角度、振動與旋轉都涉及同一對函式——正弦(sine)與餘弦(cosine)。在本基礎階段,最清晰的定義方式是將它們視為特定的冪級數,直接對應指數函數中 exp 的定義方式。這個方法無需訴諸幾何,讓你能從第一原理精確推導出導函數、恆等式,乃至 π 的定義。
冪級數定義
回顧指數函數,exp(x)=∑k=0∞xk/k! 對所有 x∈R 絕對收斂。將此級數按偶數項與奇數項分開,並各加交替符號,定義兩個新函式:
cosx:=k=0∑∞(2k)!(−1)kx2k=1−2!x2+4!x4−6!x6+⋯(1)
sinx:=k=0∑∞(2k+1)!(−1)kx2k+1=x−3!x3+5!x5−7!x7+⋯(2)
兩個級數對所有 x∈R 絕對收斂:比值審斂法(ratio test)給出比值 ∣x∣2/((2k+1)(2k+2))→0(k→∞),因此在每個有界區間上絕對且一致收斂。一致收斂保證了可對級數逐項微分。
在 x=0:餘弦級數的常數項為 1,其餘各項均消失,得 cos(0)=1。正弦級數以 x 項開頭,所以 sin(0)=0。
動機:歐拉公式
為何是這些特定的級數?在指數級數中代入 ix(其中 i2=−1):
exp(ix)=k=0∑∞k!(ix)k.
分離偶次冪與奇次冪,利用 i2m=(−1)m 和 i2m+1=i(−1)m,實部恰好是餘弦級數 (1),虛部是 i 乘以正弦級數 (2)。這給出了歐拉公式(Euler’s formula):
exp(ix)=cosx+isinx.(3)
在本基礎階段,將 (3) 視為一個啟發性洞見而非完全嚴格的陳述(完整處理需要將 exp 延伸到複數域)。這個公式使指數函數與三角函數之間的聯繫生動直觀,並讓你在下文中用一行推導出加法公式。
x=π 的特殊情形給出歐拉恆等式(Euler’s identity) exp(iπ)+1=0——一旦 π 被定義之後,下文即將給出定義。
導函數
對級數 (1) 和 (2) 逐項求導:
dxdcosx=k=1∑∞(2k)!(−1)k⋅2k⋅x2k−1=−j=0∑∞(2j+1)!(−1)jx2j+1=−sinx,
dxdsinx=k=0∑∞(2k+1)!(−1)k(2k+1)x2k=k=0∑∞(2k)!(−1)kx2k=cosx.
總結:
(cosx)′=−sinx,(sinx)′=cosx.(4)
對 (4) 求兩次導:(cosx)′′=−cosx 且 (sinx)′′=−sinx。因此兩個函式都滿足簡諧振盪方程(simple harmonic oscillator equation) y′′+y=0。
畢達哥拉斯恆等式
定理。 對所有 x∈R:
cos2x+sin2x=1.(5)
證明。 令 f(x):=cos2x+sin2x。利用 (4) 求導:
f′(x)=2cosx⋅(−sinx)+2sinx⋅cosx=0.
所以 f 在 R 上為常數。在 x=0 處求值:
f(0)=cos2(0)+sin2(0)=12+02=1.
因此 f(x)=1 對所有 x 成立。□
畢達哥拉斯恆等式(Pythagorean identity) (5) 是幾乎所有三角恆等式推導的源泉。一個直接推論:∣cosx∣≤1 且 ∣sinx∣≤1 對所有 x 成立。
加法公式
定理。 對所有 x,y∈R:
cos(x+y)=cosxcosy−sinxsiny,(6)
sin(x+y)=sinxcosy+cosxsiny.(7)
利用歐拉公式的證明。 將兩個複指數相乘:
exp(i(x+y))=exp(ix)exp(iy)=(cosx+isinx)(cosy+isiny).
展開右側:
=(cosxcosy−sinxsiny)+i(sinxcosy+cosxsiny).
左側由 (3) 等於 cos(x+y)+isin(x+y)。比較實部與虛部即得 (6) 和 (7)。□
在 (6) 中令 y=x 得倍角公式(double-angle formula) cos(2x)=cos2x−sin2x。結合畢達哥拉斯恆等式 (5),還得 cos(2x)=2cos2x−1=1−2sin2x。
π 的定義
餘弦級數 (1) 給出 cos(0)=1>0。可以驗證 cos(2)<0:對交替的部分和分組,可以看出從第二項起,每個部分和在 x=2 時均為負,仔細估計給出 cos(2)<−31。
由於 cos 是連續函式(其級數一致收斂),**中間值定理(Intermediate Value Theorem)**保證 cos 在區間 (0,2) 內至少有一個零點。
定義。 π 定義為 cos 最小正零點的兩倍:
π:=2⋅min{x>0∣cosx=0}.(8)
由此定義,cos(π/2)=0。在 x=π/2 處對畢達哥拉斯恆等式 (5) 求值,得 sin2(π/2)=1。由於 sin 在 (0,π/2) 上為正——其導函數在那裡等於 cos>0,且 sin(0)=0——故 sin(π/2)=1。
利用加法公式 (6) 和 (7),令 y=π/2:
cos(x+2π)=−sinx,sin(x+2π)=cosx.
再次應用此位移得 cos(x+π)=−cosx 且 sin(x+π)=−sinx,再應用一次則得週期性。
週期性
定理。 對所有 x∈R:
cos(x+2π)=cosx,sin(x+2π)=sinx.(9)
證明。 對 cos(x+π)=−cosx 應用兩次:
cos(x+2π)=cos((x+π)+π)=−cos(x+π)=−(−cosx)=cosx,
sin 的情況類似。□
事實上 2π 是兩個函式的最小週期,但證明此事需要確認 cos 在 π/2 以下沒有正零點。
特殊角度的值
以上推導確定了標準角度的值:
| x | cosx | sinx |
|---|
| 0 | 1 | 0 |
| π/6 | 3/2 | 1/2 |
| π/4 | 1/2 | 1/2 |
| π/3 | 1/2 | 3/2 |
| π/2 | 0 | 1 |
| π | −1 | 0 |
對於 π/4:在 x=y=π/4 時應用加法公式,結合 cos(π/2)=0 得 cos2(π/4)=sin2(π/4);再結合 (5),兩者均等於 1/2。
對於 π/3:倍角公式給出 cos(2π/3)=2cos2(π/3)−1。由於 cos(2π/3)=cos(π−π/3)=−cos(π/3)(由 cos(x+π)=−cosx 得),解方程 −cos(π/3)=2cos2(π/3)−1 得 cos(π/3)=1/2,再由 (5) 得 sin(π/3)=3/2。
其他三角函數
另外四個函式由正弦與餘弦的比值和倒數定義。
正切(Tangent):
tanx:=cosxsinx,cosx=0.
tan 的定義域為 R∖{π/2+kπ∣k∈Z},最小週期為 π。
餘切(Cotangent):
cotx:=sinxcosx,sinx=0.
**正割(Secant)與餘割(Cosecant)**是倒數:
secx:=cosx1,cscx:=sinx1.
tan 與 cot 的導函數
應用商法則(quotient rule),再利用畢達哥拉斯恆等式 (5):
(tanx)′=cos2xcosx⋅cosx−sinx⋅(−sinx)=cos2xcos2x+sin2x=cos2x1=sec2x.(10)
(cotx)′=sin2x−sinx⋅sinx−cosx⋅cosx=−sin2xcos2x+sin2x=−sin2x1=−csc2x.(11)
反三角函數——arcsin、arccos、arctan——的定義與研究見反三角函數。
摘要
- 餘弦與正弦由絕對收斂的冪級數 (1) 和 (2) 定義;在 x=0:cos(0)=1 且 sin(0)=0。
- 歐拉公式 exp(ix)=cosx+isinx 由在指數級數中代入 ix 後分離實部與虛部得出。
- 導函數: (cosx)′=−sinx 且 (sinx)′=cosx;兩個函式都滿足 y′′+y=0。
- 畢達哥拉斯恆等式: cos2x+sin2x=1,透過證明左側導函數為 0 並在 x=0 處求值得出。
- 加法公式 (6) 和 (7) 由展開 exp(ix)exp(iy)=exp(i(x+y)) 導出。
- π 定義為 cos 最小正零點的兩倍;其存在性由中間值定理對連續函式 cos 的應用保證。
- 週期性: cos 和 sin 的週期均為 2π。
- 關鍵值: cos(π/2)=0,sin(π/2)=1,cos(π)=−1,sin(π)=0,cos(π/4)=sin(π/4)=1/2,cos(π/3)=1/2,sin(π/3)=3/2。
- tanx=sinx/cosx,(tanx)′=sec2x;cotx=cosx/sinx,(cotx)′=−csc2x。