Matematika Sekolah Menengah Atas · Grades 10–12
24Fungsi Trigonometri
Fungsi dan mengubah geometri lingkaran menjadi analisis. Didefinisikan dengan menggulung garis bilangan real pada lingkaran satuan, keduanya adalah purwarupa fungsi berkala, dan turunannya menjadikan keduanya penyelesaian persamaan osilasi .
24.1 Lingkaran satuan
Definisi 24.1 (Kosinus dan sinus)
Misalkan lingkaran berjari-jari 1 yang berpusat di titik asal suatu sistem koordinat ortonormal. Kepada setiap bilangan real kaitkan titik yang diperoleh dengan menggulung panjang sepanjang mulai dari titik , berlawanan arah jarum jam jika dan searah jarum jam jika sebaliknya. Maka dan adalah koordinat :
Karena keliling lingkarannya , titik tidak berubah ketika bertambah sebesar ; dan karena terletak pada lingkaran satuan:
Proposisi 24.2 (Identitas dasar)
Untuk semua dan :
Bukti. Identitas pertama adalah persamaan lingkaran satuan; sisanya menyatakan kesetangkupan lingkaran itu: adalah pencerminan pada sumbu-, pada sumbu-, dan pada garis . ∎
Nilai yang harus dihafal:
| [6pt] | |||||
| [6pt] |
Proposisi 24.3 (Rumus penjumlahan)
Untuk semua :
Khususnya dan .
Bukti. Vektor dan adalah vektor satuan yang membentuk sudut ; hasil kali skalarnya sama dengan (dari koordinatnya) sekaligus dengan (dari geometrinya), dan itulah rumus ketiga. Mengganti dengan memberi rumus pertama; rumus sinusnya menyusul dengan memakai . Rumus pelipatduaannya adalah kasus digabung dengan . ∎
24.2 Kajian analitis
Lema 24.4 (Limit dasar)
Bukti. Untuk , bandingkanlah tiga luas pada lingkaran satuan: segitiga , juring lingkaran , dan segitiga siku-siku beralas dan bertinggi :
Ketaksamaan pertama memberi ; yang kedua memberi . Ketika , (kekontinuan), dan teorema apit memberikan ; sifat ganjil-genapnya memperluas ini ke . Untuk limit yang kedua,
∎
Teorema 24.5 (Turunan sinus dan kosinus)
Fungsi dan dapat diturunkan pada , dengan
Secara lebih umum, dan .
Bukti. Menurut rumus penjumlahannya,
dengan memakai Lema 24.4. Perhitungan untuk serupa, dan bentuk umumnya menyusul dari aturan rantai. ∎
Proposisi 24.6 (Variasi)
Pada , turun dari ke . Pada , naik dari ke . Kedua fungsi itu berkala dan berdaerah hasil ; genap, ganjil.
Bukti. Pada , sebab titik berordinat positif di sana; serupa pula pada . Sifat berkala dan sifat ganjil-genapnya berasal dari Proposisi 24.2. ∎
Metode 24.7 (Menyelesaikan dan )
Untuk , carilah satu penyelesaian khusus (dari tabel nilainya atau dengan kalkulator). Maka semua penyelesaiannya adalah:
Untuk pertidaksamaannya, letakkanlah busur penyelesaiannya pada lingkaran satuan lalu bacalah selangnya di dalam satu kala.
Contoh 24.8
Selesaikan di : satu penyelesaian khususnya , jadi penyelesaiannya dan . Di seluruh : , .
24.3 Latihan
Latihan 24.1 ★
Hitunglah , , dan dengan memakai identitas pada Proposisi 24.2.
Solusi
Solusi Latihan 24.1.
.
.
.
.
Latihan 24.2 ★
Turunkanlah , dan .
Solusi
Solusi Latihan 24.2.
(aturan rantai).
(aturan rantai dan aturan hasil kali).
Aturan hasil bagi:
Latihan 24.3 ★
Selesaikan di , lalu di :
Solusi
Solusi Latihan 24.3.
(a) Satu penyelesaian khusus adalah . Penyelesaian umumnya: atau . Di : .
(b) memberi , jadi . Di : .
Latihan 24.4 ★★
Dengan memakai rumus penjumlahannya, hitunglah nilai eksak dan . (Petunjuk: .)
Solusi
Solusi Latihan 24.4.
Dengan , :
Latihan 24.5 ★★
Selesaikan di pertidaksamaan . (Petunjuk: faktorkanlah bentuk kuadrat dalam itu.)
Solusi
Solusi Latihan 24.5.
Ambil : jika dan hanya jika atau .
memberi . Untuk : pada lingkaran satuan, itulah busur di bawah garis mendatar , yang di menjadi . Jadi
Latihan 24.6 ★★
Hitunglah limitnya
Solusi
Solusi Latihan 24.6.
(komposisi dengan ).
Dengan memakai :
Dengan mensubstitusikan : .
Latihan 24.7 ★★
Kajilah fungsi pada : variasi dan nilai ekstremnya. Tunjukkan bahwa naik pada walaupun bernilai nol di tak berhingga banyak titik.
Solusi
Solusi Latihan 24.7.
untuk semua , dengan kesamaan tepat ketika , yaitu . Pada , naik dari ke (nol di terpencil, sehingga naiknya bahkan tegas); minimumnya di , maksimumnya di . Pada , di mana-mana dengan nol yang terpencil saja, jadi naik (secara tegas) menurut Teorema 22.7, walaupun bernilai nol di setiap .
Latihan 24.8 ★★★
Misalkan dengan .
- Tunjukkan bahwa dapat ditulis dengan dan suatu yang sesuai.
- Simpulkan nilai maksimum dan minimum , lalu selesaikan di .
Solusi
Solusi Latihan 24.8.
1. Misalkan . Titik terletak pada lingkaran satuan, jadi ada dengan dan . Maka
2. Karena daerah hasil adalah , maksimum adalah dan minimumnya . Untuk : , , , jadi persamaannya menjadi , yaitu , yang memberi : di , .
Latihan 24.9 ★★★
Tunjukkan bahwa dan keduanya memenuhi persamaan diferensial . Sebaliknya, misalkan suatu penyelesaian dengan dan ; tunjukkan bahwa . (Petunjuk: tinjaulah dan “tenaga” .)
Solusi
Solusi Latihan 24.9.
dan : keduanya memenuhi .
Misalkan . Maka (kelinearan penurunan), dan . Ambil . Maka
sehingga tetap dan sama dengan . Jumlah dua kuadrat yang bernilai nol secara identik memaksa , jadi .
24.4 Soal: Rahasia bandul
Soal 24.1
Soal akhir pekan — satu limit geometris menggerakkan turunan sinus dan kosinus, dan dari keduanya seluruh osilasi: pegas, bandul, layangan bunyi, dan meter yang nyaris jadi
Setiap jam yang pernah berdetak, setiap dawai yang pernah berbunyi, menuruti matematika yang sama: gaya pemulih yang sebanding dengan simpangannya, sehingga persamaannya , sehingga kosinus. Di dasar semuanya duduk satu limit yang tampak tak berdosa, — dijanjikan di kelas 9, dipakai oleh Teorema 24.5, dan dibuktikan di sini dengan gambar. Soal ini mendaki dari limit itu sampai ke ayunan sebuah bandul sepanjang satu meter, dan menjelaskan mengapa meter, tipis sekali bedanya, tidak didefinisikan olehnya.
Bagian I — Limit dasarnya.
- Pemanasan secara numeris: hitunglah untuk dan (dalam radian!).
- Apitannya, pada lingkaran satuan dengan : nyatakanlah dengan geometri dasar luas (i) segitiga yang bertitik sudut , dan titik lingkaran ; (ii) juring lingkaran ; (iii) segitiga siku-siku dengan .
- Dari apitan luas itu simpulkan , lalu , dan simpulkan dengan teorema apit bahwa (sifat ganjilnya mengurus ).
- Simpulkan (kalikan dengan sekawannya).
- Jelaskan mengapa limit ini adalah mesin Teorema 24.5 (berapakah ?), dan mengapa ia juga melunasi utang lama: dalam arti apa radian adalah satu-satunya satuan sudut yang membuat berlaku tanpa tetapan tambahan?
Bagian II — Gerak harmonis.
- Periksalah dengan aturan rantai bahwa memenuhi .
- Sebuah massa pada pegas menuruti , dengan dan . Dengan menerima (dari Latihan 24.9) bahwa semua penyelesaiannya berbentuk , tentukanlah dan .
- Tulislah ulang penyelesaiannya sebagai (Latihan 24.8): berikan amplitudo , kala ayunnya, dan fase (tiga angka di belakang titik).
- Pada saat manakah massa itu untuk pertama kalinya melewati kedudukan seimbang ?
- Bandulnya: sebuah bandul pada tali sepanjang menuruti secara eksak — tak terselesaikan dengan fungsi dasar. Untuk ayunan kecil, gantilah dengan (Bagian I membenarkannya!) lalu simpulkan kala ayunnya . Hitunglah untuk m (): penemuan masyhur Galileo — pada apakah rumus itu tidak bergantung?
- Bandul sekon: panjang berapakah yang memberi sekon tepat? Akademi Ilmu Pengetahuan Prancis pada tahun 1791 ragu antara panjang itu dan sepersepuluh juta seperempat meridian untuk mendefinisikan meter — berapa milimeterkah beda kedua calon itu?
Bagian III — Rumus penjumlahan beraksi.
- Tunjukkan dengan rumus penjumlahannya (Proposisi 24.3) bahwa dan : penurunan secara melingkar adalah seperempat putaran — periksalah keselarasannya dengan Teorema 24.5.
- Turunkanlah identitas hasil-kali-ke-jumlah dan pelinearan (bab pengintegralan akan berterima kasih).
- Layangan bunyi: turunkanlah , lalu terapkan pada dua garpu tala pada dan Hz: nada apakah yang didengar telinga, dan berapa denyut tiap sekonnya? (Beginilah orkestra menyetel nadanya.)
- Turunkanlah identitas sudut rangkap tiga (tulislah ). Dengan mengambil , persamaan pangkat tiga apakah yang harus dipenuhi ? (Bahwa persamaan pangkat tiga itu tak dapat diselesaikan dengan akar kuadrat saja justru itulah sebabnya pembagian sudut menjadi tiga mengalahkan penggaris dan jangka selama dua ribu tahun — kisah lengkapnya diceritakan dalam jilid universitas.)
- Sebuah arus bolak-balik terbaca . Tulislah ulang sebagai : berapakah arus puncaknya dan fasenya?
Bagian IV — Dunia yang berayun.
- Kala ayun: berapakah kala (terkecil) dari (pakailah pertanyaan 13)? Dan dari ?
- Bandul yang sesungguhnya teredam: . Lukiskan geraknya, hitunglah nilai selubungnya di (seorang kawan lama muncul kembali, Soal 23.1), lalu sebutkan bab tempat persamaan dengan penyelesaian seperti itu diselesaikan.
- Mengapa sinus dan kosinus menguasai setiap getaran? Berikan kamus fisika-ke-matematikanya dalam dua kalimat (gaya pemulih yang sebanding dengan simpangannya persamaan yang mana penyelesaian yang mana), lalu katakan apa sumbangan Latihan 24.9 bagi pernyataan itu.
- Penutup: busur bab ini dalam empat langkah — satu limit geometris, dua turunan, satu persamaan diferensial, seluruh osilasi. Dan tanda bintang yang jujur: untuk ayunan besar, kala bandul yang sebenarnya melibatkan integral eliptis, yang dihitung secepat kilat oleh …rata-rata aritmetika–geometri Gauss, hidangan penutup Soal 20.1. Benang-benang seri ini menyimpul dirinya.
Solusi
Solusi Soal 24.1.
1. dan : merayap menuju .
2. Segitiga : alasnya , tingginya , luasnya . Juring : bagiannya dari cakram satuan, luasnya . Segitiga : alasnya , tingginya , luasnya .
3. Segitiga kecil itu duduk di dalam juringnya, dan juringnya di dalam segitiga besar: , yaitu . Dari diperoleh ; dan dari , dengan mengalikan dengan : . Ketika , , sehingga terapit: ; dan genap, jadi limit dua sisinya adalah .
4. .
5. : seluruh penurunan sinus dan kosinus mengalir dari satu limit ini. Diukur dalam derajat, limitnya menjadi , dan setiap turunannya akan menyeret tetapan itu: radian tepat merupakan satuan yang membuat kalkulus osilasi menjadi bersih.
6. , .
7. . ; , jadi dan .
8. ; kala ayunnya ; fasenya , sehingga .
9. untuk pertama kalinya ketika , jadi sekon.
10. Dengan : , yaitu gerak harmonis dengan dan kala . Untuk : sekon. Kala ayunnya tidak bergantung pada amplitudonya (untuk ayunan kecil) — keisokronan Galileo, kenyataan yang memungkinkan adanya jam bandul.
11. m: bandul sekon itu kira-kira mm lebih pendek daripada meter meridian. Akademinya memilih meridian (gravitasi berubah dari tempat ke tempat, mengkhianati bandulnya); seandainya setipis rambut lebih besar, meter kita akan berdetak.
12. ; . Jadi menurunkan sinus memberi sinus yang bergeser seperempat putaran (), lalu sekali lagi (), dan sekali lagi, dan pulang dalam empat langkah: penurunan memutar lingkarannya.
13. Dengan menjumlahkan kedua jabaran : . Dengan : , yaitu .
14. Dengan dan bayangan cerminnya, lalu menjabarkan dan menjumlahkan: . Untuk dan Hz: sebuah nada pada Hz yang kenyaringannya dimodulasi oleh — kenyaringannya memuncak kali tiap sekonnya (nilai mutlak selubungnya): empat layangan tiap sekonnya, yang lenyap ketika kedua garpu itu sepakat.
15. . Di : , jadi memenuhi — persamaan pangkat tiga tanpa penyelesaian berbentuk akar kuadrat: melukis , yaitu membagi tiga , berada di luar jangkauan penggaris dan jangka.
16. ; , jadi dan : puncaknya ampere, dengan ketinggalan fase .
17. , jadi kalanya . Kala adalah , sedangkan kala adalah : jumlahnya berulang setelah kelipatan persekutuan terkecilnya, yaitu .
18. Osilasi berkala di dalam selubung yang menyusut, : tiap ayunan kira-kira lebih rendah. Di selubungnya bernilai — lagi-lagi tetapan Soal 23.1. Persamaan dengan penyelesaian teredam seperti itu () diselesaikan di bab persamaan diferensial.
19. Gaya yang menarik kembali sebanding dengan simpangannya memberi ; dan Latihan 24.9 menunjukkan bahwa penyelesaian persamaan itu tepat berupa gabungan dan — keberadaannya lewat contoh, ketunggalannya lewat latihan itu: getaran tidak punya pilihan selain menjadi sinusoidal.
20. Satu limit (, lewat luas yang terapit), dua turunan (, ), satu persamaan (), dan sebuah dunia berisi jam, dawai, arus dan pasang surut. Tanda bintangnya: untuk ayunan lebar, — yaitu rata-rata aritmetika–geometri Soal 20.1 yang menghitung integral eliptis itu dalam beberapa lelaran saja: catatan buku harian Gauss dan bandul Galileo, hanya berjarak satu rumus.