在互动书中: 完成第二章,包含所有演示和练习.

摩天轮舱

想象一个摩天轮,其中心高度为零,半径等于一。当驾驶室旋转时,其高度也会发生变化。它的水平位置也会改变。让我们为这两个测量命名。

Ciclo trigonométrico com um ponto P, sua altura e sua posição horizontal.

循环上的一点的坐标为$P=(x,y)$。对于转动角度$\theta$,我们定义$\cos\theta=x$和$\operatorname{sen}\theta=y$。 Cosine 为水平位置; 正弦,有符号高度。左边$x$为负;在中心下方,$y$ 为负。

函数是将其域中的每个输入与单个输出关联起来的规则。对于正弦和余弦,任何实数都可以作为弧度的输入;输出在 $-1$ 和 $1$ 之间。

从轮子到图表

制作一个表格,将角度放在水平轴上,将函数的值放在垂直轴上:

旋转 $0°$ $90°$ $180°$ $270°$ $360°$
正弦 0 1 0 −1 0
余弦 1 0 −1 0 1

在这些点之间,价值观不断变化。画一条平滑的曲线。然后重复绘制另一轮。当输入中的相同正向移位重复所有值时,函数是周期性的。这些变化中最小的(如果存在的话)就是基本周期。

演示:为什么波浪会重复?

一圈后,机舱返回同一点。因此,它的两个坐标与前面的相同:

$$\operatorname{sen}(\theta+2\pi)=\operatorname{sen}\theta,\qquad \cos(\theta+2\pi)=\cos\theta.$$

小于一转的正旋转无法维持所有点的水平位置:特别是,余弦仅在完整一转后返回到 1。对于正弦波,其最大值 1 仅在完整旋转一圈后重新出现。因此,两者都有基本周期$2\pi$。

其他四个功能

切线 将高度与水平位置进行比较:

$$\tan\theta=\frac{\operatorname{sen}\theta}{\cos\theta}.$$

当余弦为零时,它不存在:$\theta=\pi/2+k\pi$。除以零不会产生数字。切线有一个周期$\pi$:半圈后,两个坐标改变符号,商保持不变。

三个功能使这个系列更加完整:

功能 定义 当它不存在时
余切 $\cot\theta=\cos\theta/\operatorname{sen}\theta$ $\theta=k\pi$
烘干 $\sec\theta=1/\cos\theta$ $\theta=\pi/2+k\pi$
余割 $\csc\theta=1/\operatorname{sen}\theta$ $\theta=k\pi$

在这里以及本书的其余部分,$k$ 代表任何整数。余切有周期 $\pi$;正割和余割,$2\pi$。正弦和余弦可以为零;它们的倒数永远不为零,并且模数至少为 1。

更大的轮子

如果半径为4米,中心距地面6米,则舱室高度为$h(\theta)=6+4\operatorname{sen}\theta$。最小值为 $6-4=2$ m,最大值为 $6+4=10$ m。数字 4 是围绕 6 振荡的振幅。在 $f(t)=\operatorname{sen}(2t)$ 中,$t$ 以弧度表示,周期为 $\pi$:只是 $2t$ 增加 $2\pi$。

在日常生活中

  • 摩天轮。 圣保罗的 Roda Rico,高 91 米;沿途每个舱室的高度都是正弦曲线。
  • **游乐场秋千。**秋千总是以相同的节奏来回移动,并且其位置作为周期函数重复。
  • 当天的温度。 温度以 24 小时为周期上升和下降,在没有冷锋的一天中,看起来像波浪。
摩天轮舱上升和下降:高度作为时间的函数是波浪。

练习

在打开解决方案之前,请尝试在笔记本中解决该问题。输入练习1和2; 3和4,用于练习; 5和6,用于加深。

1。 给出 $270°$ 的正弦和余弦。

参见分辨率 1

该点是$(0,-1)$:$\operatorname{sen}270°=-1$和$\cos270°=0$。

**2。**有$\tan90°$吗?解释。

参见分辨率 2

否。表达式为 $1/0$,未定义。

3。 如果正弦和余弦值为 $\sqrt2/2$,则计算正切、余切、正割和余割。

参见分辨率 3

商为 1;其倒数为 $2/\sqrt2=\sqrt2$。

4。 $\cos(3t)$ 的基本周期是多少?

参见分辨率 4

$2\pi/3$,因为 $3(t+2\pi/3)=3t+2\pi$。

**5.**对于中心为6米、半径为4米的轮子,$270°$处的高度是多少?

参见分辨率 5

$h=6+4(-1)=2$ m.

6。 $0°$ 和 $360°$ 之间(包括两端)之间的什么角度不存在余割?

参见分辨率 6

$0°$、$180°$ 和 $360°$,因为在这些角度中,正弦为零。


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