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Trigonometrische Funktionen: Bogenmaß, Einheitskreis, Graphen und Formeln

Ein Winkel von einem Radiant schneidet einen Bogen aus, der so lang ist wie der Radius, deshalb gilt π rad = 180°. Auf dem Einheitskreis hat der Punkt beim Winkel x die Koordinaten P = (cos x, sin x). Daraus folgt sin²x + cos²x = 1, und Sinus und Kosinus gelten für alle reellen Zahlen. Die Vorzeichen folgen der Merkregel „Alle, Sinus, Tangens, Kosinus“ in den Quadranten I bis IV. sin x und cos x wiederholen sich nach 2π und bleiben zwischen −1 und 1. Aus cos(A + B) = cos A cos B − sin A sin B folgen tan(A + B), cot(A + B), Summe-zu-Produkt sowie die Doppel- und Dreifachwinkelformeln.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Ein Kreis mit Radius 2. Ein grüner Bogen wächst, bis er genau so lang ist wie der Radius. Der Winkel in der Mitte ist 1 Radiant, etwa 57,3°.
  2. Jetzt nennen wir den Radius 1 Einheit: ein Einheitskreis. Punkt P liegt beim Winkel x. Sein Abstand nach rechts (blau) ist cos x, seine Höhe (rot) ist sin x. Die schräge Seite ist 1, also gilt sin²x + cos²x = 1.
  3. Wir schieben P auf 150°. Er liegt im Quadranten II: nach rechts negativ, nach oben positiv. Also ist sin positiv und cos negativ. Die Beschriftungen zeigen die Vorzeichenregel für alle vier Quadranten.
  4. P läuft immer wieder im Kreis. Seine Höhe wird nach rechts übertragen, Grad für Grad, und zeichnet die Welle y = sin x. Nach 360° wiederholt sich die Welle.
  5. Erst kommt Winkel A (grün), dann Winkel B (lila) obendrauf. P landet bei A + B. Die Anzeige prüft: cos A cos B − sin A sin B = cos(A + B).
  6. Freies Spiel: Verschiebe den Winkel x und beobachte cos x, sin x, tan x und die Formel.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Wozu brauchen wir das Bogenmaß, wenn Grad auch funktionieren?

Das Bogenmaß misst den Winkel über die Bogenlänge (l = rθ), deshalb werden Formeln und Analysis einfacher. Schritt 1 zeigt den Bogen, der so lang ist wie der Radius.

Wie kann es sin 200° geben, wenn es kein rechtwinkliges Dreieck mit 200° gibt?

Am Einheitskreis ist sin x einfach die Höhe von P. P kann bei jedem Winkel liegen, auch bei 200°, also funktioniert sin für alle x.

Wie merke ich mir, welche Verhältnisse positiv sind?

Alle Schüler trinken Kakao: Alle in I, Sinus in II, Tangens in III, Kosinus in IV. Schritt 3 zeigt die Beschriftungen.

Warum wird sin x nie größer als 1?

sin x ist die Höhe eines Punktes auf einem Kreis mit Radius 1. Höher als der obere Punkt des Kreises geht es nicht.

Warum ist sin(A + B) nicht sin A + sin B?

Probiere A = B = 30°: sin 60° ≈ 0.866, aber sin 30° + sin 30° = 1. In Schritt 5 zeigt die Anzeige, dass die echte Formel stimmt.

Wo ist tan x nicht definiert?

tan x = sin x/cos x, also bei 90°, 270°, … wo cos x = 0 ist. Schiebe im freien Spiel auf 90°: Die Anzeige lässt tan weg.

Gradmaß und Bogenmaß

Ein Radiant ist der Winkel im Mittelpunkt, bei dem der Bogen so lang ist wie der Radius (Schritt 1 im 3D). Der ganze Kreis hat den Bogen 2πr, also sind das 2π Radiant.

Definition am Einheitskreis und sin²x + cos²x = 1

Zeichne einen Kreis mit Radius 1 um den Ursprung. Drehe einen Radius um den Winkel x von der positiven x-Achse aus. Er endet in P(a, b). Wir legen fest: cos x = a und sin x = b.

Das funktioniert für jede reelle Zahl x, auch für Winkel über 360° oder negative Winkel. Dann gilt tan x = sin x / cos x (cos x ≠ 0), cot x = cos x / sin x, sec x = 1/cos x, cosec x = 1/sin x.

P hat den Abstand 1 vom Mittelpunkt, also gilt nach Pythagoras a² + b² = 1, das heißt sin²x + cos²x = 1. Teilt man durch cos²x, bekommt man 1 + tan²x = sec²x. Teilt man durch sin²x, bekommt man 1 + cot²x = cosec²x.

Vorzeichen, Definitionsbereich, Wertebereich und Graphen

Vorzeichen in den Quadranten (Schritt 3): I alle +, II sin und cosec +, III tan und cot +, IV cos und sec +.

Schritt 4 zeichnet y = sin x aus dem Kreis: Sie startet bei 0, erreicht bei π/2 den Höchstwert 1, kehrt bei π zu 0 zurück und fällt bei 3π/2 auf −1. cos x ist dieselbe Welle, um π/2 nach links verschoben.

Additionstheoreme (Summe und Differenz)

Sonderfälle: cos(π/2 − x) = sin x, sin(π/2 − x) = cos x, sin(π − x) = sin x, cos(π − x) = −cos x, sin(π + x) = −sin x, cos(2π − x) = cos x.

Idee des Beweises (in eigenen Schritten): Setze P auf den Winkel A + B und Q auf den Winkel 0. Setze dann R auf den Winkel A und S auf den Winkel −B. Die Sehne PQ und die Sehne RS gehören zum selben Winkel A + B, sind also gleich lang. Schreibe beide mit der Abstandsformel, vereinfache mit sin² + cos² = 1, und cos(A + B) kommt heraus. Die anderen Formeln folgen, indem man B durch −B oder A durch π/2 − A ersetzt.

Doppelwinkel, Dreifachwinkel und Summe zu Produkt

Doppelwinkel (setze B = A)

Dreifachwinkel

Summe zu Produkt

Und rückwärts: 2 sin x cos y = sin(x + y) + sin(x − y), 2 cos x cos y = cos(x + y) + cos(x − y), −2 sin x sin y = cos(x + y) − cos(x − y).

Probier es aus

Zu Hause: Binde einen Faden an einen Flaschendeckel und spanne ihn als Radius. Lege dann ein gleich langes Stück Faden an den Rand eines runden Tellers. Markiere den Winkel, den es in der Mitte bildet: Das ist 1 Radiant. Wie viele solche Fäden passen um den ganzen Rand? (Etwas mehr als 6, denn 2π ≈ 6,28.)

Im 3D: Stelle in Schritt 5 A = 45° und B = 30° ein und prüfe, ob die Anzeige sin 75° ≈ 0.966 ergibt. Sage im freien Spiel das Vorzeichen von cos 200° voraus, bevor du den Regler bewegst.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Rechne 40°20′ in Bogenmaß um.

40°20′ = 40⅓° = 121/3°. Bogenmaß = (121/3) × π/180 = 121π/540.

2. Rechne 6 Radiant in Grad um (π ≈ 22/7).

6 × 180/π = 1080 × 7/22 ≈ 343.64° ≈ 343°38′.

3. Ein Rad mit Radius 35 cm dreht sich um 72°. Welchen Weg legt ein Punkt am Rand zurück?

θ = 72 × π/180 = 2π/5. l = rθ = 35 × 2π/5 = 14π ≈ 44 cm.

4. Es gilt cos x = −3/5 und x liegt im Quadranten III. Bestimme die anderen fünf Verhältnisse.

sin²x = 1 − 9/25 = 16/25. In III ist sin negativ: sin x = −4/5. tan x = (−4/5)/(−3/5) = 4/3, cot x = 3/4, sec x = −5/3, cosec x = −5/4.

5. Bestimme sin 765° und cos(−1710°).

765° = 2 × 360° + 45°, also sin 765° = sin 45° = 1/√2. −1710° = −5 × 360° + 90°, also cos(−1710°) = cos 90° = 0.

6. Bestimme sin 75° (das Beispiel aus Schritt 5).

sin(45° + 30°) = sin 45° cos 30° + cos 45° sin 30° = (1/√2)(√3/2) + (1/√2)(1/2) = (√3 + 1)/(2√2) ≈ 0.966.

7. Bestimme tan 15°.

tan(45° − 30°) = (1 − 1/√3)/(1 + 1/√3) = (√3 − 1)/(√3 + 1) = (√3 − 1)²/2 = (4 − 2√3)/2 = 2 − √3.

8. Beweise (sin 5x + sin 3x)/(cos 5x + cos 3x) = tan 4x.

Zähler = 2 sin 4x cos x; Nenner = 2 cos 4x cos x (Summe zu Produkt). Quotient = sin 4x / cos 4x = tan 4x.

9. Es gilt sin x = 1/3. Bestimme sin 3x und cos 2x.

sin 3x = 3(1/3) − 4(1/27) = 1 − 4/27 = 23/27. cos 2x = 1 − 2(1/9) = 7/9.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. π/3 Radiant in Grad ist:
2. In welchem Quadranten sind sin und cos beide negativ?
3. Der Wertebereich von cos x ist:
4. cos(A − B) ist gleich:
5. cos 2x ist NICHT gleich:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Wie rechnet man Grad in Bogenmaß um?

Multipliziere die Gradzahl mit π/180. Zum Beispiel: 60° = 60π/180 = π/3.

Wie lautet die Formel für cos(A + B)?

cos(A + B) = cos A cos B − sin A sin B.

Wie lauten die Dreifachwinkelformeln?

sin 3x = 3 sin x − 4 sin³x, cos 3x = 4 cos³x − 3 cos x, tan 3x = (3 tan x − tan³x)/(1 − 3 tan²x).

Wo das unterrichtet wird

Canada (Ontario)Grade 11C. Trigonometric Functions
Canada (Ontario)Grade 11D. Trigonometric Functions
Canada (Ontario)Grade 12C. Trigonometric Functions
Canada (Ontario)Grade 12B. Trigonometric Functions
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