پرش به محتوای اصلی

مثلثات (فصل 2 ریاضی 1) (علوم تجربی)

بخشی از بانک سؤال طبقه‌بندی‌شده‌ی این مبحث در کوئیز سنتر — رایگان و بدون نیاز به ثبت‌نام

خلاصه‌ی درسنامه

این خلاصه‌ی 30 درصدی درسنامه اصلی است. متن کامل با همه‌ی نکته‌ها، مثال‌های حل‌شده و جمع‌بندی، با ثبت‌نام رایگان در دسترست قرار می‌گیرد.

مثلثات — از مثلث قائم تا دایرهٔ مثلثاتی

مثلثات فصل دوم ریاضی ۱، از تشابه مثلث‌ها شروع می‌شود و به تعریف کلی‌تری روی دایرهٔ مثلثاتی می‌رسد که برای هر زاویه‌ای — نه فقط زوایای حاده — کار می‌کند.

نسبت‌های مثلثاتی در مثلث قائم‌الزاویه

در مثلث قائم ABCABC با زاویهٔ قائمهٔ CC:

sinA=BCABcosA=ACABtanA=BCACcotA=ACBC\sin A=\frac{BC}{AB}\quad \cos A=\frac{AC}{AB}\quad \tan A=\frac{BC}{AC}\quad \cot A=\frac{AC}{BC}
tanA=sinAcosAcotA=1tanA\boxed{\tan A=\frac{\sin A}{\cos A}}\qquad \boxed{\cot A=\frac{1}{\tan A}}

مقادیر استاندارد را می‌توان با یک ترفند حفظ کرد: sin30°,sin45°,sin60°\sin30°,\sin45°,\sin60° به‌ترتیب 12,22,32\frac{\sqrt1}{2},\frac{\sqrt2}{2},\frac{\sqrt3}{2}‌اند — عدد زیر رادیکال از ۱ تا ۳ بالا می‌رود. مساحت مثلث هم با یک نسبت مثلثاتی به دست می‌آید: S=12ABBCsinBS=\frac12\cdot AB\cdot BC\cdot\sin B.

دایرهٔ مثلثاتی

روی دایره‌ای به شعاع ۱ و مرکز مبدأ، اگر P(x,y)P(x,y) متناظر با زاویهٔ θ\theta باشد:

cosθ=x,sinθ=y\boxed{\cos\theta=x,\qquad \sin\theta=y}

حرکت خلاف عقربه‌ها زاویهٔ مثبت و هم‌جهت عقربه‌ها زاویهٔ منفی می‌سازد. چون PP روی دایرهٔ واحد است، همیشه 1sinθ1-1\le\sin\theta\le1 و 1cosθ1-1\le\cos\theta\le1؛ اما tanθ\tan\theta و cotθ\cot\theta نامحدودند. علامت نسبت‌ها در چهار ربع با قاعدهٔ «ASTC» حفظ می‌شود: ربع اول همه مثبت، دوم فقط sin، سوم فقط tan، چهارم فقط cos. رابطهٔ شیب خط با تانژانت هم از همین‌جا می‌آید: اگر خط با محور xx زاویهٔ α\alpha بسازد، شیب m=tanαm=\tan\alpha.

اتحاد فیثاغورسی و مشتقات آن

مهم‌ترین رابطهٔ فصل:

sin2α+cos2α=1\boxed{\sin^2\alpha+\cos^2\alpha=1}

با تقسیم بر cos2α\cos^2\alpha یا sin2α\sin^2\alpha دو اتحاد دیگر ساخته می‌شود:

tan2α+1=1cos2αcot2α+1=1sin2α\boxed{\tan^2\alpha+1=\frac{1}{\cos^2\alpha}}\qquad \boxed{\cot^2\alpha+1=\frac{1}{\sin^2\alpha}}

نمونه: اگر sinα=45\sin\alpha=-\frac45 در ربع سوم باشد، cosα=11625=35\cos\alpha=-\sqrt{1-\frac{16}{25}}=-\frac35 و در نتیجه tanα=43\tan\alpha=\frac43 — در ربع سوم sin و cos هر دو منفی‌اند اما tan و cot مثبت می‌مانند. برای اثبات اتحادهای مثلثاتی، معمولاً طرف پیچیده‌تر را با تبدیل همه چیز به sin\sin و cos\cos ساده می‌کنند؛ مثلاً sinθtanθ=1cosθcosθ\sin\theta\tan\theta=\frac{1}{\cos\theta}-\cos\theta از سادهٔ طرف راست به sin2θcosθ\frac{\sin^2\theta}{\cos\theta} ثابت می‌شود.

زوایای خاص، تناوب و فرمول‌های تکمیلی

زوایای مکمل (90°α90°-\alpha) سینوس و کسینوس را جابه‌جا می‌کنند: sin(90°α)=cosα\sin(90°-\alpha)=\cos\alpha. زوایای منفی نشان می‌دهند sin,tan,cot\sin,\tan,\cot توابع فردند و cos\cos زوج است: sin(α)=sinα\sin(-\alpha)=-\sin\alpha، cos(α)=cosα\cos(-\alpha)=\cos\alpha. دورهٔ تناوب sin\sin و cos\cos، ۳۶۰° و دورهٔ tan\tan و cot\cot، ۱۸۰° است — با این‌ها زوایای بزرگ ساده می‌شوند: sin750°=sin30°=12\sin750°=\sin30°=\frac12.

فراتر از کتاب اما پرکاربرد در کنکور، فرمول‌های جمع زاویه:

sin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ\sin(\alpha\pm\beta)=\sin\alpha\cos\beta\pm\cos\alpha\sin\beta
cos(α±β)=cosαcosβsinαsinβ\cos(\alpha\pm\beta)=\cos\alpha\cos\beta\mp\sin\alpha\sin\beta

که با آن‌ها sin75°=sin(45°+30°)=6+24\sin75°=\sin(45°+30°)=\frac{\sqrt6+\sqrt2}{4} محاسبه می‌شود. فرمول‌های دو برابر زاویه هم مکمل همین ابزارند: sin2α=2sinαcosα\sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alpha و cos2α=cos2αsin2α=12sin2α\cos2\alpha=\cos^2\alpha-\sin^2\alpha=1-2\sin^2\alpha.

نکات کنکوری: اگر sinθcosθ>0\sin\theta\cdot\cos\theta>0 باشد، θ\theta در ربع اول یا سوم است. tanθ\tan\theta وقتی تعریف نمی‌شود که cosθ=0\cos\theta=0، یعنی θ=90°+k180°\theta=90°+k\cdot180°. و برای ساده‌سازی سریعِ کسرهای رادیکالی مثل 11+sinθ\frac{1}{1+\sin\theta}، ضرب در مزدوج 1sinθ1sinθ\frac{1-\sin\theta}{1-\sin\theta} همیشه راه‌حل استاندارد است.

زوایای مرزی و کاربردهای عملی

روی دایرهٔ مثلثاتی، چهار نقطهٔ مرزی مقادیر خاصی می‌دهند: در 0° و 360°360°، P(1,0)P(1,0) پس sin=0,cos=1\sin=0,\cos=1؛ در 90°90°، P(0,1)P(0,1) پس tan\tan تعریف نشده؛ در 180°180°، P(1,0)P(-1,0)؛ در 270°270°، P(0,1)P(0,-1) پس cot\cot تعریف نشده. این جدول برای حل سریع معادلات مثلثاتی کاربرد مستقیم دارد.

مثال کاربردی از کتاب: هواپیمایی در ارتفاع ۲ کیلومتر با زاویهٔ فرود ۱۳° نسبت به افق در حال نزول است. فاصلهٔ افقی تا نقطهٔ فرود از رابطهٔ tan13°0.23\tan13°\approx0.23 به دست می‌آید: 2d=0.23d8.7\frac{2}{d}=0.23 \Rightarrow d\approx8.7 کیلومتر — نمونه‌ای از این‌که تانژانت در مسائل شیب و ارتفاع، مستقیماً کاربرد فیزیکی پیدا می‌کند.

برای اثبات مقادیر ۳۰° و ۶۰°، در مثلث متساوی‌الاضلاع با ضلع ۲ ارتفاع 3\sqrt3 است، از همین‌جا sin30°=12\sin30°=\frac12 و cos30°=32\cos30°=\frac{\sqrt3}{2} به دست می‌آید؛ برای ۴۵°، در مثلث قائمِ متساوی‌الساقین با ساق ۱، وتر 2\sqrt2 می‌شود و sin45°=cos45°=22\sin45°=\cos45°=\frac{\sqrt2}{2}.

زوایای متمم و منعکس

علاوه بر زوایای مکمل، دو دستهٔ دیگر هم در حل سریع مسائل به کار می‌آیند. زوایای متمم (مجموع 180°180°):

sin(180°α)=sinαcos(180°α)=cosα\sin(180°-\alpha)=\sin\alpha \qquad \cos(180°-\alpha)=-\cos\alpha

و زوایای منعکس (180°+α180°+\alpha):

sin(180°+α)=sinαcos(180°+α)=cosα\sin(180°+\alpha)=-\sin\alpha \qquad \cos(180°+\alpha)=-\cos\alpha

نکتهٔ کاربردی: چون tan\tan دورهٔ تناوب 180°180° دارد، tan(180°+α)=tanα\tan(180°+\alpha)=\tan\alpha — یعنی زاویهٔ منعکس، تانژانت را عوض نمی‌کند، برخلاف sin و cos.

نابرابری کمکی (فراتر از کتاب): برای 0<θ<π20<\theta<\frac{\pi}{2} برحسب رادیان: sinθ<θ<tanθ\sin\theta<\theta<\tan\theta، رابطه‌ای که در مباحث حد و تقریب زاویه‌های کوچک به کار می‌رود.

نمونه تست

پاسخنامه‌ی تحلیلی سه‌بخشی برای هر سؤال

  • چرا گزینه‌ی درست، درست است
  • چرا هر گزینه‌ی دیگر غلط است
  • تله‌ی تستی‌ای که باید بشناسی

1. نقطهٔ متناظر با زاویهٔ 180180^\circ روی دایرهٔ مثلثاتی کدام است؟

  • (0,1)(0,1)
  • (1,0)(-1,0)
  • (0,1)(0,-1)
  • (1,0)(1,0)

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«(1,0)(-1,0)» درست است. از نقطهٔ شروع (1,0)(1,0) اگر 180180^\circ خلاف جهت عقربه‌های ساعت بچرخیم، به سمت چپ محور xx می‌رسیم. پس مختصات نقطه برابر (1,0)(-1,0) است. تلهٔ تستی: مؤلفهٔ xx نقطهٔ متناظر با cosθ\cos\theta و مؤلفهٔ yy با sinθ\sin\theta متناظر است؛ جابه‌جاییِ این دو، یک ربع را با ربعِ همسایه‌اش اشتباه می‌کند.

2. اگر sinθ=513\sin\theta=\dfrac{5}{13} و θ\theta در ربع دوم باشد، cosθ\cos\theta کدام است؟

  • 512\dfrac{5}{12}
  • 1213\dfrac{12}{13}
  • 1213-\dfrac{12}{13}
  • 512-\dfrac{5}{12}

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«1213-\dfrac{12}{13}» درست است. از اتحاد sin2θ+cos2θ=1\sin^2\theta+\cos^2\theta=1 داریم cos2θ=125169=144169\cos^2\theta=1-\dfrac{25}{169}=\dfrac{144}{169}، پس cosθ=±1213\cos\theta=\pm\dfrac{12}{13}. چون زاویه در ربع دوم است، کسینوس منفی می‌شود؛ پس cosθ=1213\cos\theta=-\dfrac{12}{13}. تلهٔ تستی: علامتِ نسبت‌هایِ مثلثاتی فقط با قاعدهٔ ASTC (ربعِ اول همه، دوم فقط sin\sin، سوم فقط tan\tan، چهارم فقط cos\cos) تعیین می‌شود؛ حدس‌زدنِ علامت بدونِ مراجعه به این قاعده رایج‌ترین خطاست.

3. اگر sinθ=513\sin\theta=\dfrac{5}{13} و θ\theta در ربع دوم باشد، tanθ\tan\theta برابر است با

  • 512\dfrac{5}{12}
  • 125-\dfrac{12}{5}
  • 125\dfrac{12}{5}
  • 512-\dfrac{5}{12}

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«512-\dfrac{5}{12}» درست است. در ربعِ دوم cosθ<0\cos\theta<0، پس از اتحادِ اصلی cosθ=125/169=1213\cos\theta=-\sqrt{1-25/169}=-\dfrac{12}{13}. بنابراین tanθ=sinθcosθ=5/1312/13=512\tan\theta=\dfrac{\sin\theta}{\cos\theta}=\dfrac{5/13}{-12/13}=-\dfrac{5}{12}. «512\dfrac{5}{12}» رد می‌شود چون علامتِ منفیِ cosθ\cos\theta در ربعِ دوم نادیده گرفته شده. «125-\dfrac{12}{5}» و «125\dfrac{12}{5}» رد می‌شوند چون کسر معکوس محاسبه شده. تلهٔ تستی: علامتِ نسبت‌هایِ مثلثاتی فقط با قاعدهٔ ASTC (ربعِ اول همه، دوم فقط sin\sin، سوم فقط tan\tan، چهارم فقط cos\cos) تعیین می‌شود؛ حدس‌زدنِ علامت بدونِ مراجعه به این قاعده رایج‌ترین خطاست.

4. کدام گزینه همواره برابر sec2θ\sec^2\theta است؟

  • 1+tan2θ1+\tan^2\theta
  • 1+cot2θ1+\cot^2\theta
  • sin2θ+1\sin^2\theta+1
  • 1tan2θ1-\tan^2\theta

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«1+tan2θ1+\tan^2\theta» درست است. از تقسیم اتحاد اصلی بر cos2θ\cos^2\theta نتیجه می‌گیریم tan2θ+1=sec2θ\tan^2\theta+1=\sec^2\theta. گزینهٔ 1+cot2θ1+\cot^2\theta برابر csc2θ\csc^2\theta است، نه سکانت مربع. تلهٔ تستی: فرمول‌هایِ cos2θ\cos2\theta سه شکلِ هم‌ارز دارند (cos2θsin2θ\cos^2\theta-\sin^2\theta، 12sin2θ1-2\sin^2\theta، 2cos2θ12\cos^2\theta-1)؛ انتخابِ شکلِ نامناسب با اطلاعاتِ داده‌شده باعثِ محاسباتِ اضافی یا خطا می‌شود.

5. اگر cotθ=2\cot\theta=-2 و θ\theta در ربع دوم باشد، sinθ\sin\theta کدام است؟

  • 25\dfrac{2}{\sqrt5}
  • 15-\dfrac{1}{\sqrt5}
  • 25-\dfrac{2}{\sqrt5}
  • 15\dfrac{1}{\sqrt5}

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«15\dfrac{1}{\sqrt5}» درست است. از cotθ=cosθsinθ=2\cot\theta=\dfrac{\cos\theta}{\sin\theta}=-2 می‌فهمیم قدرمطلق کسینوس دو برابر قدرمطلق سینوس است. اگر sinθ=y\sin\theta=y و cosθ=2y\cos\theta=-2y، از y2+4y2=1y^2+4y^2=1 داریم 5y2=15y^2=1، پس y=±15y=\pm\dfrac1{\sqrt5}. چون ربع دوم است، سینوس مثبت می‌شود؛ بنابراین sinθ=15\sin\theta=\dfrac1{\sqrt5}. تلهٔ تستی: علامتِ نسبت‌هایِ مثلثاتی فقط با قاعدهٔ ASTC (ربعِ اول همه، دوم فقط sin\sin، سوم فقط tan\tan، چهارم فقط cos\cos) تعیین می‌شود؛ حدس‌زدنِ علامت بدونِ مراجعه به این قاعده رایج‌ترین خطاست.

6. اگر cotθ=2\cot\theta=-2 و θ\theta در ربع دوم باشد، cosθ\cos\theta کدام است؟

  • 25\dfrac{2}{\sqrt5}
  • 15-\dfrac{1}{\sqrt5}
  • 15\dfrac{1}{\sqrt5}
  • 25-\dfrac{2}{\sqrt5}

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«25-\dfrac{2}{\sqrt5}» درست است. چون cotθ=cosθsinθ=2\cot\theta=\dfrac{\cos\theta}{\sin\theta}=-2، داریم cosθ=2sinθ\cos\theta=-2\sin\theta. با جای‌گذاری در اتحادِ اصلی: sin2θ+4sin2θ=1sinθ=15\sin^2\theta+4\sin^2\theta=1\Rightarrow\sin\theta=\dfrac{1}{\sqrt5} (مثبت، چون در ربعِ دوم sinθ>0\sin\theta>0)، پس cosθ=2×15=25\cos\theta=-2\times\dfrac{1}{\sqrt5}=-\dfrac{2}{\sqrt5}. «25\dfrac{2}{\sqrt5}» رد می‌شود چون علامتِ منفیِ ربعِ دوم نادیده گرفته شده. «15-\dfrac{1}{\sqrt5}» و «15\dfrac{1}{\sqrt5}» رد می‌شوند چون به‌جایِ cosθ\cos\theta، مقدارِ sinθ\sin\theta گرفته شده. تلهٔ تستی: از cotθ\cot\theta می‌توان مستقیماً نسبتِ cosθ=2sinθ\cos\theta=-2\sin\theta را ساخت و در اتحادِ اصلی جای‌گذاری کرد؛ نیازی به محاسبهٔ جداگانهٔ زاویه نیست.

7. اگر معادلهٔ خط y=3x+5y=-\sqrt3x+5 باشد، زاویهٔ آن با محور xx در بازهٔ 00^\circ تا 180180^\circ کدام است؟

  • 6060^\circ
  • 120120^\circ
  • 150150^\circ
  • 3030^\circ

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«120120^\circ» درست است. شیب خط m=3m=-\sqrt3 است و باید زاویه‌ای در بازهٔ 00^\circ تا 180180^\circ بیابیم که تانژانتش 3-\sqrt3 باشد. چون tan120=3\tan120^\circ=-\sqrt3، زاویهٔ مورد نظر 120120^\circ است؛ 6060^\circ تانژانت مثبت دارد. تلهٔ تستی: وقتی زاویهٔ داخلِ تابع ضریبی مثلِ 22 یا 33 دارد، بازهٔ آن زاویه هم به همان نسبت گسترش می‌یابد (مثلاً [0,360)[0^\circ,360^\circ) برایِ 2x2x به [0,720)[0^\circ,720^\circ) تبدیل می‌شود)؛ فراموش‌کردنِ این گسترش نیمی از جواب‌ها را حذف می‌کند.

8. اگر tanθ=3\tan\theta=-\sqrt3 و θ\theta در بازهٔ 00^\circ تا 180180^\circ باشد، θ\theta برابر است با

  • 150150^\circ
  • 3030^\circ
  • 6060^\circ
  • 120120^\circ

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«120120^\circ» درست است. در این بازه، تانژانت منفی فقط در ربع دوم است. زاویهٔ مرجع برای مقدار 3\sqrt3 برابر 6060^\circ است، پس زاویهٔ اصلی 18060=120180^\circ-60^\circ=120^\circ می‌شود. تلهٔ تستی: وقتی زاویهٔ داخلِ تابع ضریبی مثلِ 22 یا 33 دارد، بازهٔ آن زاویه هم به همان نسبت گسترش می‌یابد (مثلاً [0,360)[0^\circ,360^\circ) برایِ 2x2x به [0,720)[0^\circ,720^\circ) تبدیل می‌شود)؛ فراموش‌کردنِ این گسترش نیمی از جواب‌ها را حذف می‌کند.

9. اگر sin75\sin75^\circ را با فرمول جمع زوایا محاسبه کنیم، کدام گزینه درست است؟

  • 6+24\dfrac{\sqrt6+\sqrt2}{4}
  • 3+12\dfrac{\sqrt3+1}{2}
  • 312\dfrac{\sqrt3-1}{2}
  • 624\dfrac{\sqrt6-\sqrt2}{4}

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«6+24\dfrac{\sqrt6+\sqrt2}{4}» درست است. داریم sin75=sin(45+30)=sin45cos30+cos45sin30\sin75^\circ=\sin(45^\circ+30^\circ)=\sin45^\circ\cos30^\circ+\cos45^\circ\sin30^\circ. با جایگذاری مقادیر خاص به 2232+2212=6+24\dfrac{\sqrt2}{2}\cdot\dfrac{\sqrt3}{2}+\dfrac{\sqrt2}{2}\cdot\dfrac12=\dfrac{\sqrt6+\sqrt2}{4} می‌رسیم. تلهٔ تستی: در فرمولِ sin(α+β)\sin(\alpha+\beta) علامتِ بینِ دو جمله همیشه مثبت است، اما در cos(α+β)\cos(\alpha+\beta) همیشه منفی؛ خلطِ این دو فرمول با هم رایج‌ترین خطاست.

10. کدام گزینه برابر cos15\cos15^\circ است؟

  • 32\dfrac{\sqrt3}{2}
  • 22\dfrac{\sqrt2}{2}
  • 624\dfrac{\sqrt6-\sqrt2}{4}
  • 6+24\dfrac{\sqrt6+\sqrt2}{4}

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«6+24\dfrac{\sqrt6+\sqrt2}{4}» درست است. با استفاده از فرمول تفاضل کسینوس داریم cos15=cos(4530)=cos45cos30+sin45sin30=6+24\cos15^\circ=\cos(45^\circ-30^\circ)=\cos45^\circ\cos30^\circ+\sin45^\circ\sin30^\circ=\dfrac{\sqrt6+\sqrt2}{4}. تلهٔ تستی: در فرمولِ sin(α+β)\sin(\alpha+\beta) علامتِ بینِ دو جمله همیشه مثبت است، اما در cos(α+β)\cos(\alpha+\beta) همیشه منفی؛ خلطِ این دو فرمول با هم رایج‌ترین خطاست.

مباحث مرتبط

ادامه‌ی این مبحث رو ببین

با ثبت‌نام رایگان، به بانک کامل سؤال، شبیه‌ساز کنکور و تحلیل پیشرفت دسترسی داری

ثبت‌نام رایگان