4.8 Trigonometriske funksjonar og grafar
Grafar til sin, cos og tan, transformasjonar og modellering av periodiske fenomen.
Introduksjon til trigonometriske funksjonar
Trigonometriske funksjonar er sentrale i matematikk og har mange bruksområde i fysikk, teknikk og andre fagfelt. Dei er spesielt nyttige for å skildre periodiske fenomen - altså fenomen som gjentek seg med jamne mellomrom.
Døme på periodiske fenomen:
- Tidvatn (flo og fjøre)
- Temperatursvingingar gjennom året
- Lydbølgjer og musikalske tonar
- Vekselstraum i elektriske kretsar
- Pendelrørsle
I dette kapitlet skal vi studere grafane til sinusfunksjonen, cosinusfunksjonen og tangensfunksjonen, og lære korleis vi kan transformere desse for å modellere verkelege fenomen.
Grafen til
Sinusfunksjonen er definert for alle reelle tal . Når vi teiknar grafen, måler vi i radianar.
Viktige eigenskapar ved :
- Definisjonsmengd: (alle reelle tal)
- Verdimengd:
- Periode: (grafen gjentek seg for kvar )
- Nullpunkt: der
- Maksimum: når
- Minimum: når eller
- Symmetri: Odde funksjon,
Gjør dette i GeoGebra
Grafen til sin(x)
Skriv inn én linje om gangen i inntastingsfeltet:
f(x) = sin(x)
Med språket satt til norsk forstår GeoGebra kommandonavnene både på norsk og engelsk.
Bruk grafen til til å bestemme:
a)
b)
c)
d)
e)
Vi les av verdiane frå einingssirkelen eller grafen:
a)
b) (maksimumspunkt)
c) (nullpunkt)
d) (minimumspunkt)
e) (vi er tilbake der vi starta)
Merk at fordi sinusfunksjonen har periode .
Svar: a) b) c) d) e)
Grafen til
Cosinusfunksjonen har mange av dei same eigenskapane som sinusfunksjonen.
Viktige eigenskapar ved :
- Definisjonsmengd:
- Verdimengd:
- Periode:
- Nullpunkt: der
- Maksimum: når
- Minimum: når
- Symmetri: Like funksjon,
Samanhengen mellom sinus og cosinus:
Dette tyder at cosinusgrafen er sinusgrafen forskyvd til venstre.
Gjør dette i GeoGebra
Samanlikning av sin(x) og cos(x)
Skriv inn én linje om gangen i inntastingsfeltet:
f(x) = sin(x) g(x) = cos(x)
Med språket satt til norsk forstår GeoGebra kommandonavnene både på norsk og engelsk.
Vis at for alle . Kontroller samanhengen for , og .
Addisjonsformelen for sinus gir
Dermed er for alle .
Kontroll:
- : og
- : og
- : og
Grafen til cosinus er altså grafen til sinus forskoven mot venstre.
Grafen til
Tangensfunksjonen er definert som:
Viktige eigenskapar ved :
- Definisjonsmengd:
(Alle unnateke der )
- Verdimengd: (alle reelle tal)
- Periode: (halv periode samanlikna med sinus og cosinus)
- Nullpunkt: der
- Vertikale asymptotar:
- Symmetri: Odde funksjon,
Gjør dette i GeoGebra
Grafen til tan(x)
Skriv inn én linje om gangen i inntastingsfeltet:
f(x) = tan(x)
Med språket satt til norsk forstår GeoGebra kommandonavnene både på norsk og engelsk.
a) Forklar kvifor ikkje er definert for .
b) Rekn ut , og .
c) Kva skjer med når ?
a)
Divisjon med null er ikkje definert, så har ein vertikal asymptote ved .
b) Utrekningar:
-
-
-
c) Når (frå venstre):
-
- (nærmar seg 0 frå positive verdiar)
- Derfor
Grafen går mot uendeleg når vi nærmar oss asymptoten frå venstre.
Amplitude, periode og den generelle forma
For å modellere periodiske fenomen bruker vi ofte funksjonar på forma:
eller tilsvarande med cosinus.
Tydinga til parametrane:
| Parameter | Namn | Effekt |
|---|---|---|
| Amplitude | Bestemmer høgda på svingingane | |
| Frekvensparameter | Påverkar perioden: | |
| Faseforskyving | Horisontalt skift: einingar | |
| Vertikalt skift | Flyttar heile grafen opp/ned |
Amplituden gjev avstanden frå likevektslinja () til maksimums- eller minimumsverdiane.
- Maksverdi:
- Minverdi:
Perioden er den minste positive verdien slik at for alle .
Bestem amplitude og periode for følgjande funksjonar:
a)
b)
c)
a)
- Amplitude:
- Periode:
b)
- Amplitude:
- Periode:
c)
- Amplitude:
- Periode:
Merk: Det negative forteiknet i c) speglar grafen om -aksen, men påverkar ikkje amplituden.
Svar: a) Amplitude 3, periode . b) Amplitude 2, periode . c) Amplitude 4, periode 2.
Faseforskyving
Faseforskyvinga skildrar kor mykje grafen er forskyvd horisontalt.
For kan vi skrive:
Grafen er forskyvd einingar langs -aksen:
- Viss og : Forskyvast til venstre
- Viss og : Forskyvast til høgre
Bestem faseforskyvinga for:
a)
b)
c)
a)
Her er og .
Faseforskyving:
Grafen er forskøyvd til høgre.
b)
Her er og .
Faseforskyving:
Grafen er forskøyvd til venstre.
c)
Her er og .
Faseforskyving:
Grafen er forskøyvd til høgre.
Svar: a) til høgre b) til venstre c) til høgre
Vertikalt skift
Parameteren i bestemmer det vertikale skiftet.
- Viss : Grafen flyttast opp einingar
- Viss : Grafen flyttast ned einingar
Linja blir kalla likevektslinja eller nullinja for funksjonen.
Gitt funksjonen .
Bestem:
a) Amplitude
b) Periode
c) Faseforskyving
d) Vertikalt skift
e) Maksimums- og minimumsverdiar
Vi identifiserer parametrane: , , , .
a) Amplitude:
b) Periode:
c) Faseforskyving:
Grafen er forskøyvd til høgre.
d) Vertikalt skift:
Grafen er forskøyvd 1 eining opp.
e) Maksimum og minimum:
- Maksverdi:
- Minverdi:
Svar: a) b) c) til høgre d) 1 opp e) Maksimum og minimum .
Gjør dette i GeoGebra
Utforsk transformasjonar
Skriv inn én linje om gangen i inntastingsfeltet:
A = 1 B = 1 C = 0 D = 0 f(x) = A * sin(B * x + C) + D
Med språket satt til norsk forstår GeoGebra kommandonavnene både på norsk og engelsk.
Å bestemme funksjonsuttrykket frå ein graf
Når vi skal finne funksjonsuttrykket til ein sinuslikande graf, følgjer vi desse stega:
1. Finn amplitude : Mål avstanden frå likevektslinja til toppen
2. Finn vertikal forskyving : Finn likevektslinja (midten mellom maks og min)
3. Finn perioden : Mål avstanden mellom to påfølgjande topp- eller botnpunkt
4. Rekn ut : Bruk
5. Finn faseforskyving: Sjå kvar grafen kryssar likevektslinja med positiv stiging
Ein sinuslikande graf har følgjande eigenskapar:
- Maksimumsverdi: 5
- Minimumsverdi: 1
- Periode: 4
- Grafen har eit maksimum i
Finn eit funksjonsuttrykk på forma .
Finn amplitude og vertikalt skift
Amplitude:
Vertikalt skift:
Finn frå perioden
Vi vel .
Finn faseforskyvning
Sinusfunksjonen har normalt maksimum ved .
Vår graf har maksimum ved , som stemmer!
Dette betyr (ingen ekstra faseforskyvning).
Bestem forteiknet til
Sidan grafen har eit maksimum (ikkje minimum) ved , bruker vi (positiv).
Svar:
Ein periodisk funksjon har:
- Maksimumsverdi: 10
- Minimumsverdi: 2
- Periode:
- Grafen kryssar likevektslinja med positiv stigning i
Finn funksjonsuttrykket.
Amplitude og vertikalt skift
Finn
Finn faseforskyving
For med , kryssar grafen likevektslinja med positiv stigning når , altså når .
Vi har at dette skjer ved :
Kontroll: Maksimum oppstår når , dvs. .
Då er
Svar:
Modellering med trigonometriske funksjonar
Trigonometriske funksjonar er ideelle for å modellere fenomen som svingar mellom ein maksimums- og minimumsverdi på ein jamn, periodisk måte.
Framgangsmåte for modellering:
1. Identifiser maksimums- og minimumsverdiane
2. Rekn ut amplitude og likevektsverdi
3. Finn perioden (kor lang tid tek éin full syklus?)
4. Bestem starttidspunktet (når blir maksimum/minimum/nullkryssing nådd?)
5. Vel sinus eller cosinus basert på kva som passar best
- Bruk cosinus når du veit når maksimum (eller minimum) blir nådd
- Bruk sinus når du veit når grafen kryssar likevektslinja
Til dømes: Viss temperaturen er på sitt høgaste ved , er det naturleg å bruke cosinus.
I ei hamn varierer vassdjupna mellom 2 meter (lågvatn) og 10 meter (høgvatn). Tida mellom to påfølgjande høgvatn er 12 timar. Kl. 06:00 er det høgvatn.
a) Sett opp ein funksjon som gjev vassdjupna timar etter midnatt.
b) Finn vassdjupna kl. 09:00.
c) Når er vassdjupna 8 meter for første gong etter midnatt?
a) Set opp funksjonen:
Amplitude: meter
Likevektslinje: meter
Periode: timar, så
Høgvatn ved (kl. 06:00). Cosinus har maksimum ved 0, så vi bruker:
eller:
Svar a):
b) Vassdybda kl. 09:00 ():
meter
Svar b): Vassdybda kl. 09:00 er 6 m.
c) Når er ?
eller (for )
Svar c): Første gong etter midnatt er kl. 04:00 ().
Gjennomsnittstemperaturen i ein by varierer gjennom året. Den lågaste månadlege gjennomsnittstemperaturen er i januar, og den høgaste er i juli.
a) Sett opp ein modell der er talet på månader etter 1. januar.
b) Kva er gjennomsnittstemperaturen i april?
c) I kva for månader er gjennomsnittstemperaturen over ?
a) Set opp modellen:
Amplitude:
Likevekt:
Periode: 12 månader, så
Minimum i januar () og maksimum i juli ().
Med cosinus og negativt (startar i minimum):
Svar a):
b) April ():
Svar b): Gjennomsnittstemperaturen i april er .
c) Når er ?
radianar
Svar c): Temperaturen er over frå midten av mai til midten av august (ca. til ).
der er frekvensen og er tida i sekund.
a) Skriv opp funksjonsuttrykket for kammertonen.
b) Kva er perioden til denne lydbølgja?
c) Ein oktav høgare (A5) har dobbelt så høg frekvens. Korleis endrar dette perioden?
a) Funksjonsuttrykket:
Med Hz får vi:
(der er amplituden som avheng av lydstyrken)
Svar a):
b) Perioden:
sekund millisekund
Alternativt: s
Svar b): s ms
c) A5 med Hz:
Ny periode: s ms
Perioden halverast når frekvensen doblast. Dette stemmer med formelen .
Svar c): Perioden halverast til s ms.
der er tida i sekund.
a) Kva er amplitude og periode?
b) Kva er det maksimale utslaget?
c) Finn farten og den maksimale farten.
a) Amplitude og periode:
Amplitude: cm
Periode: sekund s
Svar a): Amplitude 15 cm og periode s s.
b) Maksimalt utslag:
Maksimalt utslag er amplituden: cm (oppnåast når )
Svar b): Maksimalt utslag er 15 cm.
c) Farten:
Den maksimale farten oppnåast når :
Merk: Maksimal fart oppnåast når (i likevektsposisjonen), og farten er null når utslaget er maksimalt.
Svar c): cm/s, og den maksimale farten er 30 cm/s.
Eit pariserhjul har radius 20 meter og roterer med konstant fart. Lågaste punkt er 2 meter over bakken, og det tek 3 minutt for ein full omdreiing. Ein passasjer startar på lågaste punkt ved .
a) Sett opp ein funksjon som gjev høgda over bakken etter minutt.
b) Kor høgt er passasjeren etter 1 minutt?
c) Når er passasjeren 30 meter over bakken for første gong?
a) Set opp funksjonen:
- Lågaste punkt: 2 m (minimumsverdi)
- Høgaste punkt: m (maksimumsverdi)
- Amplitude: m
- Likevektshøgde: m
- Periode: min, så
Sidan passasjeren startar i lågaste punkt, bruker vi cosinus med negativt forteikn:
Svar a):
b) Høgde etter 1 minutt:
m
Svar b): Passasjeren er 32 m over bakken etter 1 minutt.
c) Når er m?
minutt sekund
Svar c): Første gong etter ca. minutt (ca. 57 sekund).
I Noreg har vekselstraumen i stikkontaktar ein frekvens på 50 Hz og ei effektivspenning på 230 V. Toppverdien (amplituden) til spenninga er V.
a) Skriv opp eit uttrykk for spenninga som funksjon av tida (i sekund).
b) Kva er perioden?
c) Kor mange gonger per sekund er spenninga null?
a) Spenningen:
Svar a):
b) Perioden:
sekund = 20 millisekund
Svar b): Perioden er s = 20 ms.
c) Tal på nullpunkt per sekund:
I løpet av éin periode ( s) passerer sinusfunksjonen gjennom null to gonger (éin gong på veg opp, éin gong på veg ned).
På eitt sekund har vi periodar.
Tal på nullpunkt per sekund:
Svar c): Spenningen er null 100 gonger per sekund.
I Oslo varierer daglengda gjennom året. Den lengste dagen er ca. 19 timar (sommarsolverv, ca. 21. juni) og den kortaste er ca. 6 timar (vintersolverv, ca. 21. desember).
a) Sett opp ein modell for daglengda der er dagnummer (1. januar = dag 1).
b) Kor lang er dagen 1. mai (dag 121)?
c) I kva for periode av året er daglengda over 16 timar?
a) Set opp modellen:
Amplitude: timar
Likevekt: timar
Periode: 365 dagar, så
Maksimum ved sommarsolverv, ca. dag 172 (21. juni).
Svar a):
b) 1. mai (dag 121):
timar
Svar b): Dagen 1. mai er ca. timar lang.
c) Når er ?
Svar c): Daglengda er over 16 timar frå ca. 24. april til 18. august.
Sinusregresjon i digitalt verktøy
Når vi har måledata i staden for kjende maksimums- og minimumsverdiar, lèt vi eit digitalt verktøy finne den sinusfunksjonen som passar best til punkta. I GeoGebra gjer kommandoen RegSin dette. Den gir ein modell på forma
der er amplituden, er perioden og er likevektslinjen. Verktøyet treng målingar frå minst éin heil periode for å gi ein god modell. Tala i modellen skal alltid tolkast i samanhengen: kva for storleik og kva for eining dei har.
Tabellen viser dagslengda i Oslo den 15. i kvar månad, der er 15. januar, er 15. februar, og så vidare.
| (månad) | Dagslengd (timar) |
|---|---|
| 1 | 6,7 |
| 2 | 9,1 |
| 3 | 11,7 |
| 4 | 14,5 |
| 5 | 17,0 |
| 6 | 18,8 |
| 7 | 18,1 |
| 8 | 15,7 |
| 9 | 13,0 |
| 10 | 10,3 |
| 11 | 7,6 |
| 12 | 6,0 |
a) Bruk sinusregresjon til å finne ein modell for dagslengda.
b) Tolk amplituden, perioden og likevektslinjen til modellen.
c) Bruk modellen til å finne når dagslengda er lengst, og i kva for del av året dagen er lengre enn 16 timar.
P = {(1, 6.7), (2, 9.1), (3, 11.7), (4, 14.5), (5, 17.0), (6, 18.8), (7, 18.1), (8, 15.7), (9, 13.0), (10, 10.3), (11, 7.6), (12, 6.0)}
L(x) = RegSin(P)GeoGebra gir
b) Amplituden er timar. Dagslengda svingar timar over og under gjennomsnittet, så forskjellen mellom den lengste og den kortaste dagen er om lag timar.
Perioden er månader. Det er nær 12 månader: dagslengda gjentek seg kvart år.
Likevektslinjen er . Gjennomsnittleg dagslengd over året er om lag timar.
c) Lengste dag:
Ekstremalpunkt(L, 1, 12)gir . Utan verktøy: gir .
ligg om lag ei veke etter 15. juni, altså rundt 22. juni.
Dagslengd over 16 timar:
Skjæring(L, y = 16, 1, 12)gir og .
er om lag 28. april, og er om lag 15. august.
Svar: a) . b) Dagslengda svingar timar om gjennomsnittet timar, med periode om lag 12 månader (eitt år). c) Dagen er lengst rundt 22. juni (om lag timar), og lengre enn 16 timar frå slutten av april til midten av august.
Oppgåver
Nedanfor finn du oppgåver som dekkjer heile kapitlet. Start med dei lettare oppgåvene og jobb deg oppover i vanskegrad.
Bestem amplitude og periode for kvar funksjon.
Bestem faseforskyvinga og skildre kva for retning grafen er forskyvd.
For funksjonen , bestem:
Amplitude
Periode
Faseforskyving
Vertikalt skift
Maksimums- og minimumsverdiar
Bruk GeoGebra til å teikne grafane til følgjande funksjonar i same koordinatsystem for :
-
-
-
Skildre korleis grafane til og skil seg frå grafen til .
Gjør dette i GeoGebra
Start med å skrive inn dette, én linje om gangen:
f(x) = sin(x)
Med språket satt til norsk forstår GeoGebra kommandonavnene både på norsk og engelsk.
Ein sinuslikande graf har maksimumsverdi 7, minimumsverdi 1, og periode 8. Grafen har eit maksimum ved .
Finn eit funksjonsuttrykk på forma eller .
Betrakt funksjonen .
Kva er perioden til ?
For kva for -verdiar i intervallet er ikkje definert?
Rekn ut eksakt.
I ein fjord varierer vassdjupna med tidvatnet. Den minste djupna er 4 meter og den største er 12 meter. Tida mellom to høgvatn er 12,4 timar. Høgvatn inntreff kl. 02:00.
a) Sett opp ein modell for vassdjupna timar etter midnatt.
b) Kva er vassdjupna kl. 08:00?
c) Ein båt treng minst 7 meter djupn. I kva for tidsperiodar kan båten seile?
gjev temperaturen i grader Celsius timar etter midnatt.
a) Kva er maksimums- og minimumstemperaturen?
b) Når på døgnet er temperaturen høgast?
c) Kor mange timar er temperaturen over 26°C?
der er i meter og er i sekund.
a) Kva er amplitude og periode?
b) Finn eit uttrykk for farten .
c) Finn eit uttrykk for akselerasjonen .
d) Vis at . Kva fortel dette oss?
a) Teikn grafen og beskriv forma.
b) Kva er perioden til ?
c) Samanlikn med . Korleis endrar tilleggsleddet grafen?
Gjør dette i GeoGebra
Start med å skrive inn dette, én linje om gangen:
f(x) = sin(x) + (1/3)*sin(3*x) g(x) = sin(x)
Med språket satt til norsk forstår GeoGebra kommandonavnene både på norsk og engelsk.
Månadstemperaturen i ein by er gitt i tabellen:
| Månad | °C |
|---|---|
| Jan | -8 |
| Feb | -6 |
| Mar | 0 |
| Apr | 6 |
| Mai | 12 |
| Jun | 16 |
| Jul | 18 |
| Aug | 16 |
| Sep | 11 |
| Okt | 5 |
| Nov | -1 |
| Des | -6 |
a) Finn ein sinusmodell som passar dataene, der er månadsnummer (januar = 1).
b) Bruk modellen til å anslå temperaturen i slutten av mai ().
Løys likningane for .
Gitt
a) Finn alle nullpunkt i intervallet .
b) Finn alle ekstremalpunkt (maks og min) i intervallet .
c) Teikn ei skisse av grafen.
der er trykket i mmHg og er tida i sekund.
a) Kva er systolisk trykk (maksimum) og diastolisk trykk (minimum)?
b) Kva er pulsen i slag per minutt ifølgje modellen?
c) Kor lenge varer eitt hjarteslag?
der er klokkeslettet (i timar etter midnatt) og er dagnummer.
a) Når på året er soloppgangen tidlegast, og kva er klokkeslettet?
b) Når er soloppgangen seinast?
c) Kva er gjennomsnittleg soloppgangstid?
d) Når går sola opp 1. mai (dag 121)?
der er faseforskjellen.
a) Bruk GeoGebra til å utforske for ulike verdiar av .
b) Kva skjer når ? Kva blir dette kalla?
c) Kva skjer når ? Kva blir dette kalla?
Gjør dette i GeoGebra
Start med å skrive inn dette, én linje om gangen:
phi = 0 y1(t) = sin(2*pi*t) y2(t) = sin(2*pi*t + phi) sum(t) = y1(t) + y2(t)
Med språket satt til norsk forstår GeoGebra kommandonavnene både på norsk og engelsk.
Vasstanden (i centimeter over sjøkartnull) i ei hamn vart målt kvar time frå kl. 06:00, der er tal på timar etter kl. 06:00.
| (cm) | |
|---|---|
| 0 | 125 |
| 1 | 144 |
| 2 | 149 |
| 3 | 140 |
| 4 | 120 |
| 5 | 91 |
| 6 | 65 |
| 7 | 46 |
| 8 | 33 |
| 9 | 38 |
| 10 | 59 |
| 11 | 86 |
| 12 | 114 |
| 13 | 135 |
Bruk sinusregresjon til å finne ein modell for vasstanden.
Tolk amplituden, perioden og likevektslinjen i denne samanhengen.
Bruk modellen til å finne når det blir høgvasstand neste gong etter kl. 18:00.
Oppsummering
I dette kapittelet har du lært:
- Generell sinusfunksjon: der er amplituden, er perioden, er faseforskyvinga og er likevektslinjen.
- Amplitude: Halve avstanden mellom største og minste verdi.
- Periode: Lengda av eitt fullt svingeforløp, .
- Frå graf til uttrykk: Les av likevektslinje, amplitude, periode og forskyvning for å bestemme , , og .
- Modellering: Tidvatn, temperatur, lyd, pariserhjul og daglengde kan beskrivast med sinus- og cosinusfunksjonar.
Nøkkelomgrep
| Omgrep | Forklaring |
|---|---|
| Amplitude | Halve avstanden mellom maks og min |
| Periode | |
| Faseforskyvning | Horisontal forskyvning |
| Likevektslinje | Den vassrette midtlinja |
Viktige formlar
-
- , ,
Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.