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弧度、单位圆与基本三角函数

基础更新于 2026-09-29

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用单位圆定义三角函数,可以统一锐角、负角和超过一周的角。

任意角、弧度与六种三角函数的定义和符号

角由射线绕端点旋转形成,逆时针为正、顺时针为负;通常始边放在 xx 轴正半轴。终边在某象限内部才称该象限角,坐标轴上的角不是象限角。同终边角为 α+2kπ\alpha+2k\pi,k∈Zk\in\mathbb Z,角度制下为 α+360∘k\alpha+360^\circ k。

弧度定义为圆弧长与半径之比;一周 2π2\pi 弧度等于 360∘360^\circ,故 1∘=π/1801^\circ=\pi/180 弧度、11 弧度为 180∘/π180^\circ/\pi。半径 rr、非负圆心角 θ\theta 对应的弧长 l=rθl=r\theta,扇形面积 S=r2θ/2S=r^2\theta/2,这里 θ\theta 必须用弧度。

设终边上一点 (x,y)≠(0,0)(x,y)\ne(0,0),r=x2+y2>0r=\sqrt{x^2+y^2}>0。六种定义为

sin⁡α=yr,cos⁡α=xr,tan⁡α=yx,cot⁡α=xy,sec⁡α=rx,csc⁡α=ry.\sin\alpha=\frac yr,\quad\cos\alpha=\frac xr,\quad \tan\alpha=\frac yx,\quad\cot\alpha=\frac xy,\quad \sec\alpha=\frac rx,\quad\csc\alpha=\frac ry.

正切、正割要求 x≠0x\ne0,余切、余割要求 y≠0y\ne0。同一射线上的点按正比例缩放,比例不变,所以定义与点的选取无关。旧符号 tg,ctg\mathrm{tg},\mathrm{ctg} 分别指 tan⁡,cot⁡\tan,\cot。

函数 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 00 π/2\pi/2 π\pi 3π/23\pi/2
sin⁡\sin + + − − 0 1 0 −1
cos⁡\cos + − − + 1 0 −1 0
tan⁡\tan + − + − 0 无定义 0 无定义
cot⁡\cot + − + − 无定义 0 无定义 0
sec⁡\sec + − − + 1 无定义 −1 无定义
csc⁡\csc + + − − 无定义 1 无定义 −1

各象限符号直接来自 x,yx,y 符号和 r>0r>0,轴上的值另由坐标定义,不宜只用象限口诀。

同角关系及其各自的定义条件见同角关系表。

用单位圆理解六种三角函数

单位圆的横纵坐标与三角函数

在六种三角函数的定义中,把终边上的点取在单位圆上,便有 r=1r=1。因此这个点的横坐标是 cos⁡α\cos\alpha,纵坐标是 sin⁡α\sin\alpha。图中从点向两坐标轴作的垂线段表示相应坐标的绝对值;在负半轴方向,坐标本身带负号。

正切 tan⁡α=y/x\tan\alpha=y/x 是终边所在直线的斜率,要求 x≠0x\ne0。当终边在 yy 轴方向时,斜率不存在,正切也无定义。这里同终边角相差整周,而互为反向的射线相差半周:两者斜率相同,所以正切的周期比正弦、余弦的周期短一半。

单位圆提供了定义、符号和对称性的统一解释;具体诱导公式及证明集中在诱导公式表。

同角关系:商、倒数、乘积与平方

以下各式分别在所列非零条件下成立。

类别 等式 条件
商 tan⁡x=sin⁡x/cos⁡x\tan x=\sin x/\cos x cos⁡x≠0\cos x\ne0
商 cot⁡x=cos⁡x/sin⁡x\cot x=\cos x/\sin x sin⁡x≠0\sin x\ne0
倒数 sec⁡x=1/cos⁡x\sec x=1/\cos x,cos⁡x=1/sec⁡x\cos x=1/\sec x cos⁡x≠0\cos x\ne0
倒数 csc⁡x=1/sin⁡x\csc x=1/\sin x,sin⁡x=1/csc⁡x\sin x=1/\csc x sin⁡x≠0\sin x\ne0
倒数 tan⁡x=1/cot⁡x\tan x=1/\cot x,cot⁡x=1/tan⁡x\cot x=1/\tan x sin⁡xcos⁡x≠0\sin x\cos x\ne0
乘积 tan⁡xcos⁡x=sin⁡x\tan x\cos x=\sin x cos⁡x≠0\cos x\ne0
乘积 cot⁡xsin⁡x=cos⁡x\cot x\sin x=\cos x sin⁡x≠0\sin x\ne0
乘积 tan⁡xcot⁡x=1\tan x\cot x=1 sin⁡xcos⁡x≠0\sin x\cos x\ne0
平方 sin⁡2x+cos⁡2x=1\sin^2x+\cos^2x=1 任意实数 xx
平方 1+tan⁡2x=sec⁡2x1+\tan^2x=\sec^2x cos⁡x≠0\cos x\ne0
平方 1+cot⁡2x=csc⁡2x1+\cot^2x=\csc^2x sin⁡x≠0\sin x\ne0

证明。 商、倒数和乘积关系直接代入终边坐标定义。例如 (y/r)/(x/r)=y/x(y/r)/(x/r)=y/x,要求 x≠0x\ne0;而 (y/x)(x/y)=1(y/x)(x/y)=1 还要求 y≠0y\ne0。由 x2+y2=r2x^2+y^2=r^2 除以 r2>0r^2>0 得到第一条平方关系,再分别除以非零的余弦平方、正弦平方得到后两条。

常用派生式还有

(sin⁡x+cos⁡x)2=1+2sin⁡xcos⁡x,(\sin x+\cos x)^2=1+2\sin x\cos x, (sin⁡x−cos⁡x)2=1−2sin⁡xcos⁡x,(\sin x-\cos x)^2=1-2\sin x\cos x, (sin⁡x+cos⁡x)2+(sin⁡x−cos⁡x)2=2.(\sin x+\cos x)^2+(\sin x-\cos x)^2=2.

前两式展开平方后用同角平方关系,第三式相加得到。它们适合把“正余弦和”与“正余弦积”相互转换。

正余弦的范围与基本估计

单位圆上任一点的横纵坐标都在 [−1,1][-1,1] 内,圆上相应的点又能实现每个中间坐标,所以正弦、余弦的值域均为 [−1,1][-1,1]。

对任意实数 xx,

1≤∣sin⁡x∣+∣cos⁡x∣≤2.1\le|\sin x|+|\cos x|\le\sqrt2.

证明。 记 s=∣sin⁡x∣,c=∣cos⁡x∣s=|\sin x|,c=|\cos x|,则 s,c≥0s,c\ge0,s2+c2=1s^2+c^2=1。因此 (s+c)2=1+2sc≥1(s+c)^2=1+2sc\ge1,又由 (s−c)2≥0(s-c)^2\ge0 得 2sc≤12sc\le1,所以 (s+c)2≤2(s+c)^2\le2。两侧开非负平方根,得到结论。

下界等号当且仅当 sc=0sc=0,即 x=kπ/2x=k\pi/2;上界等号当且仅当 s=cs=c,即 x=π/4+kπ/2x=\pi/4+k\pi/2。若 0<x<π/20<x<\pi/2,正余弦都为正,便得到

1<sin⁡x+cos⁡x≤2,1<\sin x+\cos x\le\sqrt2,

右侧等号当且仅当 x=π/4x=\pi/4。这条不等式与下节使用弧度的 sin⁡x<x<tan⁡x\sin x<x<\tan x 不同:本条比较的是三角函数值,证明不涉及弧长。

六种函数的完整单调区间、周期和对称性见三角函数图像性质。

弧度不等式:正弦、角度与正切

对 0<x<π/20<x<\pi/2(弧度),有

sin⁡x<x<tan⁡x.\sin x<x<\tan x.

证明:取单位圆圆心 OO,A=(1,0),B=(cos⁡x,sin⁡x)A=(1,0),B=(\cos x,\sin x),令射线 OBOB 与 AA 处切线交于 T=(1,tan⁡x)T=(1,\tan x)。三角形 OABOAB 严格包含于扇形 OABOAB,扇形又严格包含于三角形 OATOAT,故面积满足

12sin⁡x<12x<12tan⁡x.\frac12\sin x<\frac12x<\frac12\tan x.

这里使用弧度下扇形面积 x/2x/2。若把 xx 直接换成角度制的数值,不等式通常不成立。

对上述区间还得到 cos⁡x<sin⁡x/x<1\cos x<\sin x/x<1。它可作估计,但在 x=0x=0 处商没有定义;需要另行定义或讨论趋近,不能直接约去零。

正弦弦线界与正弦正切之和

在 0≤x≤b≤π0\le x\le b\le\pi、b>0b>0 时,正弦函数在 [0,π][0,\pi] 上凹,故

sin⁡x≥sin⁡bbx.\sin x\ge\frac{\sin b}{b}x.

可由二阶导数 −sin⁡x≤0-\sin x\le0 及凹函数图像位于弦线上方证明;内部点 0<x<b0<x<b 时严格大于。特别地,0≤x≤π/20\le x\le\pi/2 时 sin⁡x≥2x/π\sin x\ge2x/\pi。

另外,0<x<π/20<x<\pi/2 时有 sin⁡x+tan⁡x>2x\sin x+\tan x>2x。令 F(x)=sin⁡x+tan⁡x−2xF(x)=\sin x+\tan x-2x,则 F(0)=0F(0)=0,且

F′(x)=sin⁡2x(1cos⁡2x−11+cos⁡x)>0,F'(x)=\sin^2x\left(\frac1{\cos^2x}-\frac1{1+\cos x}\right)>0,

因为 0<cos⁡x<10<\cos x<1 时 1+cos⁡x>cos⁡2x1+\cos x>\cos^2x。角度必须用弧度。

例:象限比机械公式更可靠

sin⁡(7π/6)=−1/2\sin(7\pi/6)=-1/2,因为终边在第三象限、参考角为 π/6\pi/6。cos⁡(7π/6)=−3/2\cos(7\pi/6)=-\sqrt3/2,因此正切为 1/31/\sqrt3。

例:由终边上一点求三角函数

角 α\alpha 的终边经过 P(−3,4)P(-3,4),到原点距离为 r=5r=5。按单位圆的比例关系,cos⁡α=−3/5\cos\alpha=-3/5、sin⁡α=4/5\sin\alpha=4/5、tan⁡α=−4/3\tan\alpha=-4/3。

若只知道 sin⁡α=4/5\sin\alpha=4/5,则 cos⁡α=±3/5\cos\alpha=\pm3/5;必须增加象限或范围条件才可确定符号。又 sin⁡(π−α)=sin⁡α\sin(\pi-\alpha)=\sin\alpha、cos⁡(π−α)=−cos⁡α\cos(\pi-\alpha)=-\cos\alpha,这些诱导公式对应单位圆上关于纵轴的对称,不需要逐个角背结论。

例:象限条件在除角后要重新分类

若 α\alpha 是第二象限角,可写成 α=2kπ+θ\alpha=2k\pi+\theta,其中 π/2<θ<π\pi/2<\theta<\pi,k∈Zk\in\mathbb Z。于是 α/2=kπ+θ/2\alpha/2=k\pi+\theta/2,且 π/4<θ/2<π/2\pi/4<\theta/2<\pi/2。

当 kk 为偶数时,α/2\alpha/2 在第一象限;当 kk 为奇数时,在第三象限。故“第二象限角的一半一定是第一象限角”只有在额外规定 π/2<α<π\pi/2<\alpha<\pi 时才成立。

同理,终边相同的角相差 2kπ2k\pi,它们的一半可能相差奇数个 π\pi,三角函数的符号未必相同。处理半角公式时必须保留原角的范围。

易错点

弧长公式 l=rθl=r\theta 中 θ\theta 使用弧度。正切不能跨越无定义点说整体递增。给出正弦值后确定余弦正负,还需要角所在区间。

关联阅读

先修:单调性、奇偶性、周期与对称。

同主题:和差、倍角、半角与和积公式。

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