Formelsammlung Trigonometrie

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Dreieckberechnung

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Ein Dreieck mit den üblichen Bezeichnungen
Ein Dreieck mit den üblichen Bezeichnungen

Die folgende Liste enthält die meisten bekannten Formeln aus der Trigonometrie in der Ebene. Die meisten dieser Beziehungen verwenden trigonometrische Funktionen.

Dabei werden die folgenden Bezeichnungen verwendet: Das Dreieck habe die Seiten , und , die Winkel , und bei den Ecken , und . Ferner seien der Umkreisradius, der Inkreisradius und , und die Ankreisradien (und zwar die Radien der Ankreise, die den Ecken , bzw. gegenüberliegen) des Dreiecks . Die Variable steht für den halben Umfang des Dreiecks :

.

Schließlich wird die Fläche des Dreiecks mit bezeichnet. Alle anderen Bezeichnungen werden jeweils in den entsprechenden Abschnitten, in denen sie vorkommen, erläutert.

Es ist zu beachten, dass hier die Bezeichnungen für den Umkreisradius , den Inkreisradius und die drei Ankreisradien , , benutzt werden. Oft werden davon abweichend für dieselben Größen auch die Bezeichnungen , , , , verwendet.

Formel 1:

Formel 2:

wenn

wenn

wenn

Formel 1:

Formel 2:

wenn

wenn

wenn

(Satz des Pythagoras)

Projektionssatz

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Formel 1:

Analoge Formeln gelten für und :

Wegen bleibt eine dieser Formel gültig, wenn sowohl die Seiten als auch die zugehörigen Winkel vertauscht werden, also etwa:

Formel 2:

wenn

wenn

wenn

Formeln mit dem halben Umfang

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Im Folgenden bedeutet immer die Hälfte des Umfangs des Dreiecks , also .

Flächeninhalt und Umkreisradius

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Der Flächeninhalt des Dreiecks wird hier mit bezeichnet (nicht, wie heute üblich, mit , um eine Verwechselung mit der Dreiecksecke auszuschließen):

Heronsche Formel:

Weitere Flächenformeln:

, wobei , und die Längen der von , bzw. ausgehenden Höhen des Dreiecks sind.
, mit

Erweiterter Sinussatz:

In- und Ankreisradien

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In diesem Abschnitt werden Formeln aufgelistet, in denen der Inkreisradius und die Ankreisradien , und des Dreiecks vorkommen.

[1]

Wichtige Ungleichung: ; Gleichheit tritt nur dann ein, wenn Dreieck gleichseitig ist.

Die Ankreise sind gleichberechtigt: Jede Formel für gilt in analoger Form für und .

Die Längen der von , bzw. ausgehenden Höhen des Dreiecks werden mit , und bezeichnet.

Hat das Dreieck einen rechten Winkel bei (ist also ), dann gilt

Seitenhalbierende

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Die Längen der von , bzw. ausgehenden Seitenhalbierenden des Dreiecks werden , und genannt.

Winkelhalbierende

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Wir bezeichnen mit , und die Längen der von , bzw. ausgehenden Winkelhalbierenden im Dreieck .

Allgemeine Trigonometrie in der Ebene

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Die trigonometrischen Funktionen am Einheitskreis:

Gegenseitige Darstellung

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Die trigonometrischen Funktionen lassen sich ineinander umwandeln oder gegenseitig darstellen. Es gelten folgende Zusammenhänge:

     („Trigonometrischer Pythagoras“)

(Siehe auch den Abschnitt Phasenverschiebungen.)

Mittels dieser Gleichungen lassen sich die drei vorkommenden Funktionen durch eine der beiden anderen darstellen:

für
für
für
für
für
für
für
für
für
für
für
für

Vorzeichen der Winkelfunktionen

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Die Vorzeichen von , und stimmen überein mit denen ihrer Kehrwertfunktionen , bzw. .

Wichtige Funktionswerte

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Darstellung wichtiger Funktionswerte von Kosinus (1. Klammerwert) und Sinus (2. Klammerwert) auf dem Einheitskreis
(rad)

Mit Hilfe der Additionstheoreme sind noch viele weitere Werte durch algebraische Ausdrücke (ggfs. mit verschachtelten Quadratwurzeln) darstellbar, insbesondere alle ganzzahligen Vielfachen von .[2]

Die trigonometrischen Funktionen haben einfache Symmetrien:

Phasenverschiebungen

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Rückführung auf spitze Winkel

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Darstellung durch den Tangens des halben Winkels

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Mit der Bezeichnung gelten die folgenden Beziehungen für beliebiges

 
 
 

Additionstheoreme

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Figur 1
Figur 2

Für Sinus und Kosinus lassen sich die Additionstheoreme aus der Verkettung zweier Drehungen um den Winkel bzw. herleiten. Das ist elementargeometrisch möglich; sehr viel einfacher ist das koordinatenweise Ablesen der Formeln aus dem Produkt zweier Drehmatrizen der Ebene . Alternativ folgen die Additionstheoreme aus der Anwendung der Eulerschen Formel auf die Beziehung . Die Ergebnisse für das Doppelvorzeichen ergeben sich durch Anwendung der Symmetrien.[3]

[4]
[4]

Geometrische Herleitungen sind in Figur 1 und Figur 2 für Winkel und zwischen 0° und 90° veranschaulicht.[5]

Zu Figur 1:

Zu Figur 2:

Durch Erweiterung mit bzw. und Vereinfachung des Doppelbruchs:

Für folgen hieraus die Doppelwinkelfunktionen, für die Phasenverschiebungen.

Additionstheoreme für Arkusfunktionen

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Für die Arkusfunktionen gelten folgende Additionstheoreme[6]

Summanden Summenformel Gültigkeitsbereich
oder
und und
und und
oder
und und
und und
und
und
und
und

Doppelwinkelfunktionen

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Figur 3

Eine geometrische Herleitung ist in Figur 3 für Winkel und zwischen 0° und 90° veranschaulicht.[7]

Zu Figur 3:

Aus der Berechnung der Flächeninhalte der beiden grauen Dreiecke ergibt sich . Hieraus folgt .

Weitere Beziehungen:

Winkelfunktionen für weitere Vielfache

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Die Formeln für Vielfache berechnen sich normalerweise über die komplexen Zahlen aus der Euler-Formel und der DeMoivre-Formel . Damit ergibt sich . Zerlegung in Real- und Imaginärteil liefert dann die Formeln für und bzw. die allgemeine Reihendarstellung.

Die Formel für steht über [8] mit den Tschebyschow-Polynomen in Beziehung.

[9]
[10]
[11]
[12][13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[13][18]
[13]
[13]
[13]
[13]

Halbwinkelformeln

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Figur 4

Zur Berechnung des Funktionswertes des halben Arguments dienen die Halbwinkelformeln[13], welche sich mittels Substitution aus den Doppelwinkelformeln herleiten lassen:

Eine geometrische Herleitung der dritten Formel ist in Figur 4 für Winkel und zwischen 0° und 90° veranschaulicht.[19] Aus der Berechnung der Flächeninhalte der beiden grauen Dreiecke ergibt sich unmittelbar .

Außerdem gilt:

Siehe auch: Halbwinkelsatz

Summen zweier trigonometrischer Funktionen (Identitäten)

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Aus den Additionstheoremen lassen sich Identitäten ableiten, mit deren Hilfe die Summe zweier trigonometrischer Funktionen als Produkt dargestellt werden kann:[13]

Daraus ergeben sich noch Spezialfälle:

Produkte der Winkelfunktionen

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Produkte der trigonometrischen Funktionen lassen sich mit folgenden Formeln berechnen:[13]

Aus der Doppelwinkelfunktion für folgt außerdem:

Potenzen der Winkelfunktionen

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[13][20]
[13][21]
[13][22]
[23]
[24]
[13][25]
[13][26]
[13][27]
[28]
[29]

Umrechnung in andere trigonometrische Funktionen

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Weitere Formeln für den Fall α + β + γ = 180°

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Die folgenden Formeln gelten für beliebige ebene Dreiecke und folgen nach längeren Termumformungen aus , solange die in den Formeln vorkommenden Funktionen wohldefiniert sind (Letzteres betrifft nur die Formeln, in denen Tangens und Kotangens vorkommen).

Sinusoid und Linearkombination mit gleicher Phase

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[30]

wobei

Allgemeiner ist

wobei

und

Ableitungen und Stammfunktionen

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Siehe Formelsammlung Ableitungen und Stammfunktionen

Bestimmte Integrale

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Die Lösungen der nachfolgenden bestimmten Integrale stehen im Zusammenhang mit der Euler’schen Betafunktion, welche weiterhin mit der Gammafunktion verknüpft ist. Das zweite Integral ist z. B. in der Physik bei der Berechnung von Kräften zwischen zylinderförmigen Dauermagneten unter Verwendung der sogenannten Multipol-Entwicklung hilfreich.

Reihenentwicklung

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Der Sinus (rot) verglichen mit seinem 7. Taylorpolynom (grün)

Wie auch sonst in der Analysis werden alle Winkel im Bogenmaß angegeben.

Man kann zeigen, dass der Kosinus die Ableitung des Sinus darstellt und die Ableitung des Kosinus der negative Sinus ist. Hat man diese Ableitungen, kann man die Taylorreihe entwickeln (am einfachsten mit dem Entwicklungspunkt ) und zeigen, dass die folgenden Identitäten für alle aus den reellen Zahlen gelten. Mit diesen Reihen werden die trigonometrischen Funktionen für komplexe Argumente definiert ( bzw. bezeichnet dabei die Bernoulli-Zahlen):

[31]
[32]

Produktentwicklung

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Zusammenhang mit der komplexen Exponentialfunktion

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Ferner besteht zwischen den Funktionen , und der komplexen Exponentialfunktion folgender Zusammenhang:

(Eulersche Formel)

Weiterhin wird geschrieben.[33]

Auf Grund der oben genannten Symmetrien gilt weiter:

Mit diesen Beziehungen können einige Additionstheoreme besonders einfach und elegant hergeleitet werden.

Sphärische Trigonometrie

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Eine Formelsammlung für das rechtwinklige und das allgemeine Dreieck auf der Kugeloberfläche findet sich in einem eigenen Kapitel.

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Einzelnachweise

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  1. Die Wurzel 2006/04+05, 104ff., ohne Beweis
  2. Joachim Mohr: Kosinus-, Sinus und Tangenswerte, abgerufen am 1. Juni 2016
  3. Ausführliche Beweise in Wikibooks Beweisarchiv.
  4. a b Otto Forster: Analysis 1. Differential- und Integralrechnung einer Veränderlichen. vieweg 1983, Seite 87.
  5. Roger B. Nelsen: Beweise ohne Worte, Deutschsprachige Ausgabe herausgegeben von Nicola Oswald, Springer Spektrum, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-50330-0, Seite 44
  6. I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew: Taschenbuch der Mathematik. 19. Auflage, 1979. B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig. S. 237.
  7. Roger B. Nelsen: Beweise ohne Worte, Deutschsprachige Ausgabe herausgegeben von Nicola Oswald, Springer Spektrum, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-50330-0, Seite 46
  8. Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 22.3.15, (s. a. oben „Weblinks“)
  9. Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 4.3.27, (s. a. oben „Weblinks“)
  10. Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 4.3.29, (s. a. oben „Weblinks“)
  11. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, Table of Integrals, Series, and Products, Academic Press, 5th edition (1994), ISBN 0-12-294755-X 1.333.4
  12. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.331.3 (Bei dieser Formel enthält Gradshteyn/Ryzhik allerdings einen Vorzeichenfehler)
  13. a b c d e f g h i j k l m n o I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew, Taschenbuch der Mathematik, B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig. 19. Auflage 1979. 2.5.2.1.3
  14. Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 4.3.28, (s. a. oben „Weblinks“)
  15. Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 4.3.30, (s. a. oben „Weblinks“)
  16. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.335.4
  17. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.335.5
  18. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.331.3
  19. Roger B. Nelsen: Beweise ohne Worte, Deutschsprachige Ausgabe herausgegeben von Nicola Oswald, Springer Spektrum, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-50330-0, Seite 49
  20. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.321.1
  21. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.321.2
  22. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.321.3
  23. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.321.4
  24. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.321.5
  25. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.323.1
  26. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.323.2
  27. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.323.3
  28. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.323.4
  29. I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.323.5
  30. Weisstein, Eric W.: Harmonic Addition Theorem. Abgerufen am 20. Januar 2018 (englisch).
  31. Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 4.3.67, (s. a. oben „Weblinks“)
  32. Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 4.3.70, (s. a. oben „Weblinks“)
  33. Herbert Amann, Joachim Escher: Analysis I, Birkhäuser Verlag, Basel 2006, 3. Auflage, S. 292 und 298