Косинус угла в прямоугольном треугольнике¶
Косинус (от лат. cosinus, сокращение от complementi sinus — «синус дополнения») — тригонометрическая функция, которая в прямоугольном треугольнике определяется как отношение прилежащего катета к гипотенузе. Косинус угла α обозначается как cos α и является одной из шести основных тригонометрических функций наряду с синусом, тангенсом, котангенсом, секансом и косекансом.
¶Определение в прямоугольном треугольнике
Пусть дан прямоугольный треугольник с прямым углом и острым углом α. Сторона, прилежащая к углу α (не являющаяся гипотенузой), называется прилежащим катетом. Гипотенуза — самая длинная сторона, лежащая напротив прямого угла. Тогда:
cos α = прилежащий катет / гипотенуза
Значение косинуса любого острого угла лежит в интервале (0; 1). При α → 0° косинус стремится к единице (прилежащий катет вырождается в гипотенузу), при α → 90° косинус стремится к нулю (прилежащий катет вырождается в точку).
¶Косинус на единичной окружности
При переходе от остроугольных треугольников к произвольным углам косинус определяется через единичную окружность (окружность радиуса 1 с центром в начале системы координат). Угол α откладывается от положительного направления оси абсцисс против часовой стрелки. Косинусом угла называется абсцисса (координата x) точки пересечения луча угла с единичной окружностью.
Такое определение позволяет расширить область значений косинуса на все действительные углы: cos α ∈ [−1; 1]. Косинус чётная функция: cos(−α) = cos α. Период функции равен 2π (360°).
¶Основные свойства
- Чётность: cos(−α) = cos α
- Периодичность: cos(α + 2πk) = cos α, где k — целое число
- Дополнительные формулы: cos(90° − α) = sin α; cos(180° − α) = −cos α; cos(180° + α) = −cos α
- Квадратичное тождество: sin²α + cos²α = 1 (основное тригонометрическое тождество, следствие теоремы Пифагора)
- Сумма и разность: cos(α ± β) = cos α cos β ∓ sin α sin β
- Двойной угол: cos 2α = cos²α − sin²α = 2cos²α − 1 = 1 − 2sin²α
- Формулы приведения: cos(90° + α) = −sin α; cos(270° − α) = −sin α и т. д.
¶Таблица значений
| Угол | 0° | 30° | 45° | 60° | 90° | 180° | 270° | 360° |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| cos α | 1 | √3/2 | √2/2 | 1/2 | 0 | −1 | 0 | 1 |
Значения для 30°, 45° и 60° выводятся из свойств равностороннего треугольника и квадрата с диагональю.
¶График функции
График y = cos x — волнистая кривая (косинусоида), симметричная относительно оси ординат (что отражает чётность функции). Максимумы (y = 1) достигаются при x = 2πk, минимумы (y = −1) — при x = π + 2πk. Точки пересечения с осью абсцисс — x = π/2 + πk. График синуса получается из графика косинуса сдвигом вправо на π/2.
¶Связь с другими тригонометрическими функциями
- tan α = sin α / cos α (при cos α ≠ 0)
- cot α = cos α / sin α (при sin α ≠ 0)
- sec α = 1 / cos α (секанс)
- cos α = √(1 − sin²α) с учётом знака в нужном квадранте
¶Применение
Косинус находит широкое применение в математике и смежных дисциплинах:
- Геометрия: вычисление сторон и углов треугольников по теореме косинусов — обобщению теоремы Пифагора на произвольные треугольники: c² = a² + b² − 2ab cos γ, где γ — угол между сторонами a и b.
- Физика: разложение векторов на составляющие, вычисление работы силы (A = F · s · cos α), закон отражения и преломления света, анализ колебательных процессов.
- Астрономия и навигация: определение расстояний и высот небесных тел, решение сферических треугольников.
- Инженерное дело: расчёт нагрузок, анализ сигналов, задачи статики.
- Вычислительная математика: ряды Тейлора и Фурье, в которых косинус выступает базисной функцией: cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − x⁶/6! + …
¶Историческая справка
Понятие косинуса восходит к индийской математике VI века н. э. Математик Ариабхата ввёл функцию, которую он называл «ardha-jya» (половина хорды), позднее сокращённо «jya». Арабские переводчики переделали это слово в «jiba», которое латинские учёные прочитали как «sinus» (петля, изгиб). Функция косинуса возникла как синус дополнительного угла — отсюда название «complementi sinus», сокращённое до «cosinus». Термин и обозначение «cos» вошли в обиход в XVII–XVIII веках.
Источники:
- Классический курс школьной математики (алгебра и геометрия, раздел тригонометрия)
- «Математический энциклопедический словарь» (М.: Советская энциклопедия)
- История математики: труды по древней и средневековой математике
