РефератыМатематикаИзИзучение и анализ различных способов определение тригонометрических функций

Изучение и анализ различных способов определение тригонометрических функций

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ


РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ


ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ


ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ


Институт математики и компьютерных наук


Кафедра математики и информатики


Курсовая работа


«Изучение и анализ различных способов определение тригонометрических функций»


Выполнил:


студентка 362 группы


Латфуллина Р.А.


Научный руководитель:


к.ф.-м.н., доцент


Шармина Т.Н.


Тюмень - 2010


Содержание


Введение. 3


Глава1. Функции , как решения некоторых задач Коши. 5


Глава2. Аналитическая теория тригонометрических функций. 16


Список литературы.. 22


Введение

Данная курсовая работа посвящена изучению и анализу различных способов определения тригонометрических функций.


Тригонометрические функции являются важной составной частью содержания математического образования, как в средних, так и в высших учебных заведениях и часто встречаются в различных приложениях математики. С их помощью могут быть построены и изучены математические модели процессов реального мира. Для школьных учителей полезно знать различные подходы к определению и изучению свойств тригонометрических функций. Имеется не так много математической литературы в которой теория элементарных функций излагается последовательно и подробно разными методами. В этом и заключается актуальность данной темы.


Объектом нашего исследования мы выбрали тригонометрические функции. Предметом же является способы их определения.


Целью курсовой работы является изучение и анализ различных способов определения тригонометрических функций.


Для достижения цели мы поставили следующие задачи: изучить математическую литературу, проанализировать способы определения тригонометрических функций и доказать свойства этих функций на основе соответствующего способа определения.


Курсовая работа состоит из введения, двух глав и списка литературы.


В главе 1 излагается способ построения теории функций , , основываясь на использовании теоремы существования и единственности решения соответствующей задачи Коши и простейших сведений из дифференциального и интегрального исчисления. Также в этой главе приведены доказательства основных свойств этих функций.


Глава 2 посвящена рассмотрению теории тригонометрических функций на базе степенных рядов и установлению эквивалентности нового и традиционного определения таких функций.


Также в работе проведены доказательства некоторых свойств тригонометрических функций.


Глава1. Функции , как решения некоторых задач Коши


Для линейного однородного дифференциального уравнения n-го порядка с постоянными коэффициентами теорема существования и единственности решения задачи Коши формулируется следующим образом.


Теорема1

.
Дифференциальное уравнение


,


где ; ; ; , имеет на единственное n-кратно дифференцируемое решение , удовлетворяющее условиям



(здесь - произвольно заданные фиксированные действительные числа).


Очевидно, что это решение обладает на непрерывными производными всех порядков.


В частности, когда , указанное в теореме 1 решение тривиально ( на ).


Рассмотрим следующие две задачи Коши:


, , ; (1)


, , , (2)


где ; ; . Их решения обозначим соответственно через и . Согласно теореме 1, эти решения определены, непрерывны и бесконечно дифференцируемы на всей числовой прямой, причём , . Однако основные свойства функций , установим, исходя из определения их как решения задач (1) и(2).


1.

, ().


Действительно, так как и - решения уравнения , то , , откуда , . Это значит, что каждая из функций , также являются решением уравнения . При этом решения и удовлетворяют одним и тем же начальным условиям: , . Следовательно, по теореме существования и единственности на , т.е. для .


Аналогично убеждаемся и в справедливости соотношения


().


2.

Функция нечётная, а чётная.


Доказательство: Прежде всего, области определения этих функций (совпадающие с ) симметричны относительно точки . Покажем теперь, что и при любом .


Вводя в рассмотрение функции и (тогда , ) и учитывая свойство 1, будем иметь:


,


, ;


,


.


Таким образом, функции и являются решением одной и той же задачи Коши , , . Поэтому (согласно теореме 1) на , т.е. для любого .


Подобным же образом убеждаемся, что функция является решением задачи Коши , , , следовательно, на .


3.

Имеет место тождество .


Доказательство. Полагая и используя свойство 1, находим


(),


Вследствие чего на . А так как , то на , т.е. на .


Замечание.
Из свойства 3 следует, что функции и ограничены
, причём , для любого .


4.

Справедливы следующие соотношения (теоремы сложения для функций
и
):


() (3) Доказательство. Введём в рассмотрение функции



Считая (без ограничения общности) постоянной, а переменной. Эти функции являются решениями уравнения , удовлетворяющими нулевым условиям. Действительно, так как , :



так что


(на ),



Аналогично


(на ), , .


Следовательно, согласно теореме 1, и на . Из этих тождеств непосредственно следуют требуемые соотношения.


Замечание.
Пологая в формулах (3) , получаем следующие формулы удвоения
:


, ().


Отсюда с учётом свойства 3 получаем:


, ().


Изучим теперь вопрос о нулях функций , , т.е. о корнях уравнений , . Для краткости в дальнейшем нуль функции, принадлежащий , будем называть её положительным нулём
.


Так как , то число является одним из нулей функции .


Лемма1

. Хотя бы одна из функций
, обладает по крайней мере одним положительным нулём.


Доказательство

.

Предположим (от противного), что уравнения , положительных решений не имеют. Тогда на функции и знакопостоянны. Действительно, если бы функция или в некоторых точках принимала значения противоположных знаков, то по теореме Больцано-Коши нашлась бы точка, заключённая между и , в которой эта функция обращалась бы в нуль вопреки допущению.


Учитывая, далее, что , заключаем, вследствие непрерывности , что положительна в некоторой окрестности точки , и, следовательно, на .


Функция возрастает на , так как на , а поскольку , то на . С учётом свойства 3 и положительности функций , на имеем



т.е. для любого . Очевидно, сто последнее неравенство верно и при . Интегрируя почленно это неравенство по промежутку , где - любое положительное число, большее двух, получаем



т.е. вопреки выбору числа . Полученное противоречие и доказывает лемму.


Лемма2

.

Функция имеет хотя бы один положительный нуль.


Доказательство.

Допустив противоречие, получим, что согласно лемме1, функция обладает хотя бы одним положительным нулём , а тогда (по формуле удвоения для функции ) будем иметь


,


т.е. - положительный нуль функции , но это противоречит допущению.


Замечание

.

Если , то и для любого .


Доказательство. Для , -это известно.


Пусть для утверждение верно, т.е. . Докажем справедливость утверждения для .


Используя свойство 4, вычислим :



т.к. и .


5.

Существует наименьший положительный нуль
функции .


Доказательство. Обозначим через множество положительных нулей функции . Это множество бесконечно (на основании леммы 2 и замечания к ней) и ограничено снизу (например, числом 0). Пусть . Очевидно, что . Предположим теперь, что функция не обладает наименьшим положительным нулём. С учётом этого предположения и определения точной нижней грани множества получаем, что - предельная точка множества . Теперь легко убедиться, что является одним из нулей функции . Действительно,



(здесь мы воспользовались непрерывностью функции и теоремой о пределе функции (в нашем случае ) в точке по данному множеству , для которого является предельной точкой). Отсюда следует, что (пос

кольку в случае число было бы наименьшим положительным нулём функции вопреки сделанному выше предположению).


Но при имеем



т.е. . Поскольку полученное равенство ложно, то наше допущение об отсутствии наименьшего положительного нуля функции неверно, и тем самым требуемое свойство доказано.


Обозначим наименьший положительный нуль функции через . Выясним свойства функций и , прямо или косвенно связанные с числом ().


6.

Функция положительна на интервале и отрицательна на интервале .


7.

Функция убывает на и возрастает на .


8.

Числа вида и только эти числа являются нулями функции .


Доказательство. Согласно замечанию к лемме 2, (). Если же (), то . Для доказательства этого допустим противное, т.е. предположим, что существует число (), такое что . Без ограничения общности (учитывая нечётность функции ) можем считать, что . Пусть . Положим . Очевидно, что . Кроме того, на основании свойств 2 и 4 получим



т.е. функция имеет нуль в интервале вопреки определению числа .


9.

, ; , .


10.

Функция положительна на и отрицательна на .


Доказательство.


1) Докажем, что на .


, (по свойству 9). Найдём :


, т.к. , то , следовательно , т.е . Учитывая свойство 7 получим, что - наименьший положительный нуль функции .


Учитывая, что и свойство 7, получаем, что - наибольший отрицательный нуль функции .


Таким образом, но интервале функция не имеет нулей. По теореме Больцано-Коши функция будет знакопостоянной на этом интервале. Кроме того, функция положительна в некоторой правосторонней окрестности точки (в силу того, что (по свойству 9) ). Следовательно, на всём интервале , следовательно, и на .


2) Докажем, что на .


(по свойству 9). Найдём :


, т.к. , то , следовательно , т.е . Учитывая свойство 7 получим, что - наибольший отрицательный нуль функции .


Таким образом, но интервале функция не имеет нулей. По теореме Больцано-Коши функция будет знакопостоянной на этом интервале. Кроме того, функция отрицательна в некоторой правосторонней окрестности точки (в силу того, что , ). Следовательно, на всём интервале .


11.

.


Действительно, из равенства имеем , откуда, учитывая, что , получим .


12.

Функция возрастает на и убывает на .


Доказательство. Прежде всего, функция непрерывна на каждом из отрезков и и дифференцируема на .


Так как , то учитывая свойство 10, на и на .Требуемое утверждение теперь непосредственно следует из теоремы о достаточных условиях убывания (возрастания) функции на промежутке.


Замечание
. Из свойства 2 и 12 следует, что функция убывает на и возрастает на .


13.

Функции ,- периодические с периодом .


Доказательство. Применяя теоремы сложения и учитывая, что , , имеем при любом :


,


,


т.е. - период функций ,.


Докажем теперь, что ни одна из функций , не имеет положительного периода, меньше . Действительно, наличие такого периода у функции противоречит свойству 7, а если бы таким периодом обладала функция , то мы имели бы , т.е. , откуда . Поэтому , т.е. , что невозможно.


14.

Нулями функции являются числа вида и только эти числа.


Действительно, согласно тождеству , нулями функции все те и только те числа , для которых . Последнее же уравнение на отрезке (длина которого равна периоду функции ) имеет два решения: и (на основании свойств 2,9,12 и замечания к свойству 12). Для завершения доказательства остаётся воспользоваться свойством 13 и заметить, что полученные две серии решений


,


уравнения можно объединить в одну:


.


15.

Справедливы следующие тождества (формулы приведения
):



Доказательство. Убедимся, например, что .


Учитывая свойства 4, 2, замечание к лемме 2 и свойство 3, имеем


.


Аналогично убеждаемся в справедливости остальных тождеств.


16.

Наименьший положительный нуль функции равен .


Доказательство. Рассмотрим на координатной плоскости круг . Его площадь, как известно, равна . С другой стороны, эта площадь равна , где -площадь четверти данного круга, расположенной в первом квадранте. Так как


,


то



Вводя подстановку и учитывая, что при возрастании от до функция (т.е. ) возрастает от до , получаем



Итак, .


Глава2. Аналитическая теория тригонометрических функций


Функции действительной переменной, представимые в некотором интервале из степенными рядами, называются аналитическими
в этом интервале.


Тригонометрические функции являются аналитическими, т.е. могут быть представлены степенными рядам.


Рассмотрим степенные ряды


(1)


(2)


Эти ряды сходятся, и притом абсолютно, при любом действительном , в чём легко убедиться по признаку Д’Аламбера. Действительно, при любом


,


.


Следовательно, функции и как суммы соответствующих степенных рядов (1) и (2) определены и непрерывны на интервале . Более того, эти функции дифференцируемы на , причём




Функция чётная, а нечётная, так как , для любого .


Установим ещё некоторые свойства функций и .


Теорема1.

Для любого действительного


. (3)


Доказательство.

Имеем



Коэффициент при можно представить в виде


ибо - число сочетаний из элементов по


Аналогично



Коэффициент при можно представить в виде



ибо


При сложении и коэффициент при будет равен



Выражение в скобках равно нулю, в чём можно убедиться, полагая , в формуле бинома Ньютона



Таким образом, .


Следствие.

Функции и ограниченные, причём и


Теорема 2

.
(теорема сложения для функций и
). Для любых действительных и


(4)


(5)


Доказательство

.

Проверим формулу:



Имеем:





Рассмотрим общий член этого ряда, содержащий произведения вида: , где . Получим



ибо


Таким образом,


.


Используя чётность или нечётность функций и , проверим справедливость формулы:



Имеем



Аналогично проверяется справедливость формул



Теорема3.

Для любых действительных
и функция удовлетворяет уравнению


(6)


Доказательство.

По определению функцииимеем:




Вычислим - общий член ряда для суммы



Далее,




Вычислим - общий член ряда для произведения



ибо Получим, что при , а поскольку , то при любых действительных и имеет место равенство (6).


Замечание1.

Из формул сложения (3) и (4) следуют формулы двойного аргумента:


(7)


Замечание2.

Непосредственно из формул (3) и (7) получим:



Теорема4.

Ф
ункция имеет по крайней мере один положительный нуль.


Доказательство.

Так как для любого



то



и по теореме о промежуточных значениях непрерывной на отрезке функции на
имеет по крайней мере один нуль, т.е. существует число , такое, что .


Теперь справедливы следующие утверждения.


1. Функция имеет наименьший положительный нуль , иными словами, существует , такое, что .


2. Имеют место равенства:



3. Функция положительна на интервале , а функция - на интервале .


4. Функция возрастает на отрезке .


5. Функция убывает на отрезке и возрастает на отрезке .


6. .


7. Нулями функции являются числа и только такие числа, а функции - числа


8. Функции и являются периодическими с наименьшим положительным периодом .


9. Имеют место формулы приведения:



10. Наименьший положительный нуль функции равен .


Список литературы


1. Архипов Б.М., Мазаник А.А., Петровский Г.Н., Урбанович М.И., Элементарные функции: Учеб. Пособие.- Мн.: Выш. шк., 1991.-140с.2. Фихтенгольц Г.М., Курс дифференциального и интегрального исчисления: том I-Спб.: Издательство «Лань», 1997.-800с.
Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Изучение и анализ различных способов определение тригонометрических функций

Слов:2442
Символов:19006
Размер:37.12 Кб.