kursie „Matematyka od podstaw do matury” trzecia lekcja z trygonometrii, po funkcjach w trójkącie prostokątnym i funkcjach dowolnego kąta. Potem są dwa zestawy zadań maturalnych z trygonometrii, rozwiązanych krok po kroku.

Zobacz kurs na Udemy

5Zastosowanie 3: wyrażenie przez tangens

Gdy znamy tangens, a wyrażenie zawiera sinusy i cosinusy w liczniku i mianowniku w tej samej potędze, wystarczy podzielić licznik i mianownik przez cos α. Wtedy wszystko zamienia się na tangens.

PrzykładWiadomo, że tg α = 3. Oblicz wartość wyrażenia sin α + cos αsin α − cos α.
sin α + cos αsin α − cos αdzielimy licznik i mianownik przez cos α
= sin αcos α + 1sin αcos α − 1
= tg α + 1tg α − 1 = 3 + 13 − 1 = 2
Odpowiedź2

Nie trzeba liczyć osobno sinusa i cosinusa. Ten trik działa nawet wtedy, gdy kąt nie jest ostry.

6Zastosowanie 4: kwadrat sumy sinusa i cosinusa

PrzykładKąt α jest ostry i sin α · cos α = 14. Oblicz sin α + cos α.
(sin α + cos α)2 = sin2α + 2 sin α cos α + cos2αkwadrat sumy
= 1 + 2 · 14jedynka trygonometryczna
= 32
sin α + cos α = 32 = 62kąt ostry: suma dodatnia
Odpowiedź62

Ten trik warto zapamiętać. Kwadrat sumy albo różnicy sinusa i cosinusa zawsze zawiera ukrytą jedynkę: (sin α ± cos α)² = 1 ± 2 sin α cos α.

7Zastosowanie 5: upraszczanie wyrażeń

WyrażenieRachunekWynik
1 − cos2αsin αsin2αsin αsin α
tg α · cos αsin αcos α · cos αsin α
sin α · tg α + cos αsin2αcos α + cos2αcos α = 1cos α1cos α
(sin α + cos α)2 + (sin α − cos α)21 + 2 sin α cos α + 1 − 2 sin α cos α2
sin217° + cos217°jedynka dla α = 17°1
sin 40° − cos 50°sin 40° = cos 50°0

Strategia upraszczania jest prosta: zamień tangens na sinus przez cosinus, sprowadź do wspólnego mianownika i szukaj miejsca, gdzie pojawia się sin²α + cos²α.

8Dowodzenie tożsamości

W zadaniu „wykaż, że” z trygonometrii przekształcamy jedną stronę, zwykle bardziej skomplikowaną, aż dostaniemy drugą stronę. Nie przenosimy wyrazów przez znak równości jak w równaniu, bo nie wiemy jeszcze, czy równość jest prawdziwa.

PrzykładWykaż, że dla kąta ostrego α zachodzi 1 + tg2α = 1cos2α.
L = 1 + tg2α = 1 + sin2αcos2αtangens jako iloraz
= cos2α + sin2αcos2αwspólny mianownik
= 1cos2α = Pjedynka w liczniku

Lewa strona jest równa prawej, co kończy dowód.

PrzykładWykaż, że sin4α − cos4α = sin2α − cos2α.
L = (sin2α)2 − (cos2α)2
= (sin2α − cos2α)(sin2α + cos2α)różnica kwadratów
= (sin2α − cos2α) · 1 = Pjedynka

To kończy dowód. Wzory skróconego mnożenia i jedynka trygonometryczna to najczęstsza para w takich dowodach. Ogólne zasady dowodów opisuję we wpisie o dowodach algebraicznych.

Na maturze podstawowej

Jedynka trygonometryczna i wzór tg α = sin α / cos α są w zestawie wzorów maturalnych CKE, razem ze wzorami redukcyjnymi. Na maturze podstawowej pojawiają się w zadaniach zamkniętych, w których z jednej funkcji kąta ostrego trzeba obliczyć inną albo uprościć wyrażenie, oraz w krótkich dowodach. Najważniejsze to pamiętać o znaku: dla kąta ostrego wszystkie funkcje są dodatnie.

Zadanie w stylu maturalnym (zamknięte)Kąt α jest ostry i tg α = 12. Wtedy sin α jest równy:

A. 55
B. 255
C. 12
D. 52

Rozwiązanie: trójkąt z przyprostokątnymi 1 (naprzeciw α) i 2 (przy α) ma przeciwprostokątną √5. sin α = 1/√5 = √5/5. Odpowiedź A. B to cos α, C to tangens, a D to odwrotność sinusa.

Zadanie w stylu maturalnym (otwarte)Wykaż, że dla każdego kąta ostrego α zachodzi równość (sin α + cos α)2 − 2 sin α cos α = 1.
L = sin2α + 2 sin α cos α + cos2α − 2 sin α cos αkwadrat sumy
= sin2α + cos2αśrodkowe wyrazy się znoszą
= 1 = Pjedynka trygonometryczna

To kończy dowód. Zapisz każdy krok i zakończ zdaniem, że lewa strona jest równa prawej.

9Najczęstsze błędy

Pierwszy błąd to pomylenie sin²α z sin(α²) albo z 2 sin α. Drugi to wybór ujemnego znaku dla funkcji kąta ostrego. Trzeci to „rozdzielanie” funkcji: sin(α + β) ≠ sin α + sin β i sin 2α ≠ 2 sin α. Czwarty to w dowodzie przenoszenie wyrazów przez znak równości jak w równaniu. Piąty to zapomnienie o usunięciu niewymierności z mianownika, gdy odpowiedzi w zadaniu zamkniętym są zapisane bez pierwiastka w mianowniku. Szósty to dzielenie przez cos α bez zastrzeżenia, że cos α ≠ 0.

10Sprawdź się

Rozwiąż samodzielnie, a potem kliknij, żeby zobaczyć rozwiązanie.

1. α ostry, cos α = 0,6. Oblicz sin α.

sin²α = 1 − 0,36 = 0,64, sin α = 0,8

2. α ostry, sin α = √3/2. Oblicz tg α.

cos α = ½, tg α = √3

3. α ostry, tg α = 1. Oblicz sin α · cos α.

α = 45°: (√2/2)² = ½

4. tg α = 4. Oblicz (2 sin α − cos α)/(sin α + cos α).

(2 · 4 − 1)/(4 + 1) = 7/5

5. Uprość (1 − sin²α) · tg α.

cos²α · sin α/cos α = sin α cos α

6. Oblicz cos²25° + cos²65°.

cos 65° = sin 25°, więc 1

7. α ostry, sin α + cos α = 1,2. Oblicz sin α cos α.

1,44 = 1 + 2 sin α cos α, więc 0,22

Trygonometria i cała matura krok po kroku

W kursie wideo „Matematyka od podstaw do matury” trygonometria ma trzy lekcje: funkcje w trójkącie prostokątnym, funkcje dowolnego kąta i tożsamości, a potem dwa zestawy zadań maturalnych. Te umiejętności wracają w planimetrii i stereometrii. Oglądasz w swoim tempie i wracasz do lekcji, kiedy potrzebujesz.

Przejdź do kursu na Udemy
Facebook
Pinterest
Twitter
LinkedIn

KURS MATURALNY

Uczysz się do matury z matematyki?

Jeśli ten wpis Ci pomógł, ale masz w głowie:

„okej, ten temat ogarniam… ale co z całą resztą?”

to właśnie po to stworzyłam mój kurs maturalny.

Nie musisz skakać po przypadkowych filmach, wpisach i zadaniach ani zastanawiać się, czego uczyć się najpierw.

W kursie przechodzimy przez wszystko krok po kroku:

Najpierw Narzędziownia – czyli podstawy, na których najczęściej wykładają się zadania: ułamki, potęgi, pierwiastki, procenty, logarytmy i inne rzeczy, które „niby były”, ale jakoś nie chcą zostać w głowie.

Potem zadania maturalne – dział po dziale, dokładnie w takim stylu, jaki spotkasz na maturze.

Na końcu arkusze CKE – żebyś nie tylko znał/a teorię, ale umiał/a faktycznie usiąść do arkusza i liczyć.

Ty liczysz. Ja pilnuję, żeby to miało kolejność. 😎

Schemat jest prosty i brutalnie skuteczny:

zrozumienie → praktyka → powtórka → utrwalenie.

Zaczynasz od zera

3–4 miesiące

Masz już podstawy

4–6 tygodni