Trigonometrijske funkcije dvostrukog ugla

Formule za dvostruki ugao su poseban slučaj adicionih formula kada su oba ugla jednaka: α+α=2α\alpha + \alpha = 2\alpha. Nije ih potrebno učiti napamet: dovoljno je znati adicione formule i primeniti ih sa β=α\beta = \alpha. Ipak, pošto se pojavljuju u skoro svakom zadatku, brže je imati ih pri ruci.

Sinus dvostrukog ugla:

sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin 2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha

Kosinus dvostrukog ugla (tri ekvivalentna oblika):

cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α\cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha

Tangens i kotangens dvostrukog ugla:

tg⁡2α=2tg⁡α1−tg⁡2αctg⁡2α=ctg⁡2α−12ctg⁡α\operatorname{tg} 2\alpha = \frac{2\operatorname{tg}\alpha}{1 - \operatorname{tg}^2\alpha} \qquad \operatorname{ctg} 2\alpha = \frac{\operatorname{ctg}^2\alpha - 1}{2\operatorname{ctg}\alpha}

Alternativni oblici sa tangensom:

sin⁡2α=2tg⁡α1+tg⁡2αcos⁡2α=1−tg⁡2α1+tg⁡2α\sin 2\alpha = \frac{2\operatorname{tg}\alpha}{1 + \operatorname{tg}^2\alpha} \qquad \cos 2\alpha = \frac{1 - \operatorname{tg}^2\alpha}{1 + \operatorname{tg}^2\alpha}


2. Izvođenje formula

Sve formule slede direktno iz adicionih formula zamenom β=α\beta = \alpha.

Sinus: iz sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha + \beta) = \sin\alpha\cos\beta + \cos\alpha\sin\beta sa β=α\beta = \alpha:

sin⁡2α=sin⁡αcos⁡α+cos⁡αsin⁡α=2sin⁡αcos⁡α\sin 2\alpha = \sin\alpha\cos\alpha + \cos\alpha\sin\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha

Kosinus: iz cos⁡(α+β)=cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha + \beta) = \cos\alpha\cos\beta - \sin\alpha\sin\beta sa β=α\beta = \alpha:

cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α\cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha

Tangens: iz tg⁡(α+β)=tg⁡α+tg⁡β1−tg⁡αtg⁡β\operatorname{tg}(\alpha + \beta) = \dfrac{\operatorname{tg}\alpha + \operatorname{tg}\beta}{1 - \operatorname{tg}\alpha\operatorname{tg}\beta} sa β=α\beta = \alpha:

tg⁡2α=2tg⁡α1−tg⁡2α\operatorname{tg} 2\alpha = \frac{2\operatorname{tg}\alpha}{1 - \operatorname{tg}^2\alpha}

Kotangens: iz ctg⁡(α+β)=ctg⁡αctg⁡β−1ctg⁡α+ctg⁡β\operatorname{ctg}(\alpha + \beta) = \dfrac{\operatorname{ctg}\alpha\operatorname{ctg}\beta - 1}{\operatorname{ctg}\alpha + \operatorname{ctg}\beta} sa β=α\beta = \alpha:

ctg⁡2α=ctg⁡2α−12ctg⁡α\operatorname{ctg} 2\alpha = \frac{\operatorname{ctg}^2\alpha - 1}{2\operatorname{ctg}\alpha}

Alternativni oblici sa tangensom dobijaju se iz sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin 2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha i cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α\cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha deljenjem brojioca i imenioca sa cos⁡2α\cos^2\alpha, pa primenom 1+tg⁡2α=1cos⁡2α1 + \operatorname{tg}^2\alpha = \dfrac{1}{\cos^2\alpha}:

sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡αsin⁡2α+cos⁡2α=2sin⁡αcos⁡α1+sin⁡2αcos⁡2α=2tg⁡α1+tg⁡2α\sin 2\alpha = \frac{2\sin\alpha\cos\alpha}{\sin^2\alpha + \cos^2\alpha} = \frac{\frac{2\sin\alpha}{\cos\alpha}}{1 + \frac{\sin^2\alpha}{\cos^2\alpha}} = \frac{2\operatorname{tg}\alpha}{1 + \operatorname{tg}^2\alpha}

cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2αsin⁡2α+cos⁡2α=1−sin⁡2αcos⁡2α1+sin⁡2αcos⁡2α=1−tg⁡2α1+tg⁡2α\cos 2\alpha = \frac{\cos^2\alpha - \sin^2\alpha}{\sin^2\alpha + \cos^2\alpha} = \frac{1 - \frac{\sin^2\alpha}{\cos^2\alpha}}{1 + \frac{\sin^2\alpha}{\cos^2\alpha}} = \frac{1 - \operatorname{tg}^2\alpha}{1 + \operatorname{tg}^2\alpha}


3. Primeri

3.1 Izračunavanje funkcija dvostrukog ugla iz poznatih vrednosti

Najpre odredimo nepoznatu funkciju iz kvadranta i osnovnog identiteta, pa primenimo formule.

Zadatak. Izračunati sin⁡2α\sin 2\alpha, cos⁡2α\cos 2\alpha i tg⁡2α\operatorname{tg} 2\alpha, ako je sin⁡α=35\sin\alpha = \dfrac{3}{5} i α∈(π2,π)\alpha \in \left(\dfrac{\pi}{2}, \pi\right).

Korak 1. Određujemo cos⁡α\cos\alpha. Ugao je u drugom kvadrantu, pa je kosinus negativan: cos⁡2α=1−925=1625  ⟹  cos⁡α=−45\cos^2\alpha = 1 - \frac{9}{25} = \frac{16}{25} \implies \cos\alpha = -\frac{4}{5}

Korak 2. Primenjujemo formule: sin⁡2α=2⋅35⋅(−45)=−2425\sin 2\alpha = 2 \cdot \frac{3}{5} \cdot \left(-\frac{4}{5}\right) = -\frac{24}{25}

cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α=1625−925=725\cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha = \frac{16}{25} - \frac{9}{25} = \frac{7}{25}

Korak 3. Tangens dvostrukog ugla najlakše dobijamo iz već izračunatih vrednosti: tg⁡2α=sin⁡2αcos⁡2α=−2425725=−247\operatorname{tg} 2\alpha = \frac{\sin 2\alpha}{\cos 2\alpha} = \frac{-\frac{24}{25}}{\frac{7}{25}} = -\frac{24}{7}

Zadatak. Izračunati sin⁡2α\sin 2\alpha, cos⁡2α\cos 2\alpha i tg⁡2α\operatorname{tg} 2\alpha, ako je cos⁡α=−513\cos\alpha = -\dfrac{5}{13} i sin⁡α>0\sin\alpha > 0.

Pošto je cos⁡α<0\cos\alpha < 0 i sin⁡α>0\sin\alpha > 0, ugao je u drugom kvadrantu.

sin⁡α=1−25169=1213\sin\alpha = \sqrt{1 - \frac{25}{169}} = \frac{12}{13}

sin⁡2α=2⋅1213⋅(−513)=−120169\sin 2\alpha = 2 \cdot \frac{12}{13} \cdot \left(-\frac{5}{13}\right) = -\frac{120}{169}

cos⁡2α=25169−144169=−119169\cos 2\alpha = \frac{25}{169} - \frac{144}{169} = -\frac{119}{169}

tg⁡2α=−120169−119169=120119\operatorname{tg} 2\alpha = \frac{-\frac{120}{169}}{-\frac{119}{169}} = \frac{120}{119}

Tangens dvostrukog ugla je najlakše računati kao sin⁡2αcos⁡2α\dfrac{\sin 2\alpha}{\cos 2\alpha} kada su sinus i kosinus već izračunati. Direktna formula 2tg⁡α1−tg⁡2α\dfrac{2\operatorname{tg}\alpha}{1 - \operatorname{tg}^2\alpha} je sporija jer zahteva posebno računanje tg⁡α\operatorname{tg}\alpha.


3.2 Izračunavanje pri parametarski zadatom uglu

Kada je trigonometrijska vrednost izražena parametrom, postupak je isti, ali rezultat sadrži parametar.

Zadatak. Odrediti sin⁡2x\sin 2x i cos⁡2x\cos 2x, ako je sin⁡x=m−nm+n\sin x = \dfrac{m - n}{m + n}, m+n≠0m + n \neq 0, mn>0mn > 0.

Korak 1. Računamo cos⁡2x\cos^2 x iz osnovnog identiteta: cos⁡2x=1−(m−nm+n)2=(m+n)2−(m−n)2(m+n)2=4mn(m+n)2\cos^2 x = 1 - \left(\frac{m-n}{m+n}\right)^2 = \frac{(m+n)^2 - (m-n)^2}{(m+n)^2} = \frac{4mn}{(m+n)^2}

Pošto mn>0mn > 0, koren je definisan: ∣cos⁡x∣=2mnm+n|\cos x| = \dfrac{2\sqrt{mn}}{m+n}, pa cos⁡x=±2mnm+n\cos x = \pm\dfrac{2\sqrt{mn}}{m+n}.

Korak 2. Sinus dvostrukog ugla (znak zavisi od kvadranta): sin⁡2x=2⋅m−nm+n⋅(±2mnm+n)=±4(m−n)mn(m+n)2\sin 2x = 2 \cdot \frac{m-n}{m+n} \cdot \left(\pm\frac{2\sqrt{mn}}{m+n}\right) = \pm\frac{4(m-n)\sqrt{mn}}{(m+n)^2}

Korak 3. Kosinus dvostrukog ugla ne zavisi od znaka cos⁡x\cos x: cos⁡2x=cos⁡2x−sin⁡2x=4mn(m+n)2−(m−n)2(m+n)2=4mn−m2+2mn−n2(m+n)2=−m2−6mn+n2(m+n)2\cos 2x = \cos^2 x - \sin^2 x = \frac{4mn}{(m+n)^2} - \frac{(m-n)^2}{(m+n)^2} = \frac{4mn - m^2 + 2mn - n^2}{(m+n)^2} = -\frac{m^2 - 6mn + n^2}{(m+n)^2}


3.3 Uprošćavanje prepoznavanjem obrasca

Kada izraz sadrži sin⁡αcos⁡α\sin\alpha\cos\alpha, cos⁡2α−sin⁡2α\cos^2\alpha - \sin^2\alpha, ili slične kombinacije, prepoznajemo obrazac formule za dvostruki ugao i sklapamo unazad.

Zadatak. Uprostiti: (cos⁡2α+2sin⁡αcos⁡α−sin⁡2α)2(\cos^2\alpha + 2\sin\alpha\cos\alpha - \sin^2\alpha)^2.

Prepoznajemo unutar zagrade cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α\cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha i sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin 2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha:

(cos⁡2α+sin⁡2α)2=cos⁡22α+2sin⁡2αcos⁡2α+sin⁡22α(\cos 2\alpha + \sin 2\alpha)^2 = \cos^2 2\alpha + 2\sin 2\alpha\cos 2\alpha + \sin^2 2\alpha

=(sin⁡22α+cos⁡22α)+2sin⁡2αcos⁡2α=1+sin⁡4α= (\sin^2 2\alpha + \cos^2 2\alpha) + 2\sin 2\alpha\cos 2\alpha = 1 + \sin 4\alpha

Zadatak. Uprostiti: sin⁡3xsin⁡x−cos⁡3xcos⁡x\dfrac{\sin 3x}{\sin x} - \dfrac{\cos 3x}{\cos x}.

Svodimo na zajednički imenilac: sin⁡3xcos⁡x−cos⁡3xsin⁡xsin⁡xcos⁡x\frac{\sin 3x\cos x - \cos 3x\sin x}{\sin x\cos x}

Brojilac je obrazac za sin⁡(3x−x)=sin⁡2x\sin(3x - x) = \sin 2x, a imenilac za 12sin⁡2x\frac{1}{2}\sin 2x:

sin⁡2x12sin⁡2x=2\frac{\sin 2x}{\frac{1}{2}\sin 2x} = 2

Vrednost izraza je konstantna i ne zavisi od xx.

Zadatak. Dokazati: sin⁡15°cos⁡15°=14\sin 15°\cos 15° = \dfrac{1}{4}.

Množimo i delimo sa 22 da bismo dobili obrazac za sin⁡2α\sin 2\alpha:

sin⁡15°cos⁡15°=2sin⁡15°cos⁡15°2=sin⁡30°2=122=14✓\sin 15°\cos 15° = \frac{2\sin 15°\cos 15°}{2} = \frac{\sin 30°}{2} = \frac{\frac{1}{2}}{2} = \frac{1}{4} \checkmark


3.4 Dokazivanje identiteta

Identiteti se dokazuju razvijanjem jedne strane formulama za dvostruki ugao i algebarskim sređivanjem.

Zadatak. Dokazati: 1−cos⁡2α+sin⁡2α1+cos⁡2α+sin⁡2α=tg⁡α\dfrac{1 - \cos 2\alpha + \sin 2\alpha}{1 + \cos 2\alpha + \sin 2\alpha} = \operatorname{tg}\alpha.

Zamenjujemo cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α\cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha, sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin 2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha i 1=sin⁡2α+cos⁡2α1 = \sin^2\alpha + \cos^2\alpha:

sin⁡2α+cos⁡2α−cos⁡2α+sin⁡2α+2sin⁡αcos⁡αsin⁡2α+cos⁡2α+cos⁡2α−sin⁡2α+2sin⁡αcos⁡α=2sin⁡2α+2sin⁡αcos⁡α2cos⁡2α+2sin⁡αcos⁡α\frac{\sin^2\alpha + \cos^2\alpha - \cos^2\alpha + \sin^2\alpha + 2\sin\alpha\cos\alpha}{\sin^2\alpha + \cos^2\alpha + \cos^2\alpha - \sin^2\alpha + 2\sin\alpha\cos\alpha} = \frac{2\sin^2\alpha + 2\sin\alpha\cos\alpha}{2\cos^2\alpha + 2\sin\alpha\cos\alpha}

Izvlačimo zajedničke faktore:

=2sin⁡α(sin⁡α+cos⁡α)2cos⁡α(cos⁡α+sin⁡α)=sin⁡αcos⁡α=tg⁡α✓= \frac{2\sin\alpha(\sin\alpha + \cos\alpha)}{2\cos\alpha(\cos\alpha + \sin\alpha)} = \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha} = \operatorname{tg}\alpha \checkmark

Zadatak. Dokazati: cos⁡4α+sin⁡4α=1−12sin⁡22α\cos^4\alpha + \sin^4\alpha = 1 - \dfrac{1}{2}\sin^2 2\alpha.

Koristimo a4+b4=(a2+b2)2−2a2b2a^4 + b^4 = (a^2 + b^2)^2 - 2a^2b^2 sa a=cos⁡αa = \cos\alpha, b=sin⁡αb = \sin\alpha:

cos⁡4α+sin⁡4α=(cos⁡2α+sin⁡2α)2−2sin⁡2αcos⁡2α=1−2sin⁡2αcos⁡2α\cos^4\alpha + \sin^4\alpha = (\cos^2\alpha + \sin^2\alpha)^2 - 2\sin^2\alpha\cos^2\alpha = 1 - 2\sin^2\alpha\cos^2\alpha

Pošto sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin 2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha, važi sin⁡22α=4sin⁡2αcos⁡2α\sin^2 2\alpha = 4\sin^2\alpha\cos^2\alpha, dakle 2sin⁡2αcos⁡2α=12sin⁡22α2\sin^2\alpha\cos^2\alpha = \dfrac{1}{2}\sin^2 2\alpha:

=1−12sin⁡22α✓= 1 - \frac{1}{2}\sin^2 2\alpha \checkmark

Zadatak. Dokazati: 1sin⁡10°−3cos⁡10°=4\dfrac{1}{\sin 10°} - \dfrac{\sqrt{3}}{\cos 10°} = 4.

Svodimo na zajednički imenilac: cos⁡10°−3sin⁡10°sin⁡10°cos⁡10°\frac{\cos 10° - \sqrt{3}\sin 10°}{\sin 10°\cos 10°}

U brojiocu izvlačimo faktor 22: 2(12cos⁡10°−32sin⁡10°)sin⁡10°cos⁡10°=2(sin⁡30°cos⁡10°−cos⁡30°sin⁡10°)sin⁡10°cos⁡10°\frac{2\left(\frac{1}{2}\cos 10° - \frac{\sqrt{3}}{2}\sin 10°\right)}{\sin 10°\cos 10°} = \frac{2(\sin 30°\cos 10° - \cos 30°\sin 10°)}{\sin 10°\cos 10°}

Prepoznajemo sin⁡(30°−10°)=sin⁡20°\sin(30° - 10°) = \sin 20° u brojiocu, a sin⁡10°cos⁡10°=12sin⁡20°\sin 10°\cos 10° = \dfrac{1}{2}\sin 20° u imeniocu:

=2sin⁡20°12sin⁡20°=4✓= \frac{2\sin 20°}{\frac{1}{2}\sin 20°} = 4 \checkmark


3.5 Dokazivanje formula za trostruki ugao

Formule za sin⁡3α\sin 3\alpha, cos⁡3α\cos 3\alpha, tg⁡3α\operatorname{tg} 3\alpha i ctg⁡3α\operatorname{ctg} 3\alpha nisu zasebno memorisane, nego se svaki put izvode kombinacijom adicione formule i formula za dvostruki ugao.

Zadatak. Dokazati: cos⁡3α=4cos⁡3α−3cos⁡α\cos 3\alpha = 4\cos^3\alpha - 3\cos\alpha.

Pišemo cos⁡3α=cos⁡(2α+α)\cos 3\alpha = \cos(2\alpha + \alpha) i primenjujemo adicionu formulu:

cos⁡2αcos⁡α−sin⁡2αsin⁡α=(cos⁡2α−sin⁡2α)cos⁡α−2sin⁡αcos⁡α⋅sin⁡α\cos 2\alpha\cos\alpha - \sin 2\alpha\sin\alpha = (\cos^2\alpha - \sin^2\alpha)\cos\alpha - 2\sin\alpha\cos\alpha\cdot\sin\alpha

=cos⁡3α−sin⁡2αcos⁡α−2sin⁡2αcos⁡α=cos⁡3α−3sin⁡2αcos⁡α= \cos^3\alpha - \sin^2\alpha\cos\alpha - 2\sin^2\alpha\cos\alpha = \cos^3\alpha - 3\sin^2\alpha\cos\alpha

Zamenjujemo sin⁡2α=1−cos⁡2α\sin^2\alpha = 1 - \cos^2\alpha:

=cos⁡3α−3(1−cos⁡2α)cos⁡α=4cos⁡3α−3cos⁡α✓= \cos^3\alpha - 3(1 - \cos^2\alpha)\cos\alpha = 4\cos^3\alpha - 3\cos\alpha \checkmark

Zadatak. Dokazati: tg⁡3α=3tg⁡α−tg⁡3α1−3tg⁡2α\operatorname{tg} 3\alpha = \dfrac{3\operatorname{tg}\alpha - \operatorname{tg}^3\alpha}{1 - 3\operatorname{tg}^2\alpha}.

Pišemo tg⁡3α=tg⁡(2α+α)\operatorname{tg} 3\alpha = \operatorname{tg}(2\alpha + \alpha) i primenjujemo adicionu formulu za tangens:

tg⁡2α+tg⁡α1−tg⁡2α⋅tg⁡α\frac{\operatorname{tg} 2\alpha + \operatorname{tg}\alpha}{1 - \operatorname{tg} 2\alpha\cdot\operatorname{tg}\alpha}

Uvrštavamo tg⁡2α=2tg⁡α1−tg⁡2α\operatorname{tg} 2\alpha = \dfrac{2\operatorname{tg}\alpha}{1 - \operatorname{tg}^2\alpha} i svodimo na zajednički imenilac (1−tg⁡2α)(1 - \operatorname{tg}^2\alpha):

=2tg⁡α+tg⁡α(1−tg⁡2α)1−tg⁡2α1−tg⁡2α−2tg⁡2α1−tg⁡2α=3tg⁡α−tg⁡3α1−3tg⁡2α✓= \frac{\dfrac{2\operatorname{tg}\alpha + \operatorname{tg}\alpha(1 - \operatorname{tg}^2\alpha)}{1 - \operatorname{tg}^2\alpha}}{\dfrac{1 - \operatorname{tg}^2\alpha - 2\operatorname{tg}^2\alpha}{1 - \operatorname{tg}^2\alpha}} = \frac{3\operatorname{tg}\alpha - \operatorname{tg}^3\alpha}{1 - 3\operatorname{tg}^2\alpha} \checkmark

Zadaci za vežbanje

10 ukupno

Dokazati trigonometrijski identitet: cos⁡3α=4cos⁡3α−3cos⁡α. \cos 3\alpha = 4 \cos^3 \alpha - 3 \cos \alpha .

Uvodni

Dokazati identitet: sin⁡3α=3sin⁡α−sin⁡3α4. \sin^3 \alpha = \frac{3 \sin \alpha - \sin 3\alpha}{4} .

Uvodni

Izračunati sin⁡2α, \sin 2\alpha , cos⁡2α \cos 2\alpha i tg2α, \text{tg} 2\alpha , ako je: sin⁡α=35 \sin \alpha = \frac{3}{5} i α∈(π2,π). \alpha \in \left( \frac{\pi}{2}, \pi \right) .

Uvodni

Dokazati trigonometrijski identitet: sin⁡2α=2tgα1+tg2α. \sin 2\alpha = \frac{2 \text{tg} \alpha}{1 + \text{tg}^2 \alpha} .

Uvodni

Dokazati identitet: ctg3α=ctg3α−3ctgα3ctg2α−1, \text{ctg} 3\alpha = \frac{\text{ctg}^3 \alpha - 3 \text{ctg} \alpha}{3 \text{ctg}^2 \alpha - 1} , za α≠πk3, \alpha \neq \frac{\pi k}{3} , k∈Z. k \in \mathbf{Z} .

Uvodni

Izračunati sin⁡2α, \sin 2\alpha , cos⁡2α \cos 2\alpha i tg2α, \text{tg} 2\alpha , ako je: sin⁡α=0,6 \sin \alpha = 0,6 i α∈(0,π2). \alpha \in \left( 0, \frac{\pi}{2} \right) .

Uvodni

Dokazati identitet: tg 3α=3tg α−tg3α1−3tg2α, \text{tg } 3\alpha = \frac{3 \text{tg } \alpha - \text{tg}^3 \alpha}{1 - 3 \text{tg}^2 \alpha} , uz uslov α≠πk3+π6, \alpha \neq \frac{\pi k}{3} + \frac{\pi}{6} , k∈Z. k \in \mathbf{Z} .

Uvodni

Pokazati da je: cos⁡3α=cos⁡3α+3cos⁡α4. \cos^3 \alpha = \frac{\cos 3\alpha + 3 \cos \alpha}{4} .

Uvodni

Izračunati sin⁡2α, \sin 2\alpha , cos⁡2α \cos 2\alpha i tg2α, \text{tg} 2\alpha , ako je: cos⁡α=−513 \cos \alpha = -\frac{5}{13} i sin⁡α>0. \sin \alpha > 0 .

Uvodni

Dokazati trigonometrijski identitet: sin⁡2α=1−cos⁡2α2. \sin^2 \alpha = \frac{1 - \cos 2\alpha}{2} .

sin⁡2α=1−cos⁡2α2\sin^2 \alpha = \frac{1 - \cos 2\alpha}{2}
Uvodni