• Chapter 1 Studifinder - 1.8  Höhere Funktionen - Trigonometrische Funktionen

      Inhalte kompakt

      Info 1
      Es gilt für beliebige Winkel α  und  k∈ℤ:

      sin(α) = sin(α+k· 360∘ ), cos(α) = cos(α+k· 360∘ ).

      Die Sinus- und die Cosinusfunktion sind somit beide periodisch mit Periode 360∘ .
      Definition 1
      Fur beliebige Winkel α versteht man unter sin(α) den Wert der y-Koordinate des Punktes Cα am Einheitskreis und unter cos(α) den Wert der x-Koordinate des Punktes Cα am Einheitskreis.
      Satz 1
      Die Sinus- und die Cosinusfunktion sind beide periodisch mit Periode 360∘ . Es gilt für beliebige Winkel α  und  k∈ℤ:

      sin(α) = sin(α+k· 360∘ ), cos(α) = cos(α+k· 360∘ ).

      Dies folgt unmittelbar aus der geometrischen Definition.
      Definition 2
      Für Winkel x∈ℝ im Bogenmaß wird definiert:

      Sin (x) := sin( x π · 180∘ ), Cos (x) := cos( x π · 180∘ ).

      Satz 2: Periodizität von Sinus- und Cosinusfunktionen im Bogenmaß
      Für alle x∈ℝ und k∈ℤ gilt:

      sin(x) = sin(x+k·2π), cos(x) = cos(x+k·2π).

      Die Periodenlänge beträgt 2π.
      Satz 3
      Die trigonometrischen Funktionen Sinus und Cosinus besitzen die folgenden Nullstellen:
      Sinusfunktion: x=k·π,
      Cosinusfunktion: x= π 2 +k·π
      für jedes k∈ℤ.
       
      Im Gradmaß sind das die folgenden Nullstellen:
      Sinusfunktion: x=k· 180∘ ,
      Cosinusfunktion: x= 90∘ +k· 180∘ .
      für jedes k∈ℤ.
      Satz 4
      Die Sinusfunktion ist punktsymmetrisch zum Ursprung, es gilt:
      sin(-x)=-sin(x).

      Die Cosinusfunktion ist achsensymmetrisch zur y-Achse, es gilt:
      cos(-x)=cos(x).

      Info 2
      Es bestehen folgende Zusammenhänge zwischen Sinus und Cosinus:
      x sin(x) cos(x) x sin(x) cos(x)
      π 2 +x cos(α) -sin(α) π 2 -x cos(α) sin(α)
      π+x -sin(α) -cos(α) π-x sin(α) -cos(α)
      3 2 π+x -cos(α) sin(α) 3 2 π-x -cos(α) -sin(α)
      2π+x sin(α) cos(α) 2π-x -sin(α) cos(α)
      Definition 3
      Die Tangensfunktion f:ℝ \ {kπ+ π 2 | k∈ℤ}→ℝ ist definiert als

      tan(x)= sin(x) cos(x) .

      Definition 4
      Seien a,b,c,d∈ℝ. Die Funktion

      f:ℝ→ℝ,x→a·sin(b(x+c))+d

      bezeichnen wir als allgemeine Sinusfunktion.
      Info 3: Amplitude
      Es wird die Funktion
      g(x)=a·sin(x)

      für a∈ℝ \ {0} betrachtet. Hierbei nennt man a die Amplitude.
      8_lv_schwingung_amplitude.png
      Die Funktion g(x) entsteht aus der Funktion f(x)=sin(x) durch Multiplikation mit einem Faktor a∈ℝ. Sie hat dieselben Nullstellen wie sin(x) und schwankt zwischen den Werten a und -a auf der y-Achse. Der Graph sieht für a>0 so aus:
      8_lv_sin_param.png
      Bild 15 Der Graph der Funktion a·sin(x) für a>0
      Für a>1 wird der Graph von f(x) in y-Richtung gestreckt, und für 0<a<1 wird der Graph von f(x) in y-Richtung gestaucht.
      Ist der Parameter a negativ, also a<0, schwankt die Funktion ebenfalls zwischen a (<0) und -a (>0).
      8_lv_sin_param_min.png
      Bild 16 Der Graph der Funktion a·sin(x) für a<0
      Für negative Werte von a wird der Graph (im Vergleich zum entsprechenden positiven Wert von a) entlang der x-Achse gespiegelt.
      Analog zu oben wird für a<-1 der Graph von f(x) in y-Richtung gestreckt, und für -1<a<0 in y-Richtung gestaucht.
      Info 4: Periodenlänge
      Die Funktion
      g(x)=sin(b·x)

      für einen Wert b∈ℝ, b>0, entsteht aus der Funktion f(x)=sin(x), indem das Argument von f mit einem reellen Faktor multipliziert wird. Bei der Betrachtung der Graphen der Funktionen ist zu sehen, dass dies die Periodenlänge der jeweiligen Funktion beeinflusst:
      8_lv_Periodenlaenge_1.png
      Bild 17 Der Graph der Funktion sin(x)
      8_lv_Periodenlaenge_2.png
      Bild 18 Der Graph der Funktion sin(2x)
      8_lv_Periodenlaenge_3.png
      Bild 19 Der Graph der Funktion sin( x 2 )
      Für b>1 wird der Graph von f(x) in x-Richtung gestaucht.
      Für 0<b<1 wird der Graph von f(x) in x-Richtung gestreckt.
      Allgemein gilt für Werte b>0: die Periodenlänge der Funktion g(x)=sin(b·x) ist 2π b , also zum Beispiel, wie in den obigen Abbildungen erkennbar: Die Periodenlänge für b=2 beträgt 2π 2 =π, für b= 1 2 beträgt sie 2π 1 2 =4π.
      Betrachtet man negative Werte für b, wie beispielsweise b=-2, so sieht man:
      sin(b·x)=sin(-2x)=-sin(2x).

      d.h. die Periodenlänge ist wie bei sin(2x) auch hier π, aber die Funktion ist an der x-Achse gespiegelt.
      Info 5: Phasenverschiebung
      8_lv_schwingung_phase.png
      Hier wird die Funktion
      h(x)=sin(x+c)

      für Werte c∈ℝ betrachtet. Diese Funktion entsteht aus f(x)=sin(x) durch Verschiebung des Arguments entlang der x-Achse. Für c>0 wird der Graph von f(x) in x-Richtung nach links verschoben.
      Für c<0 wird der Graph von f(x) in x-Richtung nach rechts verschoben.
      Der Parameter c verschiebt den Graphen in x-Richtung und verändert damit die sogenannte „Phase“ der Sinusschwingung. Auf die Amplitude und Periodenlänge hat dieser Parameter keinen Einfluss.
      Info 6: Verschiebung in y - Richtung
      Hier werden Funktionen der Form
      g(x)=sin(x)+d

      für d∈ℝ betrachtet. Diese Funktionen entstehen aus der Funktion f(x)=sin(x) durch Addieren des Parameters d, wodurch der Graph entlang der y-Achse verschoben wird.
      Für d>0 wird der Graph von f(x) in y-Richtung nach oben verschoben.
      Für d<0 wird der Graph von f(x) in y-Richtung nach unten verschoben.
      8_lv_schwingung_y_richtung.png
      Bild 21 Die Graphen von sin(x) und sin(x)+d für d>0
      Auf die Amplitude und die Periodenlänge hat dieser Parameter keinen Einfluss.
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