הצגת המקור של הדף "זהויות טריגונומטריות"

{{סימון מתמטי}}
ב[[מתמטיקה]], '''זהויות טריגונומטריות''' הן [[זהות (מתמטיקה)|זהויות]] בין ביטויים המכילים [[פונקציות טריגונומטריות]] אשר מתקיימים עבור כל ערך אפשרי שיציבו במשתנים. הזהויות שימושיות במקרים רבים כדי לפשט ביטויים המכילים פונקציות טריגונומטריות.
[[קובץ:Unit_circle_angles_color.svg|250px|ממוזער|שמאל|ערכי [[סינוס (טריגונומטריה)|סינוס]] ו[[קוסינוס]] סביב [[מעגל היחידה]]]]

== קשרים בסיסיים ==

{|class="wikitable" style="background-color:#FFFFFF"
! [[משפט פיתגורס#הוכחות גאומטריות למשפטים מתמטיים שונים|הזהות הטריגונומטרית הפיתגוראית]]
|<math>\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1\,</math>
|-
! [[הוכחות לזהויות טריגונומטריות|זהות היחס]]
|<math>\tan \theta = \frac{\sin \theta}{\cos \theta}</math>
|}

מתוך שתי הזהויות הללו ניתן להסיק את הטבלה הבאה שמבטאת כל פונקציה טריגונומטרית בעזרת פונקציה טריגונומטרית אחרת.

{| class="wikitable" style="background-color:#FFFFFF;text-align:center"
|+ '''כל אחת מן הפונקציות הטריגונומטריות במונחים של 5 האחרות.'''
! פונקציה
! sin
! cos
! tan
! csc
! sec
! cot
|-
! <math>= \sin \theta</math>
| <math> \sin \theta\ </math>
| <math> \pm\sqrt{1 - \cos^2\theta} </math>
| <math> \pm\frac{\tan\theta}{\sqrt{1 + \tan^2\theta}} </math>
| <math> \frac{1}{\csc \theta} </math>
| <math> \pm\frac{\sqrt{\sec^2 \theta - 1}}{\sec \theta} </math>
| <math> \pm\frac{1}{\sqrt{1+\cot^2\theta}} </math>
|-
! <math>= \cos \theta</math>
| <math> \pm\sqrt{1 - \sin^2\theta} </math>
| <math> \cos \theta\ </math>
| <math> \pm\frac{1}{\sqrt{1 + \tan^2 \theta}} </math>
| <math> \pm\frac{\sqrt{\csc^2\theta - 1}}{\csc \theta} </math>
| <math> \frac{1}{\sec \theta} </math>
| <math> \pm\frac{\cot \theta}{\sqrt{1 + \cot^2 \theta}} </math>
|-
! <math>= \tan \theta</math>
| <math> \pm\frac{\sin\theta}{\sqrt{1 - \sin^2\theta}} </math>
| <math> \pm\frac{\sqrt{1 - \cos^2\theta}}{\cos \theta} </math>
| <math> \tan \theta\ </math>
| <math> \pm\frac{1}{\sqrt{\csc^2\theta - 1}} </math>
| <math> \pm\sqrt{\sec^2\theta - 1} </math>
| <math> \frac{1}{\cot \theta} </math>
|-
! <math>= \csc \theta</math>
| <math> {1 \over \sin \theta} </math>
| <math> \pm{1 \over \sqrt{1 - \cos^2 \theta}} </math>
| <math> \pm{\sqrt{1 + \tan^2\theta} \over \tan \theta} </math>
| <math> \csc \theta\ </math>
| <math> \pm{\sec \theta \over \sqrt{\sec^2\theta - 1}} </math>
| <math> \pm\sqrt{1 + \cot^2 \theta} </math>
|-
! <math>= \sec \theta</math>
| <math> \pm{1 \over \sqrt{1 - \sin^2\theta}} </math>
| <math> {1 \over \cos \theta} </math>
| <math> \pm\sqrt{1 + \tan^2\theta} </math>
| <math> \pm{\csc\theta \over \sqrt{\csc^2\theta - 1}} </math>
| <math>\sec\theta\ </math>
| <math> \pm{\sqrt{1 + \cot^2\theta} \over \cot \theta} </math>
|-
! <math>= \cot \theta</math>
| <math> \pm{\sqrt{1 - \sin^2\theta} \over \sin \theta} </math>
| <math> \pm{\cos \theta \over \sqrt{1 - \cos^2\theta}} </math>
| <math> {1 \over \tan\theta} </math>
| <math> \pm\sqrt{\csc^2\theta - 1} </math>
| <math> \pm{1 \over \sqrt{\sec^2\theta - 1}} </math>
| <math> \cot\theta\ </math>
|}

== סימטריה, הזזה ומחזוריות ==

על ידי בחינת מעגל היחידה, ניתן להסיק את התכונות של הפונקציות הטריגונומטריות שיבואו להלן.

=== סימטריה ===

כאשר מבצעים שיקוף של הפונקציות הטריגונומטריות דרך ערכים מסוימים של <math>\theta</math>, התוצאה תהיה פעמים רבות אחת מהפונקציות הטריגונומטריות האחרות. מצב זה מוביל לזהויות הבאות:

{|class="wikitable mw-collapsible" style="background-color: #FFFFFF"
! שיקוף דרך <math>\theta=0</math>
! שיקוף דרך <math>\theta= \pi/4</math>
! שיקוף דרך <math>\theta= \pi/2</math>
|-

|<math>
\begin{align}
\sin(0-\theta) &= -\sin \theta \\
\cos(0-\theta) &= +\cos \theta \\
\tan(0-\theta) &= -\tan \theta \\
\csc(0-\theta) &= -\csc \theta \\
\sec(0-\theta) &= +\sec \theta \\
\cot(0-\theta) &= -\cot \theta
\end{align}
</math>
|<math>
\begin{align}
\sin(\tfrac{\pi}{2} - \theta) &= +\cos \theta \\
\cos(\tfrac{\pi}{2} - \theta) &= +\sin \theta \\
\tan(\tfrac{\pi}{2} - \theta) &= +\cot \theta \\
\csc(\tfrac{\pi}{2} - \theta) &= +\sec \theta \\
\sec(\tfrac{\pi}{2} - \theta) &= +\csc \theta \\
\cot(\tfrac{\pi}{2} - \theta) &= +\tan \theta
\end{align}
</math>
|<math>
\begin{align}
\sin(\pi - \theta) &= +\sin \theta \\
\cos(\pi - \theta) &= -\cos \theta \\
\tan(\pi - \theta) &= -\tan \theta \\
\csc(\pi - \theta) &= +\csc \theta \\
\sec(\pi - \theta) &= -\sec \theta \\
\cot(\pi - \theta) &= -\cot \theta \\
\end{align}
</math>
|}

=== הזזה ומחזוריות ===

על ידי הזזה של הפונקציות בזוויות מסוימות, ניתן לעיתים למצוא פונקציות טריגונומטריות אחרות אשר יכולות לבטא את הנדרש בצורה פשוטה יותר. מספר דוגמאות לכך ניתן לקבל על ידי הזזת הפונקציות ב־<math>\tfrac{\pi}{2}</math>,
<math>\pi</math> או
<math>2\pi</math> [[רדיאן|רדיאנים]] (90°, 180° ו-360° בהתאמה). מאחר שהמחזור של הפונקציות הללו הוא תמיד <math>\pi</math> או <math>2\pi</math>, במקרים מסוימים הפונקציה החדשה תהיה זהה לחלוטין לפונקציה הישנה לפני ההזזה.

{|class="wikitable mw-collapsible" style="background-color: #FFFFFF"
!הזזה ב־<math>\tfrac{\pi}{2}</math>
!הזזה ב־<math>\pi</math> <br/> (המחזור של tan ו־cot)
!הזזה ב־<math>2 \pi</math> <br/> (המחזור של sin, cos, csc ו־sec)
|-
|<math>
\begin{align}
\sin(\theta + \tfrac{\pi}{2}) &= +\cos \theta \\
\cos(\theta + \tfrac{\pi}{2}) &= -\sin \theta \\
\tan(\theta + \tfrac{\pi}{2}) &= -\cot \theta \\
\csc(\theta + \tfrac{\pi}{2}) &= +\sec \theta \\
\sec(\theta + \tfrac{\pi}{2}) &= -\csc \theta \\
\cot(\theta + \tfrac{\pi}{2}) &= -\tan \theta
\end{align}
</math>
|<math>
\begin{align}
\sin(\theta + \pi) &= -\sin \theta \\
\cos(\theta + \pi) &= -\cos \theta \\
\tan(\theta + \pi) &= +\tan \theta \\
\csc(\theta + \pi) &= -\csc \theta \\
\sec(\theta + \pi) &= -\sec \theta \\
\cot(\theta + \pi) &= +\cot \theta \\
\end{align}
</math>
|<math>
\begin{align}
\sin(\theta + 2\pi) &= +\sin \theta \\
\cos(\theta + 2\pi) &= +\cos \theta \\
\tan(\theta + 2\pi) &= +\tan \theta \\
\csc(\theta + 2\pi) &= +\csc \theta \\
\sec(\theta + 2\pi) &= +\sec \theta \\
\cot(\theta + 2\pi) &= +\cot \theta
\end{align}
</math>
|}

== זהויות של סכום והפרש זוויות ==

הדרך המהירה ביותר להוכיח זהויות אלה היא באמצעות [[נוסחת אוילר (אנליזה מרוכבת)|נוסחת אוילר]].

{|class="wikitable" style="background-color:#FFFFFF" width=75%
! width=8% | סינוס
| width=42% align="center" | <math>\sin(\theta \pm \varphi) = \sin \theta \cos \varphi \pm \cos \theta \sin \varphi \,</math>
| width=50% rowspan="3" | הערה לשימוש בסימן "[[סימן פלוס-מינוס|פלוס־מינוס]]" (± ו־∓):<br>
כאשר מופיע הסימן ± בשני צידי המשוואה, יש לקרוא: אם פלוס בצד שמאל אז פלוס בצד ימין, ואם מינוס בצד שמאל אז מינוס בצד ימין.<br>
כאשר מופיע הסימן ± בצד שמאל ו־∓ בצד ימין של המשוואה, יש לקרוא: אם פלוס בצד שמאל אז מינוס בצד ימין, ואם מינוס בצד שמאל אז פלוס בצד ימין.<br>
למשל:
<math> \ a \pm b \mp c </math> פירושו <math> \ a+b-c </math> או <math> \ a-b+c </math>.
|-
! קוסינוס
| align="center" | <math>\cos(\theta \pm \varphi) = \cos \theta \cos \varphi \mp \sin \theta \sin \varphi\,</math>
|-
! טנגנס
| align="center" | <math>\tan(\theta \pm \varphi) = \frac{\tan \theta \pm \tan \varphi}{1 \mp \tan \theta \tan \varphi}</math>
|}

== זהויות הנוגעות לכפולות של זווית ==

{|class="wikitable" style="background-color: #FFFFFF;"
!''T<sub>n</sub>'' הוא [[פולינומי צ'בישב|פולינום צ'בישב]] ה־n־י.
|<math>\cos n\theta =T_n (\cos \theta )\,</math>
|-
!''S''<sub>''n''</sub> הוא [[פולינום פרישה|פולינום הפרישה]] ה־n־י.
|<math>\sin^2 n\theta = S_n (\sin^2\theta)\,</math>
|-
![[משפט דה-מואבר|משפט דה־מואבר]], <math>i</math> הוא [[מספר מדומה|היחידה המדומה]]
|<math>\cos n\theta +i\sin n\theta=(\cos(\theta)+i\sin(\theta))^n \,</math>
|}

: <math>1+2\cos(x) + 2\cos(2x) + 2\cos(3x) + \cdots + 2\cos(nx)
= \frac{\sin\left(\left(n +\frac{1}{2}\right)x\right)}{\sin(x/2)}</math>

(פונקציה זו של ''x'' נקראת [[גרעין דיריכלה]])

=== זהויות של זווית כפולה, זווית משולשת וחצי־זווית ===

ניתן להוכיח זהויות אלו באמצעות הזהויות של סכום והפרש זוויות, או באמצעות זהויות המכפלה שלעיל.

{|class="wikitable" style="background-color:#FFFFFF;"
!colspan="4"| זווית כפולה
|-
| style="vertical-align:top" |<math>\begin{align}
\sin 2\theta &= 2 \sin \theta \cos \theta \ \\ &= \frac{2 \tan \theta} {1 + \tan^2 \theta}
\end{align}</math>

|<math>\begin{align}
\cos 2\theta &= \cos^2 \theta - \sin^2 \theta \\ &= 2 \cos^2 \theta - 1 \\
&= 1 - 2 \sin^2 \theta \\ &= \frac{1 - \tan^2 \theta} {1 + \tan^2 \theta}
\end{align}</math>

|<math>\tan 2\theta = \frac{2 \tan \theta} {1 - \tan^2 \theta}\, </math>

|<math>\cot 2\theta = \frac{\cot^2 \theta - 1}{2 \cot \theta}\,</math>

|-
!colspan="4"| זווית משולשת
|-
|<math>\sin 3\theta = 3 \sin \theta- 4 \sin^3\theta \,</math>
|<math>\cos 3\theta = 4 \cos^3\theta - 3 \cos \theta \,</math>
|<math>\tan 3\theta = \frac{3 \tan\theta - \tan^3\theta}{1 - 3 \tan^2\theta}</math>
|<math>\cot 3\theta = \frac{3 \cot\theta - \cot^3\theta}{1 - 3 \cot^2\theta}</math>
|-
!colspan="4"| חצי־זווית
|-
|<math>\sin \tfrac{\theta}{2} = \pm\, \sqrt{\frac{1 - \cos \theta}{2}}</math>
|<math>\cos \tfrac{\theta}{2} = \pm\, \sqrt{\frac{1 + \cos\theta}{2}}</math>
|<math>\begin{align} \tan \tfrac{\theta}{2} &= \csc \theta - \cot \theta \\ &= \pm\, \sqrt{1 - \cos \theta \over 1 + \cos \theta} \\ &= \frac{\sin \theta}{1 + \cos \theta} \\ &= \frac{1-\cos \theta}{\sin \theta} \end{align}</math>
|<math>\begin{align} \cot \tfrac{\theta}{2} &= \csc \theta + \cot \theta \\ &= \pm\, \sqrt{1 + \cos \theta \over 1 - \cos \theta} \\ &= \frac{\sin \theta}{1 - \cos \theta} \\ &= \frac{1 + \cos \theta}{\sin \theta} \end{align}</math>
|}

=== סינוס, קוסינוס וטנגנס של כפולות של זווית ===

:<math>\sin n\theta = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} \cos^k \theta\,\sin^{n-k} \theta\,\sin\left(\frac{1}{2}(n-k)\pi\right)</math>

:<math>\cos n\theta = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} \cos^k \theta\,\sin^{n-k} \theta\,\cos\left(\frac{1}{2}(n-k)\pi\right)</math>

tan ''n&theta;'' יכולה להיכתב כביטוי של tan ''&theta;'' באמצעות היחס הבא:

:<math>\tan\,(n{+}1)\theta = \frac{\tan n\theta + \tan \theta}{1 - \tan n\theta\,\tan \theta}</math>

cot ''n&theta;'' יכולה להיכתב כביטוי של cot ''&theta;'' באמצעות היחס הבא:

:<math>\cot\,(n{+}1)\theta = \frac{\cot n\theta\,\cot \theta - 1}{\cot n\theta + \cot \theta}</math>

=== טנגנס של ממוצע זוויות ===

: <math> \tan\left( \frac{\alpha+\beta}{2} \right)
= \frac{\sin\alpha + \sin\beta}{\cos\alpha + \cos\beta}
= -\,\frac{\cos\alpha - \cos\beta}{\sin\alpha - \sin\beta} </math>

על ידי הצבת 0 ב־''&alpha;'' או ''&beta;'' נקבל את הזהות של חצי־זווית שנזכרה לעיל.

=== המכפלה האינסופית של אוילר ===

: <math> \cos\left({\theta \over 2}\right) \cdot \cos\left({\theta \over 4}\right)
\cdot \cos\left({\theta \over 8}\right)\cdots = \prod_{n=1}^\infty \cos\left({\theta \over 2^n}\right)
= {\sin(\theta)\over \theta} </math>

== זהויות לצמצום חזקות ==
זהויות אלה ניתן להוכיח באמצעות הגרסה השנייה והשלישית של זהות הזווית הכפולה של הקוסינוס (ראו לעיל).

{|class="wikitable" style="background-color: #FFFFFF"
!סינוס
!קוסינוס
!שילובים
|-
|<math>\sin^2\theta = \frac{1 - \cos 2\theta}{2}</math>
|<math>\cos^2\theta = \frac{1 + \cos 2\theta}{2}</math>
|<math>\sin^2\theta \cos^2\theta = \frac{1 - \cos 4\theta}{8}</math>
|-
|<math>\sin^3\theta = \frac{3 \sin\theta - \sin 3\theta}{4}</math>
|<math>\cos^3\theta = \frac{3 \cos\theta + \cos 3\theta}{4}</math>
|<math>\sin^3\theta \cos^3\theta = \frac{3\sin 2\theta - \sin 6\theta}{32}</math>
|-
|<math>\sin^4\theta = \frac{3 - 4 \cos 2\theta + \cos 4\theta}{8}</math>
|<math>\cos^4\theta = \frac{3 + 4 \cos 2\theta + \cos 4\theta}{8}</math>
|<math>\sin^4\theta \cos^4\theta = \frac{3-4\cos 4\theta + \cos 8\theta}{128}</math>
|-
|<math>\sin^5\theta = \frac{10 \sin\theta - 5 \sin 3\theta + \sin 5\theta}{16}</math>
|<math>\cos^5\theta = \frac{10 \cos\theta + 5 \cos 3\theta + \cos 5\theta}{16}</math>
|<math>\sin^5\theta \cos^5\theta = \frac{10\sin 2\theta - 5\sin 6\theta + \sin 10\theta}{512}</math>
|}

עבור חזקות שרירותיות כלשהן של <math>\sin\theta</math> או <math>\cos\theta</math> ניתן להשתמש בזהויות הבאות, אשר נובעות מ[[משפט דה-מואבר|משפט דה־מואבר]], [[נוסחת אוילר (אנליזה מרוכבת)|נוסחת אוילר]] ו[[הבינום של ניוטון]].

{|class="wikitable" style="background-color: #FFFFFF"
!
!אם n הוא אי־זוגי
!אם n הוא זוגי
|-
!קוסינוס
|<math>\cos^n\theta = \frac{2}{2^n} \sum_{k=0}^{\frac{n-1}{2}} \binom{n}{k} \cos{(n-2k)\theta}</math>
|<math>\cos^n\theta = \frac{1}{2^n} \binom{n}{\frac{n}{2}} + \frac{2}{2^n} \sum_{k=0}^{\frac{n}{2}-1} \binom{n}{k} \cos{(n-2k)\theta}</math>
|-
!סינוס
|<math>\sin^n\theta = \frac{2}{2^n} \sum_{k=0}^{\frac{n-1}{2}} (-1)^{(\frac{n-1}{2}-k)} \binom{n}{k} \sin{(n-2k)\theta}</math>
|<math>\sin^n\theta = \frac{1}{2^n} \binom{n}{\frac{n}{2}} + \frac{2}{2^n} \sum_{k=0}^{\frac{n}{2}-1} (-1)^{(\frac{n}{2}-k)} \binom{n}{k} \cos{(n-2k)\theta}</math>
|-
|}

== זהויות להמרת מכפלה לסכום וסכום למכפלה ==

זהויות אלה ניתן להוכיח באמצעות הרחבת הצד הימני במשוואה באמצעות הזהויות של סכום והפרש זוויות (ראו לעיל). ראו [[פעימה (אקוסטיקה)]] ליישום מעניין של הזהויות שלהלן.

{|
|style="vertical-align:top"|
{|class="wikitable" style="background-color: #FFFFFF"
!מכפלה לסכום
|-
| <math>\cos \theta \cos \varphi = {\cos(\theta - \varphi) + \cos(\theta + \varphi) \over 2}</math>
|-
| <math>\sin \theta \sin \varphi = {\cos(\theta - \varphi) - \cos(\theta + \varphi) \over 2}</math>
|-
| <math>\sin \theta \cos \varphi = {\sin(\theta + \varphi) + \sin(\theta - \varphi) \over 2}</math>
|}
|
{|class="wikitable" style="background-color: #FFFFFF"
!סכום למכפלה
|-
|<math>\sin \theta + \sin \varphi = 2 \sin\left( \frac{\theta + \varphi}{2} \right) \cos\left( \frac{\theta - \varphi}{2} \right)</math>
|-
|<math>\sin \theta - \sin \varphi = 2 \cos\left({\theta + \varphi \over 2}\right) \sin\left({\theta - \varphi\over 2}\right) \; </math>
|-
|<math>\cos \theta - \cos \varphi = -2\sin\left( {\theta + \varphi \over 2}\right) \sin\left({\theta - \varphi \over 2}\right)</math>
|-
|<math>\cos \theta + \cos \varphi = 2 \cos\left( \frac{\theta + \varphi} {2} \right) \cos\left( \frac{\theta - \varphi}{2} \right)</math>

|}
|}

בפרט,
: <math>\ \sin^2(\theta) = \frac{ 1 - \cos(2 \theta )}{2}</math>
: <math>\cos^2(\theta) = \frac{ 1 + \cos(2 \theta) }{2}</math>
: <math>\sin(\theta)\cos(\theta) = \frac{ \sin(2 \theta) }{2}</math>
זהויות אלה שימושיות ב[[שיטות אינטגרציה]] על ריבועי פונקציות טריגונומטריות וניתן להכלילן לחזקות שונות.

=== זהויות קשורות ===

אם ''x'', ''y'', ו־''z'' הן שלוש זוויות של משולש כלשהו, כלומר אם <math>\ = \pi = x + y + z </math> חצי מעגל (180&deg;), אזי{{ש}}
<math>\tan(x) + \tan(y) + \tan(z) = \tan(x)\tan(y)\tan(z)</math>.

לחלופין, אם אחת מהזוויות ''x'', ''y'', ו־''z'' היא זווית ישרה (90&deg; או &pi;/2) אזי ניתן להגדיר את שני הצדדים כ־∞ (אינסוף). אין זה ∞+ ("אינסוף חיובי") וגם לא ∞&minus; ("אינסוף שלילי"); הפונקציה tan(θ)&lrm; שואפת בנקודה 2&pi; ל־∞+ מצד שמאל ול־∞&minus; מצד ימין.

בנוסף, אם <math>\pi = x + y + z</math> = חצי מעגל (180&deg;), אזי{{ש}}
<math>\sin(2x) + \sin(2y) + \sin(2z) = 4\sin(x)\sin(y)\sin(z)</math>.

=== משפט תלמי ===
{{הפניה לערך מורחב|משפט תלמי}}
אם <math>\pi = w + x + y + z</math> = חצי מעגל (180&deg;), אזי{{ש}}

<math>\begin{align}
\sin(w + x)\sin(x + y) = \sin(w)\sin(y) + \sin(x)\sin(z)
\end{align}</math>

ביסודה מהווה זהות זו זה התאמה של [[משפט תלמי]] משפת הגאומטריה לשפת הטריגונומטריה.

== צירופים ליניאריים ==

עבור שימושים מסוימים, חשוב לדעת שכל צירוף ליניארי של [[גל]]י סינוס בעלי אותו זמן מחזור אך [[מופע]] שונה מהווה גל סינוס בפני עצמו, גם הוא בעל אותו זמן מחזור אך מופע שונה. במקרה של צירוף ליניארי של גל סינוס וגל קוסינוס (בעלי הפרש מופע של &pi;/2), נקבל

:<math>a\sin x+b\cos x=\sqrt{a^2+b^2}\cdot\sin(x+\varphi)\,</math>

כאשר

:<math>
\varphi = \arcsin \left(\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}\right)
+ \begin{cases}
0 & \text{if }a \ge 0, \\
\pi & \text{if }a < 0,
\end{cases}
</math>

או באופן שקול,

:<math>\varphi = \arctan \left(\frac{b}{a}\right) + \begin{cases}
0 & \text{if }a \ge 0, \\
\pi & \text{if }a < 0.
\end{cases}
</math>

באופן כללי, עבור הפרש מופע כלשהו, נקבל

:<math>a\sin x+b\sin(x+\alpha)= c \sin(x+\beta)\,</math>

כאשר

:<math>
 c = \sqrt{a^2 + b^2 + 2ab\cos \alpha},</math>

וכן

:<math>
.\beta = {\rm arctan} \left(\frac{b\sin \alpha}{a + b\cos \alpha}\right)
</math>

== סכומים נוספים של פונקציות טריגונומטריות ==

סכומים של סינוסים וקוסינוסים עם [[ארגומנט של פונקציה|ארגומנט]]ים כטורים חשבוניים:

:<math>\sin{\varphi} + \sin{(\varphi + \alpha)} + \sin{(\varphi + 2\alpha)} +
\cdots + \sin{(\varphi + n\alpha)}=\frac{\sin{\left(\frac{(n+1) \alpha}{2}\right)} \cdot \sin{(\varphi + \frac{n \alpha}{2})}}{\sin{\frac{\alpha}{2}}}</math>

:<math>\cos{\varphi} + \cos{(\varphi + \alpha)} + \cos{(\varphi + 2\alpha)} +
\cdots + \cos{(\varphi + n\alpha)}=\frac{\sin{\left(\frac{(n+1) \alpha}{2}\right)} \cdot \cos{(\varphi + \frac{n \alpha}{2})}}{\sin{\frac{\alpha}{2}}}</math>

לכל ''a'' ו־''b'':

: <math>a \cos(x) + b \sin(x) = \sqrt{ a^2 + b^2 } \cos(x - \arctan(b, a)) \;</math>

כאשר arctan(''y'', ''x'')&lrm; היא הכללה של arctan(''y''/''x'')&lrm; אשר מכסה את כל היקף המעגל (לעיתים מכונה גם arctan2(y,x)).

:<math>\tan(x) + \sec(x) = \tan\left({x \over 2} + {\pi \over 4}\right)</math>

אם <math>\pi = x + y + z</math> = חצי מעגל (180&deg;), אזי{{ש}}

:<math>\cot(x)\cot(y) + \cot(y)\cot(z) + \cot(z)\cot(x) = 1</math>

== הפונקציות הטריגונומטריות ההפוכות ==

:<math> \arcsin(x)+\arccos(x)=\pi/2\;</math>

:<math> \arctan(x)+\arccot(x)=\pi/2.\;</math>

:<math>\arctan(x)+\arctan(1/x)=\left\{\begin{matrix} \pi/2, & \mbox{if }x > 0 \\ -\pi/2, & \mbox{if }x < 0 \end{matrix}\right.</math>

=== הרכבה של הפונקציות הטריגונומטריות על הפונקציות ההפוכות ===

{|class="wikitable" style="background-color: #FFFFFF"
|-
|<math>\sin[\arccos(x)]=\sqrt{1-x^2} \,</math>
|<math>\tan[\arcsin (x)]=\frac{x}{\sqrt{1 - x^2}}</math>
|-
|<math>\sin[\arctan(x)]=\frac{x}{\sqrt{1+x^2}}</math>
|<math>\tan[\arccos (x)]=\frac{\sqrt{1 - x^2}}{x}</math>
|-
|<math>\cos[\arctan(x)]=\frac{1}{\sqrt{1+x^2}}</math>
|<math>\cot[\arcsin (x)]=\frac{\sqrt{1 - x^2}}{x}</math>
|-
|<math>\cos[\arcsin(x)]=\sqrt{1-x^2} \,</math>
|<math>\cot[\arccos (x)]=\frac{x}{\sqrt{1 - x^2}}</math>
|}

== קשר לפונקציה המעריכית המרוכבת ==

:<math>e^{ix} = \cos(x) + i\sin(x)\,</math> ([[נוסחת אוילר (אנליזה מרוכבת)|נוסחת אוילר]]),

:<math>e^{-ix} = \cos(-x) + i\sin(-x) = \cos(x) - i\sin(x)\,</math>

:<math>e^{i\pi} = -1\,</math>

: <math>\cos(x) = \frac{e^{ix} + e^{-ix}}{2} \;</math>

: <math>\sin(x) = \frac{e^{ix} - e^{-ix}}{2i} \;</math>

ומכאן נסיק:

: <math>\tan(x) = \frac{e^{ix} - e^{-ix}}{i({e^{ix} + e^{-ix}})}\; = \frac{\sin(x)}{\cos(x)}</math>

כאשר <math>i^2 = -1</math>.

== מכפלות אינסופיות ==

הזהויות הבאות, העוסקות ב[[מכפלה אינסופית|מכפלות אינסופיות]], שימושיות עבור [[פונקציה מיוחדת|פונקציות מיוחדות]]:

: <math>\sin x = x \prod_{n = 1}^\infty\left(1 - \frac{x^2}{\pi^2 n^2}\right)</math>

: <math>\sinh x = x \prod_{n = 1}^\infty\left(1 + \frac{x^2}{\pi^2 n^2}\right)</math>

: <math>\frac{\sin x}{x} = \prod_{n = 1}^\infty\cos\left(\frac{x}{2^n}\right)</math>

: <math>\cos x = \prod_{n = 1}^\infty\left(1 - \frac{x^2}{\pi^2(n - \frac{1}{2})^2}\right)</math>

: <math>\cosh x = \prod_{n = 1}^\infty\left(1 + \frac{x^2}{\pi^2(n - \frac{1}{2})^2}\right)</math>

== זהויות ללא משתנים ==

"חוק מורי":

:<math>\cos 20^\circ\cdot\cos 40^\circ\cdot\cos 80^\circ=\frac{1}{8}</math>

הוא מקרה מיוחד של הזהות הבאה:

:<math>\prod_{j=0}^{k-1}\cos(2^j x)=\frac{\sin(2^k x)}{2^k\sin(x)}</math> זה נובע מכך שבהכפלה ואז בעזרת אינדוקציה וחלוקה נובעת הזהות.

כאשר k = 3, x = 20&deg;. את השם טבע הפיזיקאי [[ריצ'רד פיינמן]], אשר למד את הזהות הזו בילדותו מילד בשם מורי, ומאז זכר אותו למשך כל חייו.

זהויות נוספות באותה מתכונת הן:

:<math> \cos\frac{\pi}{7}\cos\frac{2\pi}{7}\cos\frac{3\pi}{7} = \frac{1}{8}</math>

וכן,

:<math>\sin 20^\circ\cdot\sin 40^\circ\cdot\sin 80^\circ=\frac{\sqrt{3}}{8}</math>.

את הזהות הבאה קשה להכליל מיד לזהות הכוללת משתנים (אך קראו בהמשך להסבר):

:<math>\cos 24^\circ+\cos 48^\circ+\cos 96^\circ+\cos 168^\circ=\frac{1}{2}</math>

לאחר עיון בזהות שלהלן, ניתן להגיע למסקנה שמדידה במעלות אינה תמיד מתאימה יותר ממדידה ברדיאנים:

:::<math> \cos\left( \frac{2\pi}{21}\right)
 \,+\, \cos\left(2\cdot\frac{2\pi}{21}\right)
 \,+\, \cos\left(4\cdot\frac{2\pi}{21}\right)</math>
:<math>
 \,+\, \cos\left( 5\cdot\frac{2\pi}{21}\right)
 \,+\, \cos\left( 8\cdot\frac{2\pi}{21}\right)
 \,+\, \cos\left(10\cdot\frac{2\pi}{21}\right)=\frac{1}{2}</math>

הגורמים 1, 2, 4, 5, 8, 10 נותנים רמז למקורה של הדוגמה הנ"ל: אלה הם [[מספרים טבעיים|המספרים הטבעיים]] הקטנים מ־21/2 שהם [[מספרים זרים|זרים]] ל־21 (כלומר, אין להם [[גורם ראשוני]] משותף עם 21). הדוגמאות האחרונות נובעות מעובדה בסיסית על [[פולינום ציקלוטומי|פולינומים ציקלוטומים]]: הקוסינוסים מהווים את החלק הממשי של פתרונות הפולינום; סכום הפתרונות הוא [[פונקציית מביוס]] אשר מחושבת עבור המספר 21 (בדוגמה האחרונה); רק חצי מהפתרונות מופיעים בדוגמה זו. לשתי הזהויות הקודמות לזהות האחרונה נגיע בצורה דומה, עם 10 או 15 במקום 21 (ולאחר המרה למעלות).

=== חישוב פאי (&pi;) ===

דרך יעילה במיוחד לחשב את ערכו של [[פאי]] היא שימוש בזהות שלהלן, המיוחסת לאסטרונום [[ג'ון משין]]:

:<math>\frac{\pi}{4} = 4 \arctan\frac{1}{5} - \arctan\frac{1}{239}</math>

זהות נוספת, המיוחסת ל[[לאונרד אוילר|אוילר]], היא:

:<math>\frac{\pi}{4} = 5 \arctan\frac{1}{7} + 2 \arctan\frac{3}{79}</math>

=== ערכים קלים לזכירה של סינוס וקוסינוס ===

:<math>
\begin{matrix}
\sin 0 & = & \sin 0^\circ & = & 0 & = & \cos 90^\circ & = & \cos \left( \frac {\pi} {2} \right) & = \sqrt{0}/2 \\ \\
\sin \left( \frac {\pi} {6} \right) & = & \sin 30^\circ & = & 1/2 & = & \cos 60^\circ & = & \cos \left( \frac {\pi} {3} \right) & = \sqrt{1}/2 \\ \\
\sin \left( \frac {\pi} {4} \right) & = & \sin 45^\circ & = & \sqrt{2}/2 & = & \cos 45^\circ & = & \cos \left( \frac {\pi} {4} \right) & = \sqrt{2}/2 \\ \\
\sin \left( \frac {\pi} {3} \right) & = & \sin 60^\circ & = & \sqrt{3}/2 & = & \cos 30^\circ & = & \cos \left( \frac {\pi} {6} \right) & = \sqrt{3}/2 \\ \\
\sin \left( \frac {\pi} {2} \right) & = & \sin 90^\circ & = & 1 & = & \cos 0^\circ & = & \cos 0 & = \sqrt{4}/2
\end{matrix}
</math>

=== ערכים מעניינים נוספים ===

:<math>\sin{\frac{\pi}{7}}=\frac{\sqrt{7}}{6}-
\frac{\sqrt{7}}{189} \sum_{j=0}^{\infty} \frac{(3j+1)!}{189^j j!\,(2j+2)!}
\!</math>

:<math>\sin{\frac{\pi}{18}}=
\frac{1}{6} \sum_{j=0}^{\infty} \frac{(3j)!}{27^j j!\,(2j+1)!}
\!</math>

באמצעות [[יחס הזהב]] φ:

:<math>\cos \left( \frac {\pi} {5} \right) = \cos 36^\circ={\sqrt{5}+1 \over 4} = \varphi /2
</math>

:<math>\sin \left( \frac {\pi} {10} \right) = \sin 18^\circ = {\sqrt{5}-1 \over 4} = {\varphi - 1 \over 2} = {1 \over 2\varphi}</math>

ראו בנוסף: [[קבועים טריגונומטריים מדויקים]].

== חשבון אינפיניטסימלי ==

הזהויות שלהלן, הלקוחות מן [[חשבון אינפיניטסימלי|החשבון האינפיניטסימלי]], עובדות רק עבור זוויות הנמדדות ב[[רדיאן|רדיאנים]]; הקשרים יהפכו למסובכים יותר אם נשתמש בזוויות הנמדדות ביחידות אחרות, כגון מעלות. אם נגדיר את הפונקציות הטריגונומטריות במונחים [[גאומטריה|גאומטריים]], ניתן למצוא את [[נגזרת|נגזרותיהן]] על ידי חישוב שני גבולות. [[הגבול של sin(x)/x|הגבול הראשון]] הוא:

:<math>\lim_{x\rightarrow 0}\frac{\sin x}{x}=1</math>

ניתן להוכיח גבול זה באמצעות [[מעגל היחידה]] ו[[כלל הסנדוויץ']]. הניסיון להוכיח את הגבול באמצעות [[כלל לופיטל]] עשוי להיות מפתה, אך אם נשתמש בגבול זה כדי להוכיח כי הנגזרת של sin''x'' היא cos''x'', ולאחר מכן נשתמש בעובדה זו במסגרת כלל לופיטל, תהא זו הוכחה שמבוססת על הגיון מעגלי - וזוהי טעות לוגית. הגבול השני הוא:

:<math>\lim_{x\rightarrow 0}\frac{1-\cos x }{x}=0</math>

אותו נוכיח באמצעות הזהות <math>\ \tan(x/2)=(1-\cos(x))/\sin(x)</math>. לאחר שביססנו את שני הגבולות הנ"ל, נוכל להשתמש בהגדרת הנגזרת לפי גבול ובמשפטים קשורים כדי להראות כי <math>\ (\sin x)'=\cos x</math> וכן <math>\ (\cos x)'=-\sin x</math>. אם פונקציות הסינוס והקוסינוס מוגדרות על ידי [[טור טיילור|טורי טיילור]] שלהן, אזי ניתן למצוא את נגזרותיהן על ידי גזירת [[טור חזקות|טור החזקות]].

:<math>{d \over dx}\sin x = \cos x</math>

את שאר הפונקציות הטריגונומטריות ניתן לגזור באמצעות הזהויות שלעיל וכללי הגזירה.

:<math>
\begin{matrix}
{d \over dx} \sin x =& \cos x ,& {d \over dx} \arcsin x =& {1 \over \sqrt{1 - x^2} } \\ \\
{d \over dx} \cos x =& -\sin x ,& {d \over dx} \arccos x =& {-1 \over \sqrt{1 - x^2}} \\ \\
{d \over dx} \tan x =& \sec^2 x ,& {d \over dx} \arctan x =& { 1 \over 1 + x^2} \\ \\
{d \over dx} \cot x =& -\csc^2 x ,& {d \over dx} \arccot x =& {-1 \over 1 + x^2} \\ \\
{d \over dx} \sec x =& \tan x \sec x ,& {d \over dx} \arcsec x =& { 1 \over |x|\sqrt{x^2 - 1}} \\ \\
{d \over dx} \csc x =& -\csc x \cot x ,& {d \over dx} \arccsc x =& {-1 \over |x|\sqrt{x^2 - 1}}
\end{matrix}
</math>

[[אינטגרל]]ים בסיסיים:

:<math>\int{\frac{du}{\sqrt{a^{2}-u^{2}}}}=\sin ^{-1}\left( \frac{u}{a} \right)+C</math>

:<math>\int{\frac{du}{a^{2}+u^{2}}}=\frac{1}{a}\tan ^{-1}\left( \frac{u}{a} \right)+C</math>

<math>\int{\frac{du}{a+u^{2}}} \Longrightarrow \int{\frac{du}{(\sqrt{a})^2+u^{2}}}=\frac{1}\sqrt{a}\tan ^{-1}\left( \frac{u}\sqrt{a} \right)+C</math>
:
:<math>\int{\frac{du}{u\sqrt{u^{2}-a^{2}}}}=\frac{1}{a}\sec ^{-1}\left| \frac{u}{a} \right|+C</math>

העובדה כי גזירת הפונקציות הטריגונומטריות (סינוס וקוסינוס) מניבה [[צירוף ליניארי|צירופים ליניארים]] של אותן פונקציות היא בעלת חשיבות ראשונה במעלה בתחומים רבים של המתמטיקה, כולל [[משוואות דיפרנציאליות]] ו[[התמרת פורייה|התמרות פורייה]].

== הגדרות מעריכיות ==
{| class="wikitable" style="background-color:#FFFFFF"
!פונקציה
!פונקציה הפוכה

|-
|<math>\sin \theta = \frac{e^{i\theta} - e^{-i\theta}}{2i} \,</math>
|<math>\arcsin x = -i \ln \left(ix + \sqrt{1 - x^2}\right) \,</math>

|-
|<math>\cos \theta = \frac{e^{i\theta} + e^{-i\theta}}{2} \,</math>
|<math>\arccos x = -i \ln \left(x + \sqrt{x^2 - 1}\right) \,</math>

|-
|<math>\tan \theta = \frac{e^{i\theta} - e^{-i\theta}}{i(e^{i\theta} + e^{-i\theta})} \,</math>
|<math>\arctan x = \frac{i \ln \left(\frac{i + x}{i - x}\right)}{2} \,</math>

|-
|<math>\csc \theta = \frac{2i}{e^{i\theta} - e^{-i\theta}} \,</math>
|<math>\arccsc x = -i \ln \left(\tfrac{i}{x} + \sqrt{1 - \tfrac{1}{x^2}}\right) \,</math>

|-
|<math>\sec \theta = \frac{2}{e^{i\theta} + e^{-i\theta}} \,</math>
|<math>\arcsec x = -i \ln \left(\tfrac{1}{x} + \sqrt{1 - \tfrac{i}{x^2}}\right) \,</math>

|-
|<math>\cot \theta = \frac{i(e^{i\theta} + e^{-i\theta})}{e^{i\theta} - e^{-i\theta}} \,</math>
|<math>\arccot x = \frac{i \ln \left(\frac{i - x}{i + x}\right)}{2} \,</math>
|-
!
!
|-
|<math>\operatorname{cis} \, \theta = e^{i\theta} \,</math>
|<math>\operatorname{arccis} \, x = \frac{\ln x}{i} \,</math>
|}

== שונות ==
=== גרעין דיריכלה ===

'''[[גרעין דיריכלה]]''' ''D<sub>n</sub>''(''x'')&lrm; היא הפונקציה הרשומה משני צידי הזהות הבאה:

:<math>1+2\cos(x)+2\cos(2x)+2\cos(3x)+\cdots+2\cos(nx) = \frac{ \sin\left[\left(n+\frac{1}{2}\right)x\right\rbrack }{ \sin\left(\frac{x}{2}\right) }</math>

[[קונבולוציה]] של גרעין דיריכלה עם [[פונקציה אינטגרבילית]] בעלת מחזור 2π נותנת את קירוב פורייה ממעלה ''n'' של הפונקציה, כלומר סכום האיברים עד סדר ''n'' ב[[טור פורייה]] של הפונקציה (או איברים {{D}}&minus;''n'' עד ''n'' בטור פורייה המרוכב).

=== הרחבות של הזהות של חצי־זווית ===

אם נציב

:<math>t = \tan\left(\frac{x}{2}\right)</math>

אז

: <math>\sin(x) = \frac{2t}{1 + t^2}, \quad \cos(x) = \frac{1 - t^2}{1 + t^2}, \quad e^{i x} = \frac{1 + i t}{1 - i t}</math>

כאשר הביטוי ''e''<sup>''ix''</sup> זהה ל־[[cis]] (''x'')&lrm;.

ההצבה הנ"ל שימושית בחשבון אינפיניטסימלי לשם המרת פונקציות רציונליות עם sin(''x'')&lrm; ו־cos(''x'')&lrm; לפונקציות של ''t'' על מנת למצוא את הפונקציה הקדומה שלהן.

== יישומים בחישוב אינטגרלים ==

יישום חשוב שלהן הוא במציאת [[אינטגרל]]ים של פונקציות שאינן טריגונומטריות: טריק שכיח הוא להשתמש ב[[שיטות למציאת אינטגרלים לא מסוימים#הצבות טריגונומטריות|תחליף טריגונומטרי]] לפונקציה, ואז לפשט את האינטגרל שהתקבל באמצעות זהות טריגונומטריות.

== קיצורים היסטוריים ==

הקיצורים שלהלן שימשו בעבר לצורך ניווט (לדוגמה, [[נוסחת ה-haversine|נוסחת ה־haversine]] שימשה לחישוב המרחק בין שתי נקודות על כדור). כיום משתמשים בהם לעיתים נדירות בלבד.

{|class="wikitable" style="background-color:#FFFFFF"
|-
! שמות (אנגלית)
! קיצורים
! הגדרה
|-
| versed sine<br/>versine
| <math>\textrm{versin} \, \theta</math>
<math>\textrm{vers} \, \theta</math>
| <math> 1 - \cos \theta \,</math>
|-
| coversed sine<br/>coversine
| <math>\textrm{coversin} \, \theta</math>
<math>\textrm{cover} \, \theta</math>
| <math>1 - \sin \theta \,</math>
|-
| haversed sine<br/>haversine
| <math>\textrm{haversin} \, \theta</math><br/>
<math>\textrm{hav} \, \theta</math>
| <math>\tfrac{1}{2} \textrm{versin} \theta \,</math>
|-
| hacoversed sine<br/>hacoversine<br/>cohaversine<br/>havercosine
| <math>\textrm{hacoversin} \, \theta</math><br/>
<math>\textrm{hacov} \, \theta</math>
| <math>\tfrac{1}{2} \textrm{coversin} \theta \,</math>
|-
| exsecant
| <math>\textrm{exsec} \, \theta \,</math>
| <math> \sec \theta - 1 \,</math>
|-
| excosecant
| <math>\textrm{excsc} \, \theta \,</math>
| <math> \csc \theta - 1 \,</math>
|}

== ראו גם==
{{מיזמים|ויקיספר=מתמטיקה תיכונית/טריגונומטריה/זהויות|שם ויקיספר=מדריך לשימוש בזהויות}}
* [[טריגונומטריה]]
* [[משפט פיתגורס]]

==קישורים חיצוניים==
*[http://www.damada.co.il/topics/math/db/trigo_special_func_identities/trigo_special_func_identities.shtml הוכחה גאומטרית של זהויות חשובות]
{{טריגונומטריה}}

[[קטגוריה:משפטים בטריגונומטריה]]
[[קטגוריה:זהויות במתמטיקה|טריגונומטריה]]