quote:
Op donderdag 31 oktober 2013 14:03 schreef DefinitionX het volgende:Riparius, ik ben dat boek dat je me gestuurd hebt aan het bestuderen en ben bij pagina 4: 1.2 Goniometrische Formules, verwante hoeken.
Op de eenheidscirkel snap ik het, maar als ik 2 driehoeken teken met driehoek 1 een hoek van 120 graden en de andere een hoek van 60 graden kan ik niet bevatten hoe sin 120° = sin 60°. Dat is hetzelfde als stellen dat de de overstaande zijde van hoek van 120 graden ook wortel 3 is. Als je kijkt naar mijn tekening kan dat toch niet?
Inderdaad, wat jij hier wil kan niet. Je weet dat de som van de hoeken van
elke driehoek - en dus ook de som van de hoeken van een rechthoekige driehoek - gelijk is aan 180°. Maar dat betekent dus dat er in een rechthoekige driehoek voor de beide andere hoeken samen nog 90° overblijft. En dus is het zo dat de andere hoeken in een rechthoekige driehoek altijd beide scherp zijn. Een
scherpe hoek is een hoek die kleiner is dan een rechte hoek, en een
stompe hoek is een hoek die groter is dan een rechte hoek maar kleiner dan een gestrekte hoek. Een
gestrekte hoek is een hoek van 180°, dat is een hoek waarvan de beide benen niet samenvallen maar wel in elkaars verlengde liggen.
Zoals ik eerder heb opgemerkt heeft men goniometrische verhoudingen vroeger eerst gedefinieerd en bestudeerd aan de hand van rechthoekige driehoeken. Omdat de lengtes van de zijden van gelijkvormige driehoeken evenredig met elkaar zijn, hangen de
verhoudingen tussen de lengtes van twee zijden in een rechthoekige driehoek uitsluitend af van de hoeken van de rechthoekige driehoek.
In deze figuur is de grootte één van de beide scherpe hoeken van een rechthoekige driehoek aangegeven met de Griekse letter θ (theta). Deze letter wordt in het Nederlands gewoonlijk uitgesproken als 'têta' met een
ê zoals in Frans t
ête ('hoofd'), maar in het Engels spreekt men de θ gewoonlijk uit als 'theetah' met
th zoals in
thin en met
ee zoals in ch
eetah.
De schuine zijde in een rechthoekige driehoek (dat is de zijde tegenover de rechte hoek) wordt meestal de
hypotenusa genoemd. De beide rechthoekszijden kun je onderscheiden doordat er één rechthoekszijde tegenover de scherpe hoek ligt die we nu bekijken, terwijl de andere rechthoekszijde één been vormt van de scherpe hoek die we nu bekijken. In het Nederlands spreken we dan resp. van de
overstaande en de
aanliggende rechthoekszijde van hoek θ. In het Engels noemt men deze rechthoekszijden resp.
opposite side en
adjacent side.
Omdat we drie zijden hebben, kunnen we nu in totaal 3·2 = 6 verhoudingen tussen twee van deze drie zijden vormen, en inderdaad heb je dan ook zes (gangbare) goniometrische verhoudingen. De meest gebruikelijke zijn
sin θ = overstaande rechthoekszijde : hypotenusa
cos θ = aanliggende rechthoekszijde : hypotenusa
tan θ = overstaande rechthoekszijde : aanliggende rechthoekszijde
maar je hebt ook nog
cot θ = aanliggende rechthoekszijde : overstaande rechthoekszijde
sec θ = hypotenusa : aanliggende rechthoekszijde
csc θ = hypotenusa : overstaande rechthoekszijde
Deze laatste drie goniometrische verhoudingen heten voluit resp. de
cotangens, de
secans, en de
cosecans. Je ziet natuurlijk dat deze niets anders zijn dan de inverse verhoudingen van resp. de tangens, de cosinus, en de sinus, en dat is de reden dat deze goniometrische verhoudingen niet zo vaak worden gebruikt: we hebben eigenlijk voldoende aan de sinus, de cosinus en de tangens.
De aldus met behulp van een rechthoekige driehoek gedefinieerde goniometrische verhoudingen hebben
uitsluitend betekenis voor
scherpe hoeken, want in een rechthoekige driehoek is een hoek die niet tegenover de hypotenusa ligt altijd scherp. We hebben dus een
ander concept nodig als we het begrip sinus of cosinus of tangens van een hoek willen uitbreiden naar stompe hoeken. En dat is precies de reden waarom men is gaan werken met een assenstelsel (rechthoekig coördinatenstelsel) met daarin een cirkel met het middelpunt in de oorsprong en met een straal gelijk aan één, de eenheidscirkel.
In deze figuur heeft men een willekeurig punt P gekozen dat op de eenheidscirkel ligt, maar wel tevens in het
eerste kwadrant, dat is het deel van het vlak waar zowel de x- als de y-coördinaat van elk punt positief is. De vier kwadranten waarin het assenstelsel het vlak verdeelt worden gewoonlijk aangegeven met de Romeinse cijfers I, II, III, IV, en de conventie is dat men de kwadranten nummert tegen de klok in, te beginnen in het kwadrant rechtsboven. Vanuit punt P heeft men een loodlijn neergelaten op de x-as, en het voetpunt van deze loodlijn heeft men hier Q genoemd.
Nu is driehoek OPQ een rechthoekige driehoek met een rechte hoek in hoekpunt Q. De zijde OP tegenover hoekpunt Q is dus de schuine zijde oftewel hypotenusa van de rechthoekige driehoek OPQ. Deze hypotenusa OP heeft een lengte één, omdat OP een straal is van de cirkel. De rechthoekige driehoek heeft twee scherpe hoeken in de hoekpunten O en P, en de grootte van de scherpe hoek in hoekpunt O heeft men hier weer θ genoemd. Omdat punt P in het eerste kwadrant ligt is zowel de x- als de y-coördinaat van punt P positief en geldt voor de coördinaten (x
P; y
P) van punt P dus x
P = OQ en y
P = QP.
Nu kunnen we met onze 'oude' definities gaan kijken naar de sinus en de cosinus van hoek θ, en dan vinden we
cos θ = aanliggende rechthoekszijde : hypotenusa = OQ : OP = x
P : 1 = x
Psin θ = overstaande rechthoekszijde : hypotenusa = QP : OP = y
P : 1 = y
PNu zie je dat de coördinaten van punt P dus (cos θ; sin θ) zijn, oftewel de x-coördinaat x
P van P is de cosinus van hoek θ en de y-coördinaat y
P van punt P is de sinus van hoek θ. Het is natuurlijk ook duidelijk waarom dit zo 'mooi' uitkomt, dat is omdat we de straal van de cirkel gelijk aan één hebben gekozen. Als we een
willekeurige straal r hadden genomen, dan zou OP = r zijn geweest, en dan hadden we dus gekregen cos θ = x
P : r en sin θ = y
P : r en daarmee x
P = r·cos θ, y
P = r·sin θ zodat de coördinaten van punt P dan (r·cos θ; r·sin θ) zouden zijn geweest. Alleen de keuze r = 1 maakt dat punt P hier de coördinaten (cos θ; sin θ) heeft.
Om nu de begrippen sinus en cosinus uit te breiden naar stompe hoeken
en meer hebben we nog iets nodig, namelijk het begrip
rotatie. Je ziet in de figuur dat lijnstuk OP een hoek θ maakt met lijnstuk OQ, en dat lijnstuk OQ langs de positieve x-as ligt, omdat punt Q immers op de positieve x-as ligt. Dat betekent dat we punt P kunnen opvatten als het
beeld van het punt met coördinaten (1; 0) bij een
rotatie om de oorsprong tegen de klok in over een hoek θ.
Maar nu zijn we bij rotaties niet gebonden aan hoeken tussen 0° en 90°. We kunnen het punt met coördinaten (1; 0) over een willekeurige hoek rond de oorsprong roteren. En we hoeven ons niet te beperken tot rotaties tegen de klok in, want we kunnen ook met de klok mee roteren. Omdat we rotaties tegen de klok in en met de klok mee wel van elkaar moeten kunnen onderscheiden, heeft men de afspraak gemaakt dat rotaties
tegen de klok in positief worden gerekend en rotaties
met de klok mee negatief.
Dit laatste lijkt misschien wat tegennatuurlijk, maar uit het plaatje is direct duidelijk waarom dit een zinnige afspraak is: als we het punt (1; 0) over een positieve hoek θ tussen 0° en 90° om de oorsprong roteren, dan is het beeld een punt P met als coördinaten (cos θ; sin θ). Anders gezegd, bij een rotatie van het punt (1; 0) om de oorsprong over een hoek θ tussen 0° en 90° is de x-coördinaat van het beeldpunt cos θ en de y-coördinaat van het beeldpunt sin θ. Maar omdat we ons bij rotaties om de oorsprong niet hoeven te beperken tot rotaties over een positieve hoek tussen 0° en 90° kunnen we nu eenvoudig
afspreken (definiëren) dat we ook bij een
willekeurige rotatie om de oorsprong van het punt (1; 0) over een hoek θ de x-coördinaat van het beeldpunt cos θ zullen noemen en de y-coördinaat van het beeldpunt sin θ.
Zo kunnen we dus dankzij de eenheidscirkel en het begrip rotatie betekenis geven aan cos θ en sin θ voor willekeurige (rotatie)hoeken, zowel positief als negatief. Merk op dat je je hierbij niet hoeft te beperken tot rotaties tussen −360° en +360°. Je kunt het punt (1; 0) ook roteren om de oorsprong over een hoek van bijvoorbeeld +480° maar dat levert uiteraard hetzelfde resultaat op als een rotatie over bijvoorbeeld −240° of een rotatie over bijvoorbeeld +120° zoals je hier kunt zien:
Goed, maar wat betekent deze 'nieuwe' definitie van de cosinus en de sinus nu voor scherpe en stompe hoeken zoals we die tegenkomen in driehoeken? Wel, voor scherpe hoeken verandert er helemaal niets, omdat we onze 'nieuwe' definitie aan de hand van de eenheidscirkel hebben gebaseerd op onze 'oude' definitie aan de hand van de verhoudingen tussen de rechthoekszijden en de hypotenusa in een rechthoekige driehoek.
De 'oude' definitie van de cosinus en de sinus had geen betekenis voor stompe hoeken, maar met onze 'nieuwe' definitie kunnen we nu wél betekenis geven aan de sinus en de cosinus van een stompe hoek. Als we het punt (1; 0) roteren om de oorsprong over een hoek tussen +90° en +180°, dan komen we uit op een punt P op de eenheidscirkel in het
tweede kwadrant, zoals ook in het plaatje hierboven is te zien: een rotatie over +480° levert immers hetzelfde resultaat op als een rotatie over +120°.
Welnu, in het tweede kwadrant is de x-coördinaat van een punt
negatief en de y-coördinaat
positief. En omdat de x-coördinaat van het beeldpunt P van (1; 0) per definitie de cosinus is van de (rotatie)hoek, is de
cosinus van een
stompe hoek dus
negatief. De y-coördinaat van een punt in het tweede kwadrant is nog steeds positief, en dus is de
sinus van een
stompe hoek wel
positief, net als de sinus van een scherpe hoek.
Twee hoeken die samen een gestrekte hoek vormen, oftewel een hoek van 180°, noemen we
supplementaire hoeken. Als dus een hoek scherp is, dan is het supplement van die hoek stomp, en omgekeerd, als een hoek stomp is, dan is het supplement van die hoek scherp. Omdat we nu met onze 'nieuwe' definitie ook kunnen spreken over de sinus en cosinus van stompe hoeken, kunnen we eens kijken hoe het verband is tussen de sinussen en de cosinussen van twee hoeken die elkaars supplement zijn. Laten we eens kijken naar een stompe hoek van 150°, zodat het supplement hiervan dus een scherpe hoek is van 30°.
Roteren we het punt (1; 0) om de oorsprong over een hoek van 150°, dan komen we uit op een punt P in het tweede kwadrant, dat per definitie de coördinaten (cos 150°; sin 150°) heeft. Maar nu zie je in de figuur dat het punt P het spiegelbeeld is van het punt met coördinaten (cos 30°; sin 30°) bij een spiegeling in de y-as. Het is eenvoudig in te zien waarom dat zo is: de gestippeld getekende driehoek in het eerste kwadrant is congruent met driehoek OPQ in het tweede kwadrant, omdat ∠POQ = 30°. Als we immers het punt (1;0) niet over een hoek van 150° maar nog 30° verder en daarmee over een hoek van 180° om de oorsprong hadden geroteerd, dan zouden we zijn uitgekomen in het punt (−1; 0).
Aangezien de punten met coördinaten (cos 150°; sin 150°) en (cos 30°; sin 30°) symmetrisch liggen ten opzichte van de y-as hebben deze punten
tegengestelde x-coördinaten maar
dezelfde y-coördinaten. En dus zien we dat cos 150° = −cos 30° terwijl sin 150° = sin 30°. In het algemeen geldt dat rotatie van het punt (1; 0) om de oorsprong over een hoek θ en over een hoek 180° − θ twee beeldpunten P en P' geeft die symmetrisch liggen ten opzichte van de y-as, zodat dus steeds geldt dat cos(180° − θ) = −cos θ terwijl sin(180° − θ) = sin θ.
[ Bericht 0% gewijzigd door Riparius op 08-11-2013 16:32:31 ]