Trygonometria – wzory potrzebne na maturze

Trygonometria pojawia się na maturze zarówno w zadaniach z geometrii płaskiej (głównie trójkąty prostokątne), jak i w zadaniach z funkcji trygonometrycznych (sinus, cosinus, tangens) oraz w zadaniach z układami równań czy wyrażeniami algebraicznymi. Poniżej znajdziesz uporządkowane i wyjaśnione wzory trygonometryczne potrzebne na maturze, wraz z przykładami i prostymi narzędziami do ćwiczeń.

1. Funkcje trygonometryczne w trójkącie prostokątnym

Podstawowym miejscem, gdzie poznajesz trygonometrię, jest trójkąt prostokątny. Załóżmy, że mamy trójkąt prostokątny z kątem ostrym \(\alpha\). Oznaczmy:

  • \(c\) – długość przeciwprostokątnej,
  • \(a\) – przyprostokątna przeciwległa do kąta \(\alpha\),
  • \(b\) – przyprostokątna przyległa do kąta \(\alpha\).

Wtedy definicje funkcji trygonometrycznych są następujące:

\[
\sin \alpha = \frac{\text{przyprostokątna przeciwległa}}{\text{przeciwprostokątna}} = \frac{a}{c}
\]

\[
\cos \alpha = \frac{\text{przyprostokątna przyległa}}{\text{przeciwprostokątna}} = \frac{b}{c}
\]

\[
\tan \alpha = \frac{\text{przyprostokątna przeciwległa}}{\text{przyprostokątna przyległa}} = \frac{a}{b}
\]

\[
\cot \alpha = \frac{\text{przyprostokątna przyległa}}{\text{przyprostokątna przeciwległa}} = \frac{b}{a}
\]

Na maturze najczęściej wykorzystujesz \(\sin\), \(\cos\) i \(\tan\). \(\cot\) (cotangens) pojawia się rzadziej, ale warto znać relacje między tymi funkcjami.

Przykład 1 – obliczanie długości boku z definicji sinusa

W trójkącie prostokątnym jeden z kątów ostrych ma miarę \(\alpha = 30^\circ\), a przeciwprostokątna ma długość \(c = 10\). Oblicz przyprostokątną przeciwległą do kąta \(\alpha\).

  1. Z definicji: \(\sin 30^\circ = \dfrac{a}{c}\).
  2. Wzór: \(\sin 30^\circ = \dfrac{1}{2}\).
  3. Podstawiamy: \(\dfrac{1}{2} = \dfrac{a}{10}\).
  4. Mnożymy stronami: \(a = 10 \cdot \dfrac{1}{2} = 5\).

Odpowiedź: przyprostokątna przeciwległa ma długość \(5\).

2. Związek między funkcjami – podstawowe tożsamości

2.1. Z twierdzenia Pitagorasa do wzoru \(\sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1\)

W trójkącie prostokątnym z przeciwprostokątną \(c\) i przyprostokątnymi \(a\), \(b\) mamy:

\[
a^2 + b^2 = c^2
\]

Dzielimy obustronnie przez \(c^2\):

\[
\left(\frac{a}{c}\right)^2 + \left(\frac{b}{c}\right)^2 = 1
\]

ale \(\dfrac{a}{c} = \sin\alpha\), \(\dfrac{b}{c} = \cos\alpha\), więc:

\[
\sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1
\]

To jest jeden z najważniejszych wzorów trygonometrycznych na maturze. Często służy do uproszczeń i podstawień.

2.2. Tangens i cotangens przez sinus i cosinus

Z definicji w trójkącie prostokątnym:

\[
\tan \alpha = \frac{a}{b}, \quad \cos \alpha = \frac{b}{c}, \quad \sin \alpha = \frac{a}{c}
\]

Stąd:

\[
\tan \alpha = \frac{a}{b} = \frac{a/c}{b/c} = \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}
\]

\[
\cot \alpha = \frac{b}{a} = \frac{b/c}{a/c} = \frac{\cos\alpha}{\sin\alpha}
\]

Na maturze często używa się zapisu:

\[
\tan\alpha = \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}, \qquad \cot\alpha = \frac{\cos\alpha}{\sin\alpha}
\]

2.3. Wzory przekształcające z użyciem \(\tan\alpha\)

Z tożsamości \(\sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1\) i \(\tan\alpha = \dfrac{\sin\alpha}{\cos\alpha}\) można uzyskać inne ważne związki:

\[
1 + \tan^2\alpha = \frac{1}{\cos^2\alpha}
\]

\[
1 + \cot^2\alpha = \frac{1}{\sin^2\alpha}
\]

Te wzory są przydatne raczej w zadaniach bardziej rachunkowych, ale dobrze jest je rozumieć. Na poziomie podstawowym częściej będzie wykorzystywany pierwszy wzór pitagorejski na sinus i cosinus.

3. Wartości funkcji trygonometrycznych dla kątów szczególnych

Na maturze bardzo często pojawiają się kąty: \(0^\circ\), \(30^\circ\), \(45^\circ\), \(60^\circ\), \(90^\circ\). Warto znać ich wartości “z głowy”, bo mocno przyspiesza to rozwiązania.

Kąt \(\sin\alpha\) \(\cos\alpha\) \(\tan\alpha\)
\(0^\circ\) \(0\) \(1\) \(0\)
\(30^\circ\) \(\dfrac{1}{2}\) \(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\) \(\dfrac{1}{\sqrt{3}} = \dfrac{\sqrt{3}}{3}\)
\(45^\circ\) \(\dfrac{\sqrt{2}}{2}\) \(\dfrac{\sqrt{2}}{2}\) \(1\)
\(60^\circ\) \(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\) \(\dfrac{1}{2}\) \(\sqrt{3}\)
\(90^\circ\) \(1\) \(0\) niezdefiniowana

W zadaniach często wystarczy podstawić te wartości i wykonać proste działania algebraiczne.

Przykład 2 – obliczanie wartości wyrażenia

Oblicz wartość wyrażenia:

\[
W = \sin 30^\circ + 2 \cos 60^\circ – \tan 45^\circ
\]

Podstawiamy z tabeli:

  • \(\sin 30^\circ = \dfrac{1}{2}\),
  • \(\cos 60^\circ = \dfrac{1}{2}\),
  • \(\tan 45^\circ = 1\).

\[
W = \frac{1}{2} + 2\cdot\frac{1}{2} – 1 = \frac{1}{2} + 1 – 1 = \frac{1}{2}
\]

Odpowiedź: \(W = \dfrac{1}{2}\).

4. Kąty w układzie współrzędnych – rozszerzenie definicji

Do tej pory rozpatrywaliśmy tylko kąty ostre w trójkącie prostokątnym. W gimnazjum/liceum rozszerza się definicję funkcji trygonometrycznych na wszystkie kąty (np. od \(0^\circ\) do \(360^\circ\) i więcej) za pomocą okręgu jednostkowego.

Wyobraź sobie okrąg o promieniu 1 w układzie współrzędnych, ze środkiem w punkcie \((0,0)\). Bierzemy kąt \(\alpha\) od osi \(Ox\) i patrzymy na punkt, w którym ramie końcowe kąta przecina okrąg. Niech ten punkt ma współrzędne \((x,y)\). Wtedy:

  • \(\cos\alpha = x\),
  • \(\sin\alpha = y\),
  • \(\tan\alpha = \dfrac{y}{x}\), o ile \(x \neq 0\).

Pojawiają się wtedy znaki funkcji trygonometrycznych w różnych ćwiartkach:

Ćwiartka układu Zakres kątów Znaki funkcji
I \(0^\circ < \alpha < 90^\circ\) \(\sin\alpha > 0\), \(\cos\alpha > 0\), \(\tan\alpha > 0\)
II \(90^\circ < \alpha < 180^\circ\) \(\sin\alpha > 0\), \(\cos\alpha < 0\), \(\tan\alpha < 0\)
III \(180^\circ < \alpha < 270^\circ\) \(\sin\alpha < 0\), \(\cos\alpha < 0\), \(\tan\alpha > 0\)
IV \(270^\circ < \alpha < 360^\circ\) \(\sin\alpha < 0\), \(\cos\alpha > 0\), \(\tan\alpha < 0\)

Ta informacja jest bardzo ważna przy zadaniach typu: “Dana jest wartość \(\sin\alpha\) oraz informacja, w której ćwiartce leży kąt \(\alpha\). Oblicz \(\cos\alpha\), \(\tan\alpha\)”.

Przykład 3 – obliczanie innych funkcji z jednej wartości

Wiadomo, że \(\sin\alpha = \dfrac{3}{5}\) oraz \(\alpha\) jest kątem ostrym. Oblicz \(\cos\alpha\) i \(\tan\alpha\).

  1. Skoro \(\alpha\) jest ostry, to \(\sin\alpha > 0\), \(\cos\alpha > 0\), \(\tan\alpha > 0\).
  2. Korzystamy z: \(\sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1\).
  3. \(\left(\dfrac{3}{5}\right)^2 + \cos^2\alpha = 1\)
  4. \(\dfrac{9}{25} + \cos^2\alpha = 1 \Rightarrow \cos^2\alpha = 1 – \dfrac{9}{25} = \dfrac{16}{25}\).
  5. \(\cos\alpha = \dfrac{4}{5}\) (bierzemy znak dodatni, bo kąt ostry).
  6. \(\tan\alpha = \dfrac{\sin\alpha}{\cos\alpha} = \dfrac{3/5}{4/5} = \dfrac{3}{4}\).

Odpowiedź: \(\cos\alpha = \dfrac{4}{5}\), \(\tan\alpha = \dfrac{3}{4}\).

5. Wzory na kąty dopełniające i przyległe

Bardzo często na maturze wykorzystuje się proste zależności między funkcjami trygonometrycznymi różnych kątów. Najważniejsze to:

5.1. Kąty dopełniające do \(90^\circ\)

Dwa kąty są dopełniające, jeśli ich suma wynosi \(90^\circ\). Dla takich kątów zachodzi:

\[
\sin(90^\circ – \alpha) = \cos\alpha
\]

\[
\cos(90^\circ – \alpha) = \sin\alpha
\]

\[
\tan(90^\circ – \alpha) = \cot\alpha
\]

\[
\cot(90^\circ – \alpha) = \tan\alpha
\]

Przykład prostego zastosowania:

\[
\sin 30^\circ = \cos 60^\circ, \quad \sin 20^\circ = \cos 70^\circ
\]

5.2. Kąty przyległe – różnica do \(180^\circ\)

Kąty przyległe sumują się do \(180^\circ\). Przy przekształceniach często korzysta się z:

\[
\sin(180^\circ – \alpha) = \sin\alpha
\]

\[
\cos(180^\circ – \alpha) = -\cos\alpha
\]

Na poziomie podstawowym są to już wzory bardziej “dodatkowe”, ale pojawiają się w zadaniach, gdy kąty są większe niż \(90^\circ\).

6. Wzory redukcyjne – kąty o tej samej wartości bezwzględnej

W praktyce wystarczy, że będziesz pamiętać sens następujących zależności (dla kątów w stopniach):

  • \(\sin(-\alpha) = -\sin\alpha\)
  • \(\cos(-\alpha) = \cos\alpha\)
  • \(\tan(-\alpha) = -\tan\alpha\)

oraz:

  • \(\sin(180^\circ + \alpha) = -\sin\alpha\)
  • \(\cos(180^\circ + \alpha) = -\cos\alpha\)

Możesz się tym posłużyć, jeśli w zadaniu pojawi się np. \(\sin 210^\circ\) – wtedy zauważasz, że:

\[
\sin 210^\circ = \sin(180^\circ + 30^\circ) = -\sin 30^\circ = -\frac{1}{2}
\]

7. Wzory na sumę i różnicę kątów (bardziej rozszerzone, ale przydatne)

Na podstawowym poziomie rzadziej, ale jednak pojawiają się zadania, gdzie warto znać wzory na sinus i cosinus sumy kątów. Przydają się też, gdy trzeba udowodnić jakąś tożsamość trygonometryczną.

\[
\sin(\alpha+\beta) = \sin\alpha\cos\beta + \cos\alpha\sin\beta
\]

\[
\sin(\alpha-\beta) = \sin\alpha\cos\beta – \cos\alpha\sin\beta
\]

\[
\cos(\alpha+\beta) = \cos\alpha\cos\beta – \sin\alpha\sin\beta
\]

\[
\cos(\alpha-\beta) = \cos\alpha\cos\beta + \sin\alpha\sin\beta
\]

Jeśli działasz na poziomie podstawowym i widzisz te wzory na karcie wzorów, spróbuj je rozpoznawać w zadaniach: często chodzi o to, żeby wyrażenie typu \(\sin\alpha\cos\beta + \cos\alpha\sin\beta\) zamienić na \(\sin(\alpha+\beta)\).

Przykład 4 – rozpoznanie wzoru na sinus sumy

Uprość wyrażenie:

\[
W = \sin 30^\circ \cos 60^\circ + \cos 30^\circ \sin 60^\circ
\]

Widzimy, że ma ono postać: \(\sin\alpha\cos\beta + \cos\alpha\sin\beta\), więc:

\[
W = \sin(30^\circ + 60^\circ) = \sin 90^\circ = 1
\]

Odpowiedź: \(W = 1\).

8. Trygonometria w geometrii płaskiej – najczęstsze typy zadań

8.1. Obliczanie brakującego boku

Typowe zadanie: w trójkącie prostokątnym znamy jeden bok i jeden kąt ostry – mamy obliczyć inny bok. Wtedy:

  • Jeśli znasz przeciwprostokątną i kąt – użyj \(\sin\) lub \(\cos\).
  • Jeśli znasz jedną przyprostokątną i kąt – możesz użyć \(\tan\) lub \(\cot\).

8.2. Obliczanie miary kąta

Np. znane są długości przyprostokątnych, trzeba obliczyć miarę kąta. Wtedy używasz przeciwnej funkcji (odwrotnej liczbowo):

  • Jeśli masz \(\dfrac{\text{przeciwległa}}{\text{przeciwprostokątna}}\) – używasz \(\sin\) i na kalkulatorze szukasz \(\arcsin\) (czyli \(\sin^{-1}\)).
  • Jeśli masz \(\dfrac{\text{przyległa}}{\text{przeciwprostokątna}}\) – używasz \(\cos\) i na kalkulatorze szukasz \(\arccos\).
  • Jeśli masz \(\dfrac{\text{przeciwległa}}{\text{przyległa}}\) – używasz \(\tan\) i \(\arctan\).

8.3. Trygonometria w zadaniach tekstowych

Przykłady typowych tekstowych zadań maturalnych:

  • wysokość drzewa na podstawie cienia i kąta padania promieni słonecznych,
  • wysokość budynku, gdy znamy odległość od obserwatora i kąt wzniesienia,
  • odległość między dwoma punktami w terenie na podstawie kątów obserwacji itp.

W każdym takim zadaniu sprowadzasz sytuację do trójkąta prostokątnego, oznaczasz boki i kąty, a następnie wybierasz odpowiednią funkcję trygonometryczną.

9. Prosty kalkulator trygonometryczny (stopnie)

Poniżej prosty kalkulator, który przelicza wartości \(\sin\), \(\cos\) i \(\tan\) dla podanego kąta w stopniach. Pamiętaj, że w JavaScript funkcje trygonometryczne działają na radianach, więc w tle przeliczamy stopnie na radiany.



10. Prosty wykres funkcji sinus i cosinus

Aby lepiej zrozumieć, jak zachowują się funkcje trygonometryczne, warto spojrzeć na ich wykresy. Poniżej znajduje się prosty, responsywny wykres \(\sin x\) i \(\cos x\) w przedziale od \(0^\circ\) do \(360^\circ\). Oś pozioma przedstawia kąt w stopniach, a oś pionowa – wartość funkcji.