Goniometrické funkcie - sínus, kosínus, tangens
Goniometrické funkcie vznikli z pomerov strán v pravouhlom trojuholníku. Neskôr sa ich definícia rozšírila na jednotkovú kružnicu. Vďaka tomu môžeme dnes tieto pomery strán používať ako funkcie. Na jednotkovej kružnici sú goniometrické funkcie definované pomocou dĺžok jednotlivých čiar. Na obrázku 1. sú tieto čiary vyznačené farebne. V článku Goniometrické funkcie je opísané, ako goniometrické funkcie vznikli a je tam aj bližšie vysvetlená definícia týchto funkcií na jednotkovej kružnici.Sínus
V 12. storočí istý pán Gerardo z Cremony prekladal staré arabské texty o geometrii do latinčiny. Pri preklade slova "jiba" sa pomýlil a namiesto "jiba" prečítal "jaib". "Jiba" znamená tetiva oblúka a "jaib" znamená záhyb na šatách. Asi mu to ani neprišlo čudné a tak sa latinské slovo "sinus", znamenajúce záhyb na šatách, udomácnilo v matematike. O štyri storočia neskôr, v roku 1590, slovo "sinus" použil pán Thomas Fale na pomenovanie pomeru medzi protiľahlou stranou trojuholníka a jeho preponou.[1]Sínus, ako funkcia, je zadefinovaná na jednotkovej kružnici pomocou dĺžky jednej čiary. Je to konkrétne bledožltá čiara z obrázku 1. Na obrázku 2 je vysvetlené, prečo je to práve dĺžka tej čiary. Goniometrické funkcie a teda aj sínus sa dá zobraziť viacerými spôsobmi. Každý spôsob je na niečo dobrý. Keď je zobrazený na jednotkovej kružnici, spolu s ďalšími funkciami, je pekne vidieť vzťahy medzi týmito funkciami. Napríklad, že čím je väčší sínus, tým je menší kosínus. Ďalej sa sínus dá zobraziť v grafe. Tu je sú pekne vidieť jeho vlastnosti. Napríklad jeho definičný obor, obor hodnôt, rôzne posunutia natiahnutia, či je k nemu niečo pripočítané a tak. Na grafe pekne vidno aj to, že sínus je periodický, a teda sa po určitom čase opakuje. Sínus sa dá zobraziť aj v tabuľke. Tu sú vidieť konkrétne hodnoty pre konkrétne uhly. Sínus nemusí byť iba taký pekný, že ide od -1 po 1 a perióda je 360°. Môže byť hocijako ponaťahovaný a poposúvaný. Naťahovať sa dá tak, že sa vynásobí nejakými číslami. Posúva sa tak, že sa k nemu zasa nejaké čísla pripočítajú. $$ a \cdot sin(b \cdot x + c) + d $$ Na nasledujúcich obrázkoch je nakreslené, ako sínus menia jednotlivé písmenká. Bledomodrou čiarou je nakreslený "obyčajný" sínus (teda sin(x)). Tmavomodrou čiarou je nakreslený zmenený sínus. Aby si lepšie rozumel, čo vlastne ten sínus vyprodukuje z daného uhlu, skús si vypočítať túto tabuľku a aj si to nakresli do grafu. Ak máš tabuľku vyrátanú, gratulujeme, tento odsek môžeš preskočiť. Ak sa ti nechce, tak sa prestaň zabávať hlúposťami a bež počítať. Ak nevieš ako začať rátať, dáme ti nápovedu:
- Najprv si vypočítaj druhý a tretí riadok. Počíta sa tam 2*x a x+30. Nie je to nutnosť, ale poteší, keď to bude treba dosadiť do sínusu. Počíta sa to tak, že zoberieš daný uhol a dosadíš ho za x, napr.: 2*(-63) = -126.
- Potom vypočítaj štvrtý riadok so sin(x). Tiež ho netreba, ale akoby si našiel, keď ho budeš používať ďalej a nebudeš musieť rátať stále to isté. Ráta sa tak, že sa uhol z prvého riadku dosadí za x a potom sa z toho vypočíta sínus, napr.: sin(-63) = -0,89.
- V posledných štyroch riadkoch sa ráta sínus, ktorý je nejak zmenený, alebo sa aspoň mení x, ktoré doňho vstupuje.
- V piatom riadku je 2*sin(x). Tu najprv treba dosadiť uhol za x, spraviť z toho sínus a nakoniec to vynásobiť dvomi: 2*sin(-63) = 2*(-0,89) = -1,78.
- V šiestom riadku je sin(2x). Tu treba najprv vypočítať 2x a potom z toho spraviť sínus. Keďže je 2x už vypočítané v druhom riadku, tu ho stačí len dosadiť. Napr.: sin(2*(-63)) = sin(-126) = -0,81.
- V siedmom riadku sa ráta 2+sin(x). Tu sa najprv spraví sínus x a potom sa k výsledku pripočíta dvojka. Napr.: 2+sin(-63) = 2+(-0,81) = 2-0,81 = 1,11.
- V poslednom ôsmom riadku je sin(x+30). Najprv sa dosadia stupne za x, pripočíta sa k nim ďalších 30 stupňov a z toho sa spraví sínus. Napr.: sin(-63+30) = sin(-33) = -0,54.
Ak si sa už do vôle vyšantil na grafe sínusu, tu je zopár otázok:
- Čo sa stane keď bude a desatinné číslo medzi 0 a 1?
- Čo sa stane, keď a bude záporné?
- Aké musí byť b, aby bola perióda sínusu (vzdialenosť medzi kopčekmi) väčšia ako pri sin(x)?
- Aká hodnota b spôsobí, že perióda sínusu bude najmenšia (najmenšia, aká sa dá nastaviť v našom grafe)?
- Čo sa stane, keď bude b záporné?
- Aké musí byť c, aby sa graf posunul doľava?
- Aké musí byť c, aby sa graf posunul doprava?
- Pomocou písmena d posuň graf tak, aby na y osi začínal na čísle 5.
- Ktorými písmenami sa dá otočiť graf tak, aby bol dolu hlavou (že od [0,0] nerastie hore k 1, ale klesá dole k -1)? Aké musia mať hodnoty? Prečo je to tak?
Kosínus
Pán Edmund Gunter sa narodil v Hertfordshire v roku 1581. Vyštudoval teológiu a stal sa anglickým duchovným. No jeho celoživotnou láskou bola matematika, teda hlavne vzťah medzi matematikou a reálnym svetom. Skoro sa stal aj jedným z prvých profesorov geometrie na Oxfordskej univerzite. Istý pán Savile daroval Oxfordu peniaze, aby si mohli otvoriť dve prvé prírodovedné fakulty - astronómiu a geometriu. Na pozíciu profesora geometrie sa hlásil aj Gunter. Na pracovný pohovor si doniesol niektoré vynálezy na určovanie vzdialenosti. Práve ukazoval, ako sa dajú zmerať vzdialenosti medzi hviezdami, keď ho prerušil pán Savile. Nakričal naňho, že to nie je geometria, ale len obyčajné predvádzanie trikov. Potom ho s výsmechom poslal domov. A tak sa pán Gunter nestal prvým profesorom geometrie na Oxforde. Veľká škoda sa nestala, lebo začal učiť inde. Stal sa profesorom astronómie v Londýne. Z jeho vynálezov je pre nás najdôležitejší jeden. V roku 1620 použil prvýkrát slovo kosínus.[2] Toto slovo vzniklo z dvoch latinských slov complementi sine, ktoré znamenajú doplnok k sínusu.Kosínus ako funkcia je na jednotkovej kružnici definovaný pomocou dĺžky jednej čiary. Je to tmavožltá čiara z obrázku 1. Na obrázku 9 je vysvetlené, prečo je to práve tá tmavožltá čiara. Aj kosínus sa dá zobraziť na jednotkovej kružnici, v grafe a v tabuľke. Na jednotkovej kružnici vidno jeho vzťahy s ostatnými funkciami alebo aj to, v ktorom kvadrante je kladný a v ktorom záporný. V grafe vidno jeho vlastnosti. Definičný obor, obor hodnôt, či je s niečím vynásobený, či je k nemu niečo pripočítané a podobne. Je tu vidno aj to, že je periodický, lebo sa jeho hodnoty opakujú. V tabuľke sú zasa vidno konkrétne hodnoty pre konkrétne uhly. Z grafu alebo z jednotkovej kružnice sa len ťažko dá vyčítať presná hodnota kosínusu pre daný uhol. Ani kosínus nemusí byť poslušný, začínať v 0,0 a ísť od -1 po 1. Môže začínať hocikde, ísť od hocikadiaľ po hocikadiaľ a kopčeky tiež môžu byť od seba vzdialené ako chcú. O všetko sa postarajú písmenká a,b,c,d, za ktoré sa dajú dosadiť rôzne čísla. $$ a \cdot cos(b \cdot x + c) + d $$ Skús si vypočítať kosínus pre pár uhlov. Všimni si, ako jednotlivé "písmená" menia hodnoty kosínusu. Nakresli si k jednotlivým kosínusom aj graf. Porozmýšľaj nad tým, ako má byť natiahnutý a posunutý. Čo viac dodať ku kosínusu. Snáď len toľko, že si ho zaži na vlastnej koži. Os x je v radiánoch nie v stupňoch, tak dávaj pozor. To isté platí aj pre písmeno c.
Tu je zopár otázok ku kosínusu:
- Aké musí byť a, aby kosínus išiel na menšom rozsahu, ako od -1 po 1?
- Čo sa stane, keď a bude 0?
- Čo spraví s grafom záporné a?
- Aké musí byť b, aby bola perióda kosínusu (vzdialenosť medzi kopčekmi) väčšia ako pri cos(x)?
- Aké hodnoty musí mať b, aby perióda bola menšia než pri cos(x)?
- Čo sa stane, keď bude b záporné?
- Aké musí byť c, aby sa graf posunul doľava?
- Aké musí byť c, aby sa graf posunul doprava?
- Dokáže c zmeniť kosínus na sínus? Ak áno, aké musí mať hodnoty? Vieš premeniť hodnoty z radiánov na stupne?
- Pomocou písmena d posuň graf tak, aby na y osi začínal na čísle -1.
- Ktorými písmenami sa dá otočiť graf tak, aby bol dolu hlavou (že neklesá od [0,1], ale rastie smerom od [0,-1] nahor)? Aké musia mať hodnoty? Prečo je to tak?
Tangens
Albert Girard bol Francúz. Žil v Holandsku, mal rád hudbu, vyštudoval matematiku a robil inžiniera v armáde princa Oranžského. V skratke toľko o človeku, ktorý asi ako prvý na svete použil slovo tangens na pomenovanie pomeru medzi protiľahlou a susednou stranou v pravouhlom trojuholníku. Slovo tangens pochádza z latinského slova tangere, čo znamená dotýkať sa. Ono to je aj pekne vidno na jednotkovej kružnici, že tangens sa jej dotýka iba v jednom bode. Ešte sa vráťme ku Girardovi. Okrem slova tangens že vraj aj ako prvý na svete použil skratky pre sínus, kosínus a tangens - sin, cos, tan. No a slovo tangens sa prvýkrát objavilo v jeho diele Trigonométrie z roku 1625 [3].Tangens je na jednotkovej kružnici zadefinovaný pomocou "oranžovej čiary" z obrázku č. 1. Dolu na obrázku je vysvetlené, prečo je to práve tá čiara. Rovnako, ako sínus a kosínus, aj tangens sa dá zobraziť viacerými spôsobmi. Na jednotkovej kružnici vidno jeho vzťahy s ostatnými funkciami. Na grafe je vidno jeho vlastnosti. Aj tangens je periodický, v grafe vidno, že sa opakuje. V tabuľke pekne vidno presné hodnoty tangensu pre zvolené uhly.
Tangens nie je spojitá funkcia, čo znamená, že jeho graf nie je jedna dlhá neprerušená čiara. Graf tangensu tvoria krivky, ktoré idú od -∞ po ∞. Je to preto, lebo pre uhly 90° a 270° "oranžová čiara" z obr. 1. (pomocou ktorej je definovaný tangens) na jednotkovej kružnici ide do nekonečna. Dobre to je vidno na animácií z článku Goniometrické funkcie. Do nekonečna ide preto, lebo tangens je dĺžka protiľahlej strany, u nás tá oranžová čiara. Na spomínanej animácií si môžeš všimnúť, že pri 90° a 270° trojuholník nachvíľu zaniká, lebo tá oranžová čiara (protiľahlá strana) sa nepretína s osou x. V tej chvíli oranžová čiara ide do nekonečna a keďže tangens je dĺžka tej čiary, tak aj tangens je nekonečno. Pri uhloch blízkych 90° a 270° sú hodnoty tangensu veľmi veľké, pretože tá oranžová čiara je veľmi dlhá. Rovnako ako sínus a kosínus, aj tangens sa dá naťahovať. Znovu na to slúžia písmenká a,b,c,d, za ktoré sa dajú dosadiť čísla. $$ a \cdot tan(b \cdot x + c) + d $$ Skús si vypočítať tangens niektorých uhlov. Vyrátaj aj posunuté tangensy a porozmýšľaj nad tým, ktoré písmenko ako a prečo spravilo s tangensom to, čo spravilo. Keď si ich nakreslíš do grafu, veríme, že sa ti bude nad tým rozmýšľať lepšie. Tu je pripravené ihrisko s tangensom. Môžeš grafu robiť zle koľko chceš, ale skús pri tom porozmýšľať, prečo je tangens práve taký, aký je. Aj tu máme pre teba upozornenie. Os x nie je v stupňoch, ale v radiánoch. Takisto aj písmeno c je v radiánoch. Skús prísť na to, že prečo c je v radiánoch a ostatné písmenká nemajú jednotky.
Na záver zopár otázok k tangensu:
- Ak by a išlo od 0 po 1, bol by graf strmší alebo miernejší, ako pri obyčajnom tan(x)?
- Čo sa stane, keď a bude 0?
- Čo sa stane, keď a bude záporné?
- Prečo sa tangens zmení na konštantnú funkciu, keď je a=0?
- Ako písmeno b zmení funkciu? Čo sa s ňou deje?
- Čo sa stane, keď bude b záporné?
- Dokáže aj b spraviť z tangensu konštantnú funkciu?
- Aké musí byť c, aby sa graf posunul doľava?
- Aké musí byť c, aby sa graf posunul doprava?
- Čo robí s grafom zmena písmena d?
Zdroje
[1] Merlet, J. P. 2004. A NOTE ON THE HISTORY OF TRIGONOMETRIC FUNCTIONS AND SUBSTITUTIONS. http://www.math.stonybrook.edu/~tony/history-resources/HISTORY_OF_TRIGONOMETRIC_F.pdf
[2] Wikipedia. 2021. Edmund Gunter.https://en.wikipedia.org/wiki/Edmund_Gunter
[3] O'Connor, J. J., Robertson E. F. 2010. Albert Girard. https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Girard_Albert/
[2] Wikipedia. 2021. Edmund Gunter.https://en.wikipedia.org/wiki/Edmund_Gunter
[3] O'Connor, J. J., Robertson E. F. 2010. Albert Girard. https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Girard_Albert/