В положительном направлении от оси ОХ отложим угол такой, что 0 < < 900. Обозначим полученную на окружности точку как Р. Опустим из точки Р перпендикуляр на ось ОХ, получим точку М. Рассмотрим получившийся прямоугольный треугольник ОМР. Sin по определению равен отношению МР/ОР, но радиус окружности ОР равен единице, следовательно, Sin = МР. Аналогичным образом, cos = ОМ. Заметим, что длина ОМ - это абсцисса точки Р в прямоугольно-декартовой системе координат, а длина МР - ее ордината. Таким образом, синус и косинус угла определяются через ординату и абсциссу точки Р, что является более удобным при работе в прямоугольно-декартовой системе координат.

Работая с числовой окружностью, мы уже усвоили тот факт, что так как длина дуги единичной окружности легко выражается через центральный угол, на нее опирающийся, то точку Р, можно построить и другим способом - откладывая дугу заданной длины. А так как длина дуги - всегда действительное число, значит, от тригонометрических функций углового аргумента легко можно перейти к тригонометрическим функциям числового аргумента.

Сейчас вернемся к наложенным на угол ограничениям. Угол принадлежит промежутку от 00 до 900, а значит и длина дуги лежит между нулем и /2. Используя все ту же геометрическую интерпретацию, легко показать, что эти определения можно распространить и на любые углы и числа.

Понятия тангенса и котангенса можно вводить двояко: как отношение синуса к косинусу (косинуса к синусу) и как ординату (абсциссу) точки пересечения касательной к окружности в точке (1;0) ((0;1)) и прямой ОР.

Рис.2

Вообще говоря, определив функции синус и косинус, мы уже не нуждаемся в числовой окружности как средстве для введения понятий тангенса и котангенса. Но раз уж мы взялись работать с этой моделью, то неплохо бы показать, как определить функции тангенс и котангенс, используя только их геометрическое определения (заметим, что выражения «тангенс угла - это отношение синуса к косинусу » и « котангенс угла - это отношение косинуса к синусу » не являются определениями - это уже свойства).

Использование второго подхода поможет нам не только на этапе изучения самих тригонометрических функций, но и на этапе решения тригонометрических уравнений и неравенств. Поэтому целесообразнее использовать именно второй подход, а определение тангенса как отношение синуса к косинусу рассматривать как свойство.

Итак, мы ввели понятия всех тригонометрических функций (которые предусмотрены программой). Но перед тем, как перейти к их исследованию и построению графиков, необходимо проследить, чтобы у учащихся были отработаны следующие навыки:

ь Нахождение значений всех тригонометрических функций в «главных» точках.

(Для лучшего запоминания значений тригонометрических функций можно использовать следующую вспомогательную таблицу:

50

Здесь значения синуса и косинуса представлены в наиболее удобной для восприятия и запоминания форме.)

ь Решение простейших тригонометрических уравнений и неравенств.

ь Определение знаков тригонометрических функций в заданных точках.

ь Упрощение выражений с использованием основного тригонометрического тождества и формул приведения.

ь Нахождение по заданному значению одной из тригонометрических функций значений всех остальных тригонометрических функций.

Приобретая вышеперечисленные навыки, учащиеся тем самым получают арсенал средств, достаточный для более основательного исследования и построения графиков тригонометрических функций.

Работа по построению графиков и исследованию функций может проводиться двумя способами:

1) Сначала по точкам строится график, а затем с помощью графической интерпретации исследуются все свойства функции

2) Построение графика происходит после исследования функции, а наглядные представления о свойствах учащиеся получают, анализируя поведение функций на числовой окружности.

Наиболее целесообразно применять второй подход, так как при этом подходе, во-первых, все свойства тригонометрических функций иллюстрируются на обеих моделях (на числовой окружности и на графике), а, во-вторых, это является хорошей подготовительной работой для дальнейшего обучения исследованию функций и построению графиков с помощью производной.

Несмотря на то, что анализируя поведение функции на числовой окружности, мы всего лишь иллюстрируем некоторое свойство, не стоит забывать, что иногда «доказательство» с помощью окружности является единственным доступным для школьников способом обоснования некоторых фактов. Хотя некоторые случаи все-таки требуют более четкого обоснования формулируемых утверждений.

Остановимся подробнее на исследовании тригонометрических функций.

1) Область определения.

«Областью определения функции действительного переменного называется множество действительных значений аргумента, при которых функция принимает действительные же значения».

Область определения функций у=sin x и у=соs x - множество всех действительных чисел. Этот факт достаточно легко обосновывается с помощью окружности: каждому действительному числу х соответствует точка на окружности Рх. Каждой точке Рх соответствуют ее абсцисса и ордината, каждая из них - это действительное число. Значит, значения функций у=sin x и у=соs x для любого действительного х будут действительными числами.

У функций у=tg х и у=сtg х область определения имеет некоторые ограничения. Обосновать это свойство можно исходя из того факта, что

tg х = sin x/ соs x. Тогда областью определения функции у=tg х будут все действительные числа, за исключением нулей функции у=соs x. Этот же самый факт можно обосновать и с помощью окружности:

рис.3

любому действительному числу х соответствует точка на окружности Рх. Если х /2+к, кZ, то эта точка имеет координаты, отличные от (0;1) и (0;-1), тогда через точки О и Рх. можно провести прямую, которая пересекает касательную к окружности, проходящую через точку (1;0), в некоторой точке Тх. Эта точка имеет ординату, которая является действительным числом. То есть в таких точках функция у=tg х будет принимать действительные значения. Если же х = /2+к, кZ, то прямая ОРх. будет совпадать с осью ОУ, а, следовательно, будет параллельна касательной к окружности. В этом случае мы не сможем найти точку Тх и ее ординату, а, значит, в этих точках функция у=tg х будет не определена. Таким образом, делаем вывод , что Дtg x =R/{/2+к }, кZ. Для функции у=сtg х рассуждения аналогичны, а, значит, учащиеся вполне могут провести их самостоятельно.

Область определения как свойство функций является ко времени изучения тригонометрии уже достаточно хорошо изученным, а процесс ее нахождения уже перешедшим из разряда умений в разряд навыков. Тем не менее при изучении тригонометрических функций стоит еще раз обратить внимание на отыскание области определения в особенности функций типа: у = сtg х * tg х; у=(sin х*соs х)/ сtg х, а также кусочно-заданных функций

сtg (х+/2), х< sin х, х<-/2

у = у =

1/(sin х +1), х tg х/(х-7) 2

2) Область значений функции.

«Областью значений функции f называется множество, состоящее из всех чисел f(х), таких, что х принадлежит области определения функции f». Четкого обоснования того факта, что областью значений функций у=sin х и у=соs х является отрезок [-1;1] ни в одном из действующих школьных учебников не приводится, а вместо этого рассматриваются неравенства -1 sin х 1 и -1 соs х 1, которые выполняются для всех значений х. Однако, отсюда совершенно не следует то, что в область значений данных функций входят все точки отрезка [-1;1]. На этот момент стоит обратить особое внимание, дабы разграничить в умах учащихся два совершенно различных свойства: ограниченность и область значений. Рассмотрим пример.

Рис.4

Функция f(x) в данном случае является ограниченной (выполняются неравенства -1 f(x) 1), но отрезок [-1;1] не является множеством значений данной функции. Поэтому необходимо все-таки показать тот факт, что любое число из отрезка [-1;1] является значением функции у=sin х (у=соs х) в некоторой точке. Показать это можно хотя бы следующим образом.

Возьмем произвольное действительное число х1 такое, что

-1 х1 1. Рассмотрим отрезок [-1;1] принадлежащий оси ОХ и возьмем точку этого отрезка соответствующую х1, восстановим из нее перпендикуляр к оси ОХ. Он пересечет единичную окружность в некоторой точке Рх1 Заметим, что х1 - это абсцисса точки Рх1, а, значит, число х1 является значением функции у=соs х для точки Рх1. (Аналогично для функции у=sin х.)

рис.5

После изучения области значений целесообразно рассмотреть свойство ограниченности функций у=соs х и у=sin х и провести взаимосвязь между этими свойствами не только для тригонометрических, но и для других классов функций.

3) Четность и нечетность.

При изучении свойств четности и нечетности тригонометрических функций необходимо четко обосновать тот факт, что sin(-х) = -sin(х), a cos(-х) = cos(х) для любых действительных значений х. Чаще всего обоснование этого факта сводится к симметричности точек окружности, соответствующих числам или углам t и - t в зависимости от того, на каком этапе происходит обоснование. «Если числу t соответствует точка М числовой окружности, то числу -t соответствует точка Р, симметричная точке М относительно горизонтального диаметра окружности (то есть относительно оси абсцисс). У таких точек одна и та же абсцисса, а ординаты равны по модулю, но отличаются знаком. Следовательно, sin(-t) = -sin(t), a cos(-t) = cos(t)» (см. [16]).

Заметим, что факт симметричности точек t и - t не является очевидным, а значит, сам нуждается в обосновании, провести которое можно, например, рассмотрев треугольник МОР. Обозначим точку пересечения отрезка МР с осью ОХ за В. Тогда треугольник МОР равнобедренный (ОМ = ОР как радиусы одной окружности), луч ОВ является биссектрисой угла МОР, а, следовательно, и высотой и медианой треугольника МОР. Тогда точки М и Р действительно будут симметричными относительно оси ОХ по определению. Это и позволяет сделать вывод о значениях синуса и косинуса противоположных углов. После этого обоснование равенств tg (-t) =-tg (t) и ctg (-t) = -ctg (t) не составит никакой трудности.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7