Matematik 4Basåret, distans

Så hittar du rätt

  1. 1Sök efter ordet som förvirrar dig — rutan högst upp söker i hela kursen.
  2. 2Slå upp det i Begrepp. Varje begrepp länkar till avsnittet där det förklaras. Begrepp →
  3. 3Läs avsnittets rutor Vanligt fel: där står de misstag som nästan alla gör.
  4. 4Kom fortfarande inte vidare? Ta med frågan till räkneövningen eller mejla.

Lärare och examinator: Eric Ahlqvist, eric.ahlqvist@math.su.se · Övningsledare: Ottilia Andersson, ottilia.andersson@math.su.se · Skriv "Matematik 4" i ämnesraden.

← 2
Lektion 3 Trigonometriska funktioner
4 →
1.3 1. Trigonometri

Trigonometriska funktioner

Hittills har vi mest tittat på enhetscirkeln. Nu byter vi perspektiv och tittar på kurvorna. Dagens längd över året, tidvattnet i en hamn, en gunga som svänger: allt som upprepar sig kan beskrivas med en sinuskurva som har sträckts, tryckts ihop och flyttats. Efter den här lektionen kan du läsa av en sådan kurva som en karta. Fyra tal säger allt om den.

⏱ 50 min läsning§ 5 avsnitt

Efter lektionen kan du

  • läsa av amplitud, mittlinje och period ur en graf eller ur största och minsta värdet
  • lösa trigonometriska ekvationer grafiskt och räkna antalet lösningar
  • förklara åt vilket håll kurvan $y = \sin(x + v) + B$ är förskjuten, och varför $x$-led känns bakvänt
  • skriva $y = a\sin x + b\cos x$ som en enda sinuskurva och bestämma dess största värde
  • beskriva tangenskurvan, dess period och dess asymptoter
1

Sinus- och cosinuskurvor

Samma cirkel som förut, men nu ritad som en kurva.

Låt en punkt gå runt enhetscirkeln och rita upp dess höjd medan vinkeln växer. Då får du kurvan $y = \sin x$. När punkten har gått ett varv börjar allt om. Kurvan fortsätter likadant i all oändlighet, åt båda hållen.

Sådana funktioner kallas periodiska. Sinus och cosinus har perioden $360^\circ$.

Kurvan $y = \cos x$ ser exakt likadan ut, bara förskjuten $90^\circ$ i sidled: den börjar i toppen i stället för i mitten. Varför det blir så kommer vi till i avsnittet om förskjutningar.

Repetera Från cirkel till kurva

Animationen Från cirkel till kurva i lektion 1 visar hur kurvan växer fram ur cirkeln. Titta på den igen om kopplingen känns oklar.

Från förra lektionen: i $y = A\sin kx$ bestämmer $|A|$ amplituden och $k$ perioden $\dfrac{360^\circ}{k}$.

Men alla kurvor svänger inte kring $x$-axeln. Kurvan kan vara lyft eller sänkt, och då räcker det inte att titta på toppen.

Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

En sinuskurva har största värdet $5$ och minsta värdet $-1$.

Vilken amplitud har den?

Exempel

Läs av kurvan

En kurva av typen $y = A\sin kx + B$ har största värdet $7$, minsta värdet $1$ och perioden $120^\circ$. Bestäm $A$, $k$ och $B$ (med $A > 0$).

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

2

Ekvationer med digitala verktyg

Rita båda leden och läs av var de möts.

En ekvation som $2\sin 2x = 1$ kan lösas grafiskt. Rita $$f(x) = 2\sin 2x \qquad\text{och}\qquad g(x) = 1$$ i samma koordinatsystem, till exempel i GeoGebra eller Desmos, och läs av var graferna skär varandra. Varje skärning är en lösning.

Det är samma tanke som i lektion 1, där en vågrät linje skar enhetscirkeln. Nu är det kurvan som gör jobbet i stället för cirkeln.

Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

Hur många lösningar har ekvationen $$2 \sin 2x = 1$$ i intervallet $0^\circ \le x \le 360^\circ$?

Prova själv

Rita och räkna skärningar

Tryck på Visa linje y = c. Sätt $A = 2$ och $k = 2$, och räkna själv hur många gånger linjen skär kurvan mellan $0^\circ$ och $360^\circ$ innan du läser av antalet. Ändra sedan $k$: antalet lösningar följer med. Låt $v$ och $B$ vara tills vidare.

Exempel

Lös algebraiskt och kontrollera grafiskt

Lös $2\sin 2x = 1$ för $0^\circ \le x \le 360^\circ$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

Exempel

När det inte går att räkna exakt

Lös $2\sin 2x + \cos x = 0{,}5$ för $0^\circ \le x \le 360^\circ$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

3

Förskjutna kurvor

Plus betyder uppåt. Men i sidled är det tvärtom. Varför?

I y-led: som man tror

Kurvan $y = \sin x + B$ är $y = \sin x$ flyttad $B$ steg:

  • $B > 0$: uppåt
  • $B < 0$: nedåt

$B$ är kurvans mittlinje. Här gör plus precis vad man tror.

I x-led: bakvänt

Kurvan $y = \sin(x + v)$ är $y = \sin x$ flyttad $|v|$ grader:

  • $v > 0$: åt vänster
  • $v < 0$: åt höger

Plus inne i parentesen flyttar alltså kurvan åt vänster.

Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

Hur ligger kurvan $$y = \cos(x - 30^\circ) - 5$$ i förhållande till $y = \cos x$?

Prova själv

Dra i A, k, v och B

Grundkurvan ligger kvar i grått som jämförelse. Börja med $v$: gissa åt vilket håll kurvan flyttar sig innan du drar, och läs texten som skrivs ut. Ta sedan $B$, och till sist $A$ och $k$. Knappen Byt till cos gör samma sak med cosinus.

Formel
Standardformen och dess fyra konstanter
$$y = A\sin k(x + v) + B \qquad y = A\cos k(x + v) + B$$
konstantbetydelse
$\lvert A \rvert$amplitud $= \dfrac{\text{största} - \text{minsta}}{2}$
$k$period $= \dfrac{360^\circ}{k}$
$v$förskjutning i $x$-led: vänster om $v > 0$, höger om $v < 0$
$B$förskjutning i $y$-led, mittlinjen $y = B$
Exempel

Läs av alla fyra

Beskriv kurvan $y = 2\sin 3(x - 20^\circ) + 1$ jämfört med $y = \sin x$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

För den nyfikne Varför cos är en förskjuten sinus

$\cos x$ toppar vid $x = 0$ och $\sin x$ vid $x = 90^\circ$. Flyttar vi sinuskurvan $90^\circ$ åt vänster hamnar toppen vid $0$: $$\cos x = \sin(x + 90^\circ)$$ Det stämmer med additionsformeln från lektion 2: $\sin(x + 90^\circ) = \sin x \cdot 0 + \cos x \cdot 1 = \cos x$.

4

Kurvan $y = a\sin x + b\cos x$

Lägg ihop en sinuskurva och en cosinuskurva. Vad får du?

Summan av en sinus- och en cosinuskurva med samma period blir en ny sinuskurva, bara förskjuten i sidled och med en ny amplitud.

Figuren visar $y = 2\sin x + 3\cos x$. Summan når inte upp till $2 + 3 = 5$. Den stannar vid ungefär $3{,}6$.

Formel
Summan av sinus och cosinus
$$a\sin x + b\cos x = c\sin(x + v) \quad (a > 0)$$ $$c = \sqrt{a^2 + b^2} \qquad \tan v = \frac{b}{a}$$

$c$ är den nya amplituden, och $v$ ligger mellan $-90^\circ$ och $90^\circ$.

Amplituden kommer ur Pythagoras sats, inte ur $a + b$. Det är ingen slump: $a$ och $b$ är kateterna och $c$ hypotenusan i en rätvinklig triangel med vinkeln $v$.

Exempel

Skriv som en enda sinuskurva

Skriv $y = 2\sin x + 3\cos x$ på formen $c\sin(x + v)$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

Vilket är det största värdet funktionen $$y = 7 \sin x - 24 \cos x$$ kan anta?

Exempel

Största värdet utan derivata

Bestäm det största värdet av $y = \sin x + \cos x$ och ett $x$ där det antas.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

För den nyfikne Varför formeln stämmer

Skriv ut högerledet med additionsformeln: $$c\sin(x + v) = c\cos v \cdot \sin x + c\sin v \cdot \cos x$$ Det ska vara lika med $a\sin x + b\cos x$ för alla $x$, så $$a = c\cos v \qquad b = c\sin v$$ Kvadrera och addera, och trigonometriska ettan ger $a^2 + b^2 = c^2(\cos^2 v + \sin^2 v) = c^2$. Dela den andra ekvationen med den första: $\tan v = \dfrac{b}{a}$.

5

Tangensfunktionen

En kurva med hål i, och som rusar iväg mot oändligheten.

$y = \tan x$ ser helt annorlunda ut än sinus och cosinus.

Eftersom $\tan x = \dfrac{\sin x}{\cos x}$ är den inte definierad där $\cos x = 0$. Nära de punkterna blir nämnaren mycket liten och kvoten mycket stor. Kurvan närmar sig lodräta linjer utan att någonsin nå dem. Sådana linjer kallas asymptoter.

Formel
Tangensfunktionen
$$y = \tan x \quad\text{har perioden } 180^\circ$$ $$\text{asymptoter: } x = 90^\circ + n \cdot 180^\circ \qquad \text{nollställen: } x = n \cdot 180^\circ$$
Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

För vilka $x$ är $y = \tan x$ inte definierad?

Perioden är $180^\circ$ av samma skäl som i lektion 1: punkten mitt emot på enhetscirkeln har både $x$ och $y$ med ombytt tecken, så kvoten $y/x$ är densamma.

Har tangenskurvan en amplitud? Nej. Amplitud kräver ett största och ett minsta värde, och $\tan x$ har inget av dem. Den är obegränsad.

Sammanfattning

  • En sinuskurva beskrivs av fyra tal: $y = A\sin k(x + v) + B$.
  • Amplitud $|A| = \dfrac{\text{största} - \text{minsta}}{2}$, mittlinje $B = \dfrac{\text{största} + \text{minsta}}{2}$, period $\dfrac{360^\circ}{k}$.
  • $B$ flyttar kurvan upp eller ned. $v$ flyttar den i sidled, åt vänster när $v > 0$. Fråga alltid var toppen hamnar.
  • Ekvationer kan lösas grafiskt. Antalet lösningar är antalet perioder gånger antalet skärningar per period.
  • $a\sin x + b\cos x = c\sin(x + v)$ med $c = \sqrt{a^2 + b^2}$. Största värdet är $c$, inte $a + b$.
  • $\tan x$ har perioden $180^\circ$ och asymptoter vid $x = 90^\circ + n \cdot 180^\circ$.

Tänk vidare

Frågor utan räkning. Fundera själv eller med en kurskamrat innan du öppnar tanken.

  1. Konstruera kurvan

    Skissa en kurva med amplitud 2, period 180° och mittlinje $y = -1$, och skriv en formel för den. Kan olika formler ge samma tre mått?

    Ett sätt att tänka

    Till exempel $y = 2\sin 2x - 1$. Men $y = 2\cos 2x - 1$, $y = -2\sin 2x - 1$ och alla $y = 2\sin 2(x + v) - 1$ duger också. Amplitud, period och mittlinje bestämmer inte kurvan helt: förskjutningen i sidled är fri. Därför har standardformen fyra konstanter och inte tre.

  2. Hitta felet i perioden

    En elev säger: "Kurvan skär sin mittlinje var 90:e grad, alltså är perioden $90^\circ$." Vad har eleven missat?

    Ett sätt att tänka

    Kurvan skär mittlinjen två gånger per period, en gång på väg upp och en gång på väg ned. Perioden är alltså $180^\circ$. Det säkraste sättet att läsa av en period är från topp till topp.

  3. Störst och minst

    Vilket är det största och minsta värdet av $y = 4 - 3\cos 2x$? För vilka $x$ mellan $0^\circ$ och $360^\circ$ antas de?

    Ett sätt att tänka

    $\cos 2x$ ligger mellan $-1$ och $1$, men minustecknet vänder på det: $y$ är störst när $\cos 2x$ är minst. Största värdet är $7$, vid $x = 90^\circ$ och $270^\circ$. Minsta värdet är $1$, vid $x = 0^\circ$, $180^\circ$ och $360^\circ$.

  4. Modellera dagens längd

    Dagens längd i Stockholm varierar mellan ungefär $6$ och $18$ timmar, med maximum i slutet av juni. Ställ upp en möjlig funktion $L(t)$ där $t$ är dagens nummer på året.

    Ett sätt att tänka

    Amplitud $\dfrac{18 - 6}{2} = 6$, mittlinje $12$, period $365$ dagar, alltså $k = \dfrac{360^\circ}{365}$. Till exempel $L(t) = 12 - 6\cos\left(\dfrac{360^\circ}{365}\, t\right)$ med $t = 0$ vid vintersolståndet. Kontrollera $L(0) = 6$ och $L(182) \approx 18$. Mer om modeller i nästa lektion.