39.5 สูตรผลบวกและผลต่างของมุม
มุม 75∘ ไม่อยู่ในตารางมุมพิเศษ เครื่องคิดเลขบอกว่า sin75∘ ประมาณ 0.9659 แต่ตัวเลขนี้เป็นค่าประมาณ ถ้าต้องการค่าแม่นตรงแบบ 23 ต้องหาทางอื่น สังเกตว่า 75∘=45∘+30∘ ซึ่งเป็นมุมพิเศษทั้งคู่ คำถามจึงกลายเป็นว่า ถ้ารู้ไซน์และโคไซน์ของสองมุม จะหาไซน์ของผลบวกได้อย่างไร
ความคิดแรกของหลายคนคือ sin75∘=sin45∘+sin30∘ แต่ 22+21 ประมาณ 1.21 ซึ่งมากกว่า 1 เป็นไซน์ของมุมใดไม่ได้เลย หน้านี้จะสร้างสูตรที่ถูกต้องจากวงกลมหนึ่งหน่วย แล้วใช้สูตรนั้นหาค่าแม่นตรงของมุมอย่าง 75∘ และ 15∘
ที่มาของสูตรโคไซน์ของผลต่าง
วาดมุม A และมุม B บนวงกลมหนึ่งหน่วย จุดปลายคือ P=(cosA,sinA) และ Q=(cosB,sinB) มุมระหว่างรัศมีสองเส้นนี้คือ A−B ลองหาระยะ PQ สองวิธี
วิธีแรก ใช้สูตรระยะทางระหว่างจุดจากบทที่ 38 ตรงๆ
PQ2=(cosA−cosB)2+(sinA−sinB)2
กระจายแล้วจัดกลุ่ม cos2A+sin2A=1 และ cos2B+sin2B=1 จะเหลือ
PQ2=2−2(cosAcosB+sinAsinB)
วิธีที่สอง หมุนรูปทั้งรูปจนจุด Q ไปอยู่ที่ (1,0) การหมุนไม่เปลี่ยนระยะ จุด P ที่ห่างจาก Q เป็นมุม A−B จึงย้ายไปอยู่ที่ (cos(A−B),sin(A−B)) ระยะเดิมจึงเท่ากับ
PQ2=(cos(A−B)−1)2+sin2(A−B)=2−2cos(A−B)
ระยะเดียวกันวัดได้สองแบบ นำมาเท่ากันแล้วตัด 2 กับ −2 ออก ได้สูตรแรกของหน้านี้
สูตรโคไซน์ของผลต่าง
cos(A−B)=cosAcosB+sinAsinB
สูตรที่เหลือทั้งหมดมาจากสูตรนี้ แทน B ด้วย −B และใช้ cos(−B)=cosB กับ sin(−B)=−sinB จะได้สูตรของผลบวก ส่วนสูตรของไซน์มาจากการแทน A=2π ก่อน ได้ cos(2π−B)=0⋅cosB+1⋅sinB=sinB แปลว่าไซน์ของมุมหนึ่งคือโคไซน์ของมุมที่รวมกับมันได้มุมฉาก แล้วใช้ความจริงนี้แปลง sin(A+B)=cos((2π−A)−B) จะได้สูตรไซน์ตามมา
สูตรมุมรวม
sin(A±B)=sinAcosB±cosAsinB
cos(A±B)=cosAcosB∓sinAsinB
tan(A±B)=1∓tanAtanBtanA±tanB
วิธีจำเครื่องหมาย สูตรไซน์ใช้เครื่องหมายเดียวกับในวงเล็บ และไขว้ไซน์กับโคไซน์ สูตรโคไซน์เครื่องหมายกลับกัน และจับโคไซน์คู่โคไซน์ ไซน์คู่ไซน์ สูตรแทนเจนต์ใช้ได้เมื่อทุกพจน์นิยามและตัวส่วนไม่เป็นศูนย์
ลองคิดก่อน
เพื่อนจำสูตรเป็น sin(A+B)=sinA+sinB เพราะคิดว่าไซน์กระจายเข้าวงเล็บได้เหมือนการคูณ ลองหาตัวอย่างที่แสดงว่าผิด
ดูคำตอบ
ลอง A=B=2π ข้างซ้ายเป็น sinπ=0 แต่ข้างขวาเป็น 1+1=2 ไซน์เป็นฟังก์ชัน ไม่ใช่ตัวเลขที่คูณเข้าวงเล็บได้ เหมือนกับที่ 9+16 ไม่เท่ากับ 9+16 สูตรที่ถูกต้องมีผลคูณไขว้ sinAcosB+cosAsinB ซึ่งให้ 1⋅0+0⋅1=0 ตรงกับข้างซ้าย
หาค่าแม่นตรงของมุมที่ไม่อยู่ในตาราง
ตัวอย่าง 1
หา sin75∘ แบบค่าแม่นตรง
- แยก 75∘=45∘+30∘ เพราะรู้ค่าของทั้งสองมุม แล้วใช้สูตรไซน์ของผลบวก sin45∘cos30∘+cos45∘sin30∘
- แทนค่า 22⋅23+22⋅21=46+42
- จึงได้ sin75∘=46+2 ตรวจด้วยเครื่องคิดเลข 42.449+1.414 ประมาณ 0.9659 ตรงกับค่าต้นหน้า
ตัวอย่าง 2
หา cos15∘ และ tan15∘ แบบค่าแม่นตรง
- 15∘=45∘−30∘ ใช้สูตรโคไซน์ของผลต่าง เครื่องหมายกลายเป็นบวก cos45∘cos30∘+sin45∘sin30∘=46+42=46+2
- ผลนี้เท่ากับ sin75∘ พอดี ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ เพราะ 15∘+75∘=90∘ และไซน์ของมุมหนึ่งคือโคไซน์ของมุมที่รวมกันได้มุมฉาก
- สำหรับแทนเจนต์ใช้สูตรผลต่าง tan15∘=1+tan45∘tan30∘tan45∘−tan30∘=1+311−31
- คูณทั้งเศษและส่วนด้วย 3 ได้ 3+13−1 แล้วคูณด้วย 3−1 ทั้งเศษและส่วนเพื่อกำจัดรากที่ตัวส่วน ได้ 3−1(3−1)2=24−23=2−3
สูตรมุมรวมไม่ได้ใช้แค่กับมุมพิเศษ ถ้าโจทย์ให้ค่าของมุมมาเป็นอัตราส่วน ก็ใช้วิธีจากหน้า 39.2 หาฟังก์ชันที่เหลือก่อน แล้วแทนในสูตร
ตัวอย่าง 3
ให้ sinA=53 และ cosB=135 โดย A และ B อยู่จตุภาคที่ 1 ทั้งคู่ หา sin(A+B) และ cos(A+B)
- สูตรต้องใช้ทั้ง cosA และ sinB จึงหาก่อน cosA=1−259=54 และ sinB=1−16925=1312 ทั้งสองเลือกรากบวกเพราะอยู่จตุภาคที่ 1
- sin(A+B)=53⋅135+54⋅1312=6515+48=6563
- cos(A+B)=54⋅135−53⋅1312=6520−36=−6516
- โคไซน์ติดลบแปลว่า A+B เกินมุมฉาก อยู่จตุภาคที่ 2 ทั้งที่ A และ B เป็นมุมแหลม ตรวจ (6563)2+(6516)2=42253969+256=1 ตรงกับเอกลักษณ์
สูตรมุมสองเท่า
ถ้าให้ B=A ในสูตรผลบวก จะได้สูตรของมุมสองเท่าทันที ไม่ต้องจำแยก
sin2A=2sinAcosA
cos2A=cos2A−sin2A
tan2A=1−tan2A2tanA
สูตรโคไซน์มีอีกสองรูปที่ได้จากการแทน cos2A=1−sin2A หรือ sin2A=1−cos2A คือ cos2A=1−2sin2A และ cos2A=2cos2A−1 เลือกใช้รูปที่มีฟังก์ชันที่โจทย์ให้มา
ตัวอย่าง 4
ให้ sinu=53 และ u อยู่จตุภาคที่ 1 หา sin2u และ cos2u
- สูตร sin2u ต้องใช้ cosu จตุภาคที่ 1 โคไซน์บวก จึงได้ cosu=54
- sin2u=2sinucosu=2⋅53⋅54=2524
- สำหรับ cos2u เลือกรูป 1−2sin2u เพราะโจทย์ให้ไซน์มา 1−2⋅259=1−2518=257
- ตรวจ (2524)2+(257)2=625576+49=1
จตุภาคของ u ไม่จำเป็นต้องตรงกับจตุภาคของ 2u ในตัวอย่างนี้ u ประมาณ 37∘ มุม 2u ประมาณ 74∘ ยังอยู่จตุภาคที่ 1 แต่ถ้า u เป็น 60∘ มุม 2u จะเป็น 120∘ ข้ามไปจตุภาคที่ 2 จึงอย่าเติมเครื่องหมายของมุมสองเท่าจากมุมเดิม ให้คำนวณจากสูตร แล้วเครื่องหมายจะออกมาเอง
ตัวอย่าง 5
ใช้สูตรมุมสองเท่าหา sin15∘ แล้วเทียบกับผลจากสูตรผลต่าง
- ใช้ cos2A=1−2sin2A กับ A=15∘ ได้ cos30∘=1−2sin215∘ จึงได้ sin215∘=21−23=42−3
- 15∘ อยู่จตุภาคที่ 1 ไซน์บวก ถอดรากเลือกค่าบวก sin15∘=22−3
- จากสูตรผลต่าง sin15∘=sin(45∘−30∘)=46−2 หน้าตาต่างกัน ลองยกกำลังสองค่านี้ได้ 166+2−212=168−43=42−3 เท่ากับขั้นที่ 1 ทั้งสองค่าเป็นบวก จึงเป็นจำนวนเดียวกันที่เขียนต่างรูป
ลองคิดก่อน
sin2A=2sinA ใช่ไหม เพราะมุมเพิ่มเป็นสองเท่า ไซน์ก็น่าจะเพิ่มเป็นสองเท่า
ดูคำตอบ
ไม่ใช่ ลอง A=60∘ ข้างซ้ายเป็น sin120∘=23 แต่ข้างขวาเป็น 2⋅23=3 ซึ่งเกิน 1 ไปแล้ว ไซน์คือความสูงบนวงกลม ไม่ได้โตตามมุมเป็นสัดส่วน สูตรที่ถูกคือ 2sinAcosA ตัวคูณ cosA ที่ไม่เกิน 1 ทำให้ผลไม่เคยเกิน 1
ทั้งหน้านี้เราเริ่มจากมุมแล้วหาค่า หน้าถัดไปจะถามกลับ ถ้ารู้ค่าไซน์ว่าเป็น 53 มุมคือเท่าไร คำถามนี้นำไปสู่ฟังก์ชันตรีโกณมิติผกผัน
สรุป
- cos(A−B)=cosAcosB+sinAsinB มาจากการวัดระยะระหว่างสองจุดบนวงกลมหนึ่งหน่วยสองวิธี
- สูตรไซน์ใช้เครื่องหมายเดียวกับในวงเล็บ สูตรโคไซน์เครื่องหมายกลับกัน
- แยกมุมเป็นผลบวกหรือผลต่างของมุมพิเศษเพื่อหาค่าแม่นตรง
- สูตรมุมสองเท่ามาจากการให้สองมุมเท่ากัน cos2A มีสามรูปให้เลือกตามข้อมูลที่มี
- ไซน์ไม่กระจายเข้าวงเล็บ และไม่โตเป็นสัดส่วนกับมุม