三角函數(Trigonometric Functions)

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最後更新: 標籤: 初等函數

角度、振動與旋轉都涉及同一對函式——正弦(sine)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exp\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\pi 的定義。

冪級數定義

回顧指數函數exp(x)=k=0xk/k!\exp(x) = \sum_{k=0}^{\infty} x^k/k! 對所有 xRx \in \mathbb{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(1)kx2k(2k)!=1x22!+x44!x66!+(1)\cos x \;\coloneqq\; \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k\,x^{2k}}{(2k)!} = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \frac{x^6}{6!} + \cdots \tag{1} sinx    k=0(1)kx2k+1(2k+1)!=xx33!+x55!x77!+(2)\sin x \;\coloneqq\; \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k\,x^{2k+1}}{(2k+1)!} = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \frac{x^7}{7!} + \cdots \tag{2}

兩個級數對所有 xRx \in \mathbb{R} 絕對收斂:比值審斂法(ratio test)給出比值 x2 ⁣/((2k+1)(2k+2))0|x|^2\!/\bigl((2k+1)(2k+2)\bigr) \to 0kk \to \infty),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。

x=0x = 0:餘弦級數的常數項為 11,其餘各項均消失,得 cos(0)=1\cos(0) = 1。正弦級數以 xx 項開頭,所以 sin(0)=0\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 ixix(其中 i2=1i^2 = -1):

exp(ix)=k=0(ix)kk!.\exp(ix) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(ix)^k}{k!}.

分離偶次冪與奇次冪,利用 i2m=(1)mi^{2m} = (-1)^mi2m+1=i(1)mi^{2m+1} = i(-1)^m,實部恰好是餘弦級數 (1)(1),虛部是 ii 乘以正弦級數 (2)(2)。這給出了歐拉公式(Euler’s formula)

exp(ix)=cosx+isinx.(3)\exp(ix) = \cos x + i\sin x. \tag{3}

在本基礎階段,將 (3)(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\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=πx = \pi 的特殊情形給出歐拉恆等式(Euler’s identity) exp(iπ)+1=0\exp(i\pi) + 1 = 0——一旦 π\pi 被定義之後,下文即將給出定義。

導函數

對級數 (1)(1)(2)(2) 逐項求導:

ddxcosx=k=1(1)k2kx2k1(2k)!=j=0(1)jx2j+1(2j+1)!=sinx,\frac{d}{dx}\cos x = \sum_{k=1}^{\infty} \frac{(-1)^k \cdot 2k \cdot x^{2k-1}}{(2k)!} = -\sum_{j=0}^{\infty} \frac{(-1)^j\,x^{2j+1}}{(2j+1)!} = -\sin x, ddxsinx=k=0(1)k(2k+1)x2k(2k+1)!=k=0(1)kx2k(2k)!=cosx.\frac{d}{dx}\sin x = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k(2k+1)x^{2k}}{(2k+1)!} = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k\,x^{2k}}{(2k)!} = \cos x.

總結:

(cosx)=sinx,(sinx)=cosx.(4)(\cos x)' = -\sin x, \qquad (\sin x)' = \cos x. \tag{4}

(4)(4) 求兩次導:(cosx)=cosx(\cos x)'' = -\cos x(sinx)=sinx(\sin x)'' = -\sin x。因此兩個函式都滿足簡諧振盪方程(simple harmonic oscillator equation) y+y=0y'' + y = 0

畢達哥拉斯恆等式

定理。 對所有 xRx \in \mathbb{R}

cos2x+sin2x=1.(5)\cos^2 x + \sin^2 x = 1. \tag{5}

證明。f(x)cos2x+sin2xf(x) \coloneqq \cos^2 x + \sin^2 x。利用 (4)(4) 求導:

f(x)=2cosx(sinx)+2sinxcosx=0.f'(x) = 2\cos x \cdot (-\sin x) + 2\sin x \cdot \cos x = 0.

所以 ffR\mathbb{R} 上為常數。在 x=0x = 0 處求值:

f(0)=cos2(0)+sin2(0)=12+02=1.f(0) = \cos^2(0) + \sin^2(0) = 1^2 + 0^2 = 1.

因此 f(x)=1f(x) = 1 對所有 xx 成立。\square

畢達哥拉斯恆等式(Pythagorean identity) (5)(5) 是幾乎所有三角恆等式推導的源泉。一個直接推論:cosx1|\cos x| \leq 1sinx1|\sin x| \leq 1 對所有 xx 成立。

加法公式

定理。 對所有 x,yRx, y \in \mathbb{R}

cos(x+y)=cosxcosysinxsiny,(6)\cos(x + y) = \cos x \cos y - \sin x \sin y, \tag{6} sin(x+y)=sinxcosy+cosxsiny.(7)\sin(x + y) = \sin x \cos y + \cos x \sin y. \tag{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).\exp(i(x + y)) = \exp(ix)\exp(iy) = (\cos x + i\sin x)(\cos y + i\sin y).

展開右側:

=(cosxcosysinxsiny)+i(sinxcosy+cosxsiny).= (\cos x\cos y - \sin x\sin y) + i(\sin x\cos y + \cos x\sin y).

左側由 (3)(3) 等於 cos(x+y)+isin(x+y)\cos(x+y) + i\sin(x+y)。比較實部與虛部即得 (6)(6)(7)(7)\square

(6)(6) 中令 y=xy = x倍角公式(double-angle formula) cos(2x)=cos2xsin2x\cos(2x) = \cos^2 x - \sin^2 x。結合畢達哥拉斯恆等式 (5)(5),還得 cos(2x)=2cos2x1=12sin2x\cos(2x) = 2\cos^2 x - 1 = 1 - 2\sin^2 x

π\pi 的定義

餘弦級數 (1)(1) 給出 cos(0)=1>0\cos(0) = 1 > 0。可以驗證 cos(2)<0\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=2x = 2 時均為負,仔細估計給出 cos(2)<13\cos(2) < -\tfrac{1}{3}

由於 cos\cos 是連續函式(其級數一致收斂),**中間值定理(Intermediate Value Theorem)**保證 cos\cos 在區間 (0,2)(0, 2) 內至少有一個零點。

定義。 π\boldsymbol{\pi} 定義為 cos\cos 最小正零點的兩倍:

π    2min{x>0cosx=0}.(8)\pi \;\coloneqq\; 2\cdot\min\{\,x > 0 \mid \cos x = 0\,\}. \tag{8}

由此定義,cos(π/2)=0\cos(\pi/2) = 0。在 x=π/2x = \pi/2 處對畢達哥拉斯恆等式 (5)(5) 求值,得 sin2(π/2)=1\sin^2(\pi/2) = 1。由於 sin\sin(0,π/2)(0,\,\pi/2) 上為正——其導函數在那裡等於 cos>0\cos > 0,且 sin(0)=0\sin(0) = 0——故 sin(π/2)=1\sin(\pi/2) = 1

利用加法公式 (6)(6)(7)(7),令 y=π/2y = \pi/2

cos ⁣(x+π2)=sinx,sin ⁣(x+π2)=cosx.\cos\!\left(x + \frac{\pi}{2}\right) = -\sin x, \qquad \sin\!\left(x + \frac{\pi}{2}\right) = \cos x.

再次應用此位移得 cos(x+π)=cosx\cos(x + \pi) = -\cos xsin(x+π)=sinx\sin(x + \pi) = -\sin x,再應用一次則得週期性。

週期性

定理。 對所有 xRx \in \mathbb{R}

cos(x+2π)=cosx,sin(x+2π)=sinx.(9)\cos(x + 2\pi) = \cos x, \qquad \sin(x + 2\pi) = \sin x. \tag{9}

證明。cos(x+π)=cosx\cos(x + \pi) = -\cos x 應用兩次:

cos(x+2π)=cos((x+π)+π)=cos(x+π)=(cosx)=cosx,\cos(x + 2\pi) = \cos\bigl((x+\pi)+\pi\bigr) = -\cos(x+\pi) = -(-\cos x) = \cos x,

sin\sin 的情況類似。\square

事實上 2π2\pi 是兩個函式的最小週期,但證明此事需要確認 cos\cosπ/2\pi/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:

xxcosx\cos xsinx\sin x
001100
π/6\pi/63/2\sqrt{3}/21/21/2
π/4\pi/41/21/\sqrt{2}1/21/\sqrt{2}
π/3\pi/31/21/23/2\sqrt{3}/2
π/2\pi/20011
π\pi1-100

對於 π/4\pi/4:在 x=y=π/4x = y = \pi/4 時應用加法公式,結合 cos(π/2)=0\cos(\pi/2) = 0cos2(π/4)=sin2(π/4)\cos^2(\pi/4) = \sin^2(\pi/4);再結合 (5)(5),兩者均等於 1/21/\sqrt{2}

對於 π/3\pi/3:倍角公式給出 cos(2π/3)=2cos2(π/3)1\cos(2\pi/3) = 2\cos^2(\pi/3) - 1。由於 cos(2π/3)=cos(ππ/3)=cos(π/3)\cos(2\pi/3) = \cos(\pi - \pi/3) = -\cos(\pi/3)(由 cos(x+π)=cosx\cos(x+\pi) = -\cos x 得),解方程 cos(π/3)=2cos2(π/3)1-\cos(\pi/3) = 2\cos^2(\pi/3) - 1cos(π/3)=1/2\cos(\pi/3) = 1/2,再由 (5)(5)sin(π/3)=3/2\sin(\pi/3) = \sqrt{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    sinxcosx,cosx0.\tan x \;\coloneqq\; \frac{\sin x}{\cos x}, \qquad \cos x \neq 0.

tan\tan 的定義域為 R{π/2+kπkZ}\mathbb{R} \setminus \{\pi/2 + k\pi \mid k \in \mathbb{Z}\},最小週期為 π\pi

餘切(Cotangent):

cotx    cosxsinx,sinx0.\cot x \;\coloneqq\; \frac{\cos x}{\sin x}, \qquad \sin x \neq 0.

**正割(Secant)餘割(Cosecant)**是倒數:

secx    1cosx,cscx    1sinx.\sec x \;\coloneqq\; \frac{1}{\cos x}, \qquad \csc x \;\coloneqq\; \frac{1}{\sin x}.

tan\tancot\cot 的導函數

應用商法則(quotient rule),再利用畢達哥拉斯恆等式 (5)(5)

(tanx)=cosxcosxsinx(sinx)cos2x=cos2x+sin2xcos2x=1cos2x=sec2x.(10)(\tan x)' = \frac{\cos x \cdot \cos x - \sin x \cdot (-\sin x)}{\cos^2 x} = \frac{\cos^2 x + \sin^2 x}{\cos^2 x} = \frac{1}{\cos^2 x} = \sec^2 x. \tag{10} (cotx)=sinxsinxcosxcosxsin2x=cos2x+sin2xsin2x=1sin2x=csc2x.(11)(\cot x)' = \frac{-\sin x \cdot \sin x - \cos x \cdot \cos x}{\sin^2 x} = -\frac{\cos^2 x + \sin^2 x}{\sin^2 x} = -\frac{1}{\sin^2 x} = -\csc^2 x. \tag{11}

反三角函數——arcsin\arcsinarccos\arccosarctan\arctan——的定義與研究見反三角函數

摘要

  • 餘弦正弦由絕對收斂的冪級數 (1)(1)(2)(2) 定義;在 x=0x = 0cos(0)=1\cos(0) = 1sin(0)=0\sin(0) = 0
  • 歐拉公式 exp(ix)=cosx+isinx\exp(ix) = \cos x + i\sin x 由在指數級數中代入 ixix 後分離實部與虛部得出。
  • 導函數: (cosx)=sinx(\cos x)' = -\sin x(sinx)=cosx(\sin x)' = \cos x;兩個函式都滿足 y+y=0y'' + y = 0
  • 畢達哥拉斯恆等式: cos2x+sin2x=1\cos^2 x + \sin^2 x = 1,透過證明左側導函數為 00 並在 x=0x = 0 處求值得出。
  • 加法公式 (6)(6)(7)(7) 由展開 exp(ix)exp(iy)=exp(i(x+y))\exp(ix)\exp(iy) = \exp(i(x+y)) 導出。
  • π\pi 定義為 cos\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\cos 的應用保證。
  • 週期性: cos\cossin\sin 的週期均為 2π2\pi
  • 關鍵值: cos(π/2)=0\cos(\pi/2) = 0sin(π/2)=1\sin(\pi/2) = 1cos(π)=1\cos(\pi) = -1sin(π)=0\sin(\pi) = 0cos(π/4)=sin(π/4)=1/2\cos(\pi/4) = \sin(\pi/4) = 1/\sqrt{2}cos(π/3)=1/2\cos(\pi/3) = 1/2sin(π/3)=3/2\sin(\pi/3) = \sqrt{3}/2
  • tanx=sinx/cosx\tan x = \sin x/\cos x(tanx)=sec2x(\tan x)' = \sec^2 xcotx=cosx/sinx\cot x = \cos x/\sin x(cotx)=csc2x(\cot x)' = -\csc^2 x