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三角函数概述

三角函数是描述角度与边长关系的函数。理解三角函数的基本概念,是学习三角函数的基础。

什么是三角函数?

三角函数(Trigonometric Functions)是数学中常见的一类关于角度运算的函数,用于描述直角三角形的内角与它的两个边的比值关系。

简单理解

三角函数就像"角度和边长的比例":

  • 在直角三角形中,角度确定后,边长之间的比例就确定了
  • 这些比例就是三角函数
  • 用三角函数可以计算未知的边长和角度

常见的三角函数

常见的三角函数包括:

  • 正弦函数(sin)
  • 余弦函数(cos)
  • 正切函数(tan)
  • 余切函数(cot 或 ctg)
  • 正割函数(sec)
  • 余割函数(csc)

在一些领域还会用到正矢函数、半正矢函数等其他的三角函数。

三角函数的定义

在直角三角形中

假设直角三角形的一个锐角为 θ\theta,在这个三角形中,θ\theta 的对边、邻边和斜边分别为 aabbhh,如下图所示。

那么,θ\theta 的几个三角函数关系如下:

  • 正弦(sine):对边与斜边的比值 sinθ=ah\sin\theta = \frac{a}{h}

  • 余弦(cosine):邻边与斜边的比值 cosθ=bh\cos\theta = \frac{b}{h}

  • 正切(tangent):对边与邻边的比值 tanθ=ab\tan\theta = \frac{a}{b}

  • 余切(cotangent):邻边与对边的比值 cotθ=ba\cot\theta = \frac{b}{a}

  • 正割(secant):斜边与邻边的比值 secθ=hb\sec\theta = \frac{h}{b}

  • 余割(cosecant):斜边与对边的比值 cscθ=ha\csc\theta = \frac{h}{a}

记忆口诀

正弦:对边比斜边(sin=\sin = \frac{\text{对}}{\text{斜}}

余弦:邻边比斜边(cos=\cos = \frac{\text{邻}}{\text{斜}}

正切:对边比邻边(tan=\tan = \frac{\text{对}}{\text{邻}}

余切:邻边比对边(cot=\cot = \frac{\text{邻}}{\text{对}}

关系

根据定义,我们可以得到:

tanθ=sinθcosθ=a/hb/h=ab\tan\theta = \frac{\sin\theta}{\cos\theta} = \frac{a/h}{b/h} = \frac{a}{b}

cotθ=cosθsinθ=b/ha/h=ba\cot\theta = \frac{\cos\theta}{\sin\theta} = \frac{b/h}{a/h} = \frac{b}{a}

secθ=1cosθ=hb\sec\theta = \frac{1}{\cos\theta} = \frac{h}{b}

cscθ=1sinθ=ha\csc\theta = \frac{1}{\sin\theta} = \frac{h}{a}

在单位圆中

三角函数也可以在单位圆中定义:

  • 在单位圆上,角度 θ\theta 对应的点的坐标是 (cosθ,sinθ)(\cos\theta, \sin\theta)
  • 这样定义的三角函数可以推广到任意角度(包括大于 90°90° 的角度)

三角函数的性质

周期性

三角函数是周期函数:

  • sinθ\sin\thetacosθ\cos\theta 的周期是 2π2\pi(或 360°360°
  • tanθ\tan\thetacotθ\cot\theta 的周期是 π\pi(或 180°180°

奇偶性

  • sinθ\sin\theta 是奇函数:sin(θ)=sinθ\sin(-\theta) = -\sin\theta
  • cosθ\cos\theta 是偶函数:cos(θ)=cosθ\cos(-\theta) = \cos\theta
  • tanθ\tan\theta 是奇函数:tan(θ)=tanθ\tan(-\theta) = -\tan\theta

有界性

  • sinθ1|\sin\theta| \le 1
  • cosθ1|\cos\theta| \le 1
  • tanθ\tan\thetacotθ\cot\theta 无界

应用场景

三角函数一般用于计算三角形中未知长度的边和未知的角度,在导航、工程学以及物理学方面都有广泛的用途。

航海学

  • 🧭 导航:计算航向和距离
  • 🗺️ 定位:确定船只的位置

测绘学

  • 📐 测量:测量高度、距离、角度
  • 🗺️ 地图:绘制地图

工程学

  • 🏗️ 建筑设计:计算建筑物的尺寸和角度
  • ⚙️ 机械设计:计算机械零件的尺寸

物理学

  • 波动:描述波动现象
  • 🔬 振动:描述振动现象

常见错误

错误 1:混淆对边和邻边

要分清哪个是角 θ\theta 的对边,哪个是邻边。

错误 2:混淆正弦和余弦

  • 正弦:对边比斜边
  • 余弦:邻边比斜边

错误 3:角度单位混淆

要分清角度和弧度,注意换算关系。

小练习

  1. 在直角三角形中,如果角 θ\theta 的对边是 3,邻边是 4,斜边是 5,求 sinθ\sin\thetacosθ\cos\thetatanθ\tan\theta
  2. 如果 sinθ=35\sin\theta = \frac{3}{5},且 θ\theta 是锐角,求 cosθ\cos\thetatanθ\tan\theta
  3. 在直角三角形中,如果 tanθ=43\tan\theta = \frac{4}{3},且对边是 8,求邻边和斜边
  4. 应用题:一个梯子靠在墙上,梯子与地面的夹角是 60°60°,梯子长 10 米,求梯子顶部离地面的高度

💡 小贴士:三角函数是描述角度与边长关系的函数。记住口诀:正弦对斜,余弦邻斜,正切对邻。掌握这些基本定义,你就能解决很多三角形问题!