Sinus und Kosinus

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Dieser Artikel behandelt die mathematischen Funktionen Sinus und Kosinus; zu weiteren Bedeutungen siehe Sinus (Begriffsklärung), Kosinus (Begriffsklärung) und Cosinus (Begriffsklärung).

Sinus- und Kosinusfunktion (auch Cosinusfunktion) sind elementare mathematische Funktionen. Vor Tangens und Kotangens, Sekans und Kosekans bilden sie die wichtigsten trigonometrischen Funktionen. Sinus und Kosinus werden unter anderem in der Geometrie für Dreiecksberechnungen in der ebenen und sphärischen Trigonometrie benötigt und sind wichtig in der Analysis.

Wellen wie Schallwellen, Wasserwellen und elektromagnetische Wellen lassen sich als aus Sinus- und Kosinuswellen zusammengesetzt beschreiben, sodass die Funktionen auch in der Physik als harmonische Schwingungen allgegenwärtig sind.

Graphen der Sinusfunktion (rot) und der Kosinusfunktion (blau). Beide Funktionen sind 2π-periodisch und nehmen Werte von −1 bis 1 an.

Herkunft des Namens[Bearbeiten]

Die lateinische Bezeichnung „Sinus“ „Bogen, Krümmung, Busen“ für diesen mathematischen Begriff wählte Gerhard von Cremona 1175[1] als Übersetzung der arabischen Bezeichnung „gaib oder jiba“ (جيب) „Tasche, Kleiderfalte“, selbst entlehnt von Sanskrit „jiva“ „Bogensehne“ indischer Mathematiker.

Die Bezeichnung „Cosinus“ ergibt sich aus complementi sinus, also Sinus des Komplementärwinkels. Diese Bezeichnung wurde zuerst in den umfangreichen trigonometrischen Tabellen verwendet, die von Georg von Peuerbach und seinem Schüler Regiomontanus erstellt wurden.[2]

Geometrische Definition[Bearbeiten]

Definition am rechtwinkligen Dreieck[Bearbeiten]

Dreieck mit einem rechten Winkel in C

Alle ebenen, zueinander ähnlichen Dreiecke haben gleiche Winkel und gleiche Längenverhältnisse der Seiten.

Diese Eigenschaft wird benutzt, um Berechnungen am rechtwinkligen Dreieck durchzuführen. Sind nämlich die Längenverhältnisse im rechtwinkligen Dreieck bekannt, lassen sich die Maße von Winkeln und die Längen von Seiten berechnen. Deshalb haben die Längenverhältnisse im rechtwinkligen Dreieck auch besondere Namen.

Die Längenverhältnisse der drei Seiten im rechtwinkligen Dreieck sind nur abhängig vom Maß der beiden spitzen Winkel. Da aber das Maß eines dieser Winkel das Maß des anderen Winkels bereits festlegt (die Winkelsumme der beiden spitzen Winkel im rechtwinkligen Dreieck beträgt stets 90°), hängen die Längenverhältnisse im rechtwinkligen Dreieck nur vom Maß eines der beiden spitzen Winkel ab.

Deshalb werden die Längenverhältnisse in Abhängigkeit eines der beiden spitzen Winkel wie folgt definiert:

Der Sinus eines Winkels ist das Verhältnis der Länge der Gegenkathete (Kathete, die dem Winkel gegenüberliegt) zur Länge der Hypotenuse (Seite gegenüber dem rechten Winkel).

\mbox{Sinus eines Winkels}
= \frac{\mbox{Gegenkathete des Winkels}}{\mbox{Hypotenuse}}

Der Kosinus ist das Verhältnis der Länge der Ankathete (das ist jene Kathete, die einen Schenkel des Winkels bildet) zur Länge der Hypotenuse.

\mbox{Kosinus eines Winkels}
= \frac{\mbox{Ankathete des Winkels}}{\mbox{Hypotenuse}}

Bei den für Dreiecke üblichen Bezeichnungen der Größen (siehe Abb.) gilt hier:

\sin (\alpha) = \frac{a}{c}    und     \cos (\alpha) = \frac{b}{c}
rechtwinkliges Dreieck ABC

Da die Hypotenuse die längste Seite eines Dreiecks bezeichnet (denn sie liegt dem größten Winkel, also dem rechten Winkel, gegenüber), bestehen die Ungleichungen \sin\left(\alpha\right)\leq 1 und \cos\left(\alpha\right)\leq 1.

Wird statt von α von dem gegenüberliegenden Winkel β ausgegangen, so wechseln beide Katheten ihre Rolle, die Ankathete von α wird zur Gegenkathete von β und die Gegenkathete von α bildet nun die Ankathete von β und es gilt

\sin (\beta) = \frac{b}{c}

und

\cos (\beta) = \frac{a}{c}

Da im rechtwinkligen Dreieck \alpha + \beta = 90^\circ gilt, folgt

\cos (\alpha) = \sin(90^\circ - \alpha) = \sin(\beta)

und

\sin (\alpha) = \cos(90^\circ - \alpha) = \cos(\beta).

Auf dieser Beziehung beruht auch die Bezeichnung Kosinus als Sinus des Komplementärwinkels.

Aus dem Satz des Pythagoras lässt sich die Beziehung („trigonometrischer Pythagoras“) ableiten:

\sin^2 \left(\alpha\right) + \cos^2 \left(\alpha\right) = 1.

Im rechtwinkligen Dreieck sind Sinus und Kosinus nur für Winkel zwischen 0 und 90 Grad definiert. Für beliebige Winkel wird der Wert der Sinus-Funktion als y-Koordinate und der der Kosinus-Funktion als x-Koordinate eines Punktes am Einheitskreis (siehe unten) benutzt. Hier ist es üblich, den Wert, auf den die Funktion angewendet wird (hier: den Winkel), als Argument zu bezeichnen. Dies betrifft insbesondere die Winkelfunktionen und die komplexe Exponentialfunktion (siehe unten).

Definition am Einheitskreis[Bearbeiten]

Definition allgemein:
\overline{CP} = \sin b, \overline{SP} = \cos b
Trigonometrische Funktionen am Einheitskreis im ersten Quadranten
Entstehung der Sinus- und Kosinusfunktion aus dem Einheitskreis

Im rechtwinkligen Dreieck ist der Winkel zwischen Hypotenuse und Kathete nur für Werte von 0 bis 90 Grad definiert. Für eine allgemeine Definition wird ein Punkt P mit den Koordinaten (x,y) auf dem Einheitskreis betrachtet, hier gilt x^2+y^2=1. Der Ortsvektor von P schließt mit der x-Achse einen Winkel \alpha ein. Der Koordinatenursprung (0,0), der Punkt (x,0) auf der x-Achse und der Punkt P(x,y) bilden ein rechtwinkliges Dreieck. Die Länge der Hypotenuse beträgt \sqrt{x^2+y^2}=1. Die Ankathete des Winkels \alpha bezeichnet die Strecke zwischen (0,0) und (x,0) und hat die Länge x, es gilt also

\cos(\alpha)=x.

Die Gegenkathete des Winkels \alpha ist die Strecke zwischen (x,0) und (x,y) und hat die Länge y, es gilt also

\sin(\alpha)=y.

Daraus folgt durch den Strahlensatz die Definition des Tangens:

\tan\alpha =\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}

Dieser entspricht der Strecke von (1,0) bis (1,T) in der Zeichnung rechts.

Die y-Koordinate eines Punktes im ersten Quadranten des Einheitskreises entspricht also dem Sinus des Winkels zwischen seinem Ortsvektor und der x-Achse, während die x-Koordinate dem Kosinus des Winkels entspricht. Eine Fortsetzung ergibt eine Definition von Sinus und Kosinus für beliebige Winkel.

Für negative Winkel gilt die Beziehung

\sin(-\alpha)= -\sin(\alpha)

und

\cos(-\alpha)= \cos(\alpha),

aus der sich Sinus und Kosinus für den vierten Quadranten, also Winkel zwischen −90 und 0 Grad berechnen lassen. Der Sinus ist also eine ungerade Funktion, der Kosinus eine gerade.

Für Winkel größer 90 Grad gilt

\sin(90^\circ+\alpha)=\sin(90^\circ-\alpha)

und

\cos(90^\circ+\alpha)=-\cos(90^\circ-\alpha),

womit sich Sinus und Kosinus für den zweiten und dritten Quadranten, also Winkel zwischen 90 und 270 Grad, berechnen lassen.

Für Winkel kleiner als 90 Grad und größer als 270 Grad ergeben sich Sinus und Kosinus aus den Beziehungen

\sin(\alpha)= \sin(\alpha+360^\circ)

und

\cos(\alpha)= \cos(\alpha+360^\circ);

Sinus und Kosinus sind also periodische Funktionen mit der Periode 360 Grad. Die Entstehung der Sinus- und Kosinusfunktion aus der Winkelbewegung veranschaulicht das Bild rechts. Im Einheitskreis entspricht die Bogenlänge (grün) dem Winkel im Bogenmaß.

360^\circ\ {\hat=}\ 2 \cdot \pi

Die Strecke auf der x-Achse (ebenfalls grün) ist somit bei beiden Funktionen gleich der Bogenlänge.

Analytische Definition[Bearbeiten]

Graph der Sinusfunktion x→sinx
Graph der Kosinusfunktion x→cosx

Die geometrischen Überlegungen zum Sinus und Kosinus sind eher heuristischer Natur. Sinus und Kosinus können auch auf einer axiomatischen Basis behandelt werden; dieser formalere Zugang spielt auch in der Analysis eine Rolle. Die analytische Definition erlaubt zusätzlich die Erweiterung auf komplexe Argumente. Sinus und Kosinus als komplexwertige Funktion aufgefasst sind holomorph und surjektiv.

Motivation durch Taylorreihen[Bearbeiten]

Durch den Übergang vom Winkelmaß zum Bogenmaß können Sinus und Cosinus als Funktionen von \R nach \R erklärt werden. Es kann nachgewiesen werden, dass sie beliebig oft differenzierbar sind. Für die Ableitungen im Nullpunkt gilt:


\sin^{(4n+k)}(0)=\left\{\begin{matrix}
0 & \mbox{wenn } k=0 \\
1 & \mbox{wenn } k=1 \\
0 & \mbox{wenn } k=2 \\
-1 & \mbox{wenn } k=3 \end{matrix}\right. 
\quad\quad
\cos^{(4n+k)}(0)=\left\{\begin{matrix}
1 & \mbox{wenn } k=0 \\
0 & \mbox{wenn } k=1 \\
-1 & \mbox{wenn } k=2 \\
0 & \mbox{wenn } k=3 \end{matrix}\right.
.

Die Wahl des Bogenmaßes führt dazu, dass hier die Werte \pm 1 auftreten. Die sich daraus ergebenden Taylorreihen stellen die Funktionen \sin(x) und \cos(x) dar, das heißt:

\sin (x) = \sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!} = \frac{x}{1!}-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}\mp\dotsb
\cos (x) = \sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n}}{(2n)!} = \frac{x^0}{0!}-\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}\mp\dotsb

Reihenentwicklung in der Analysis[Bearbeiten]

In der Analysis geht man von einer Reihenentwicklung aus und leitet umgekehrt daraus alles her, indem die Funktionen sin und cos durch die oben angegebenen Potenzreihen erklärt werden. Mit dem Quotientenkriterium lässt sich zeigen, dass diese Potenzreihen für jede komplexe Zahl x absolut und in jeder beschränkten Teilmenge der komplexen Zahlen gleichmäßig konvergieren. Diese unendlichen Reihen verallgemeinern die Definition des Sinus und des Kosinus von reellen auf komplexe Argumente. Auch \pi wird dort üblicherweise nicht geometrisch, sondern beispielsweise über diese cos-Reihe und die Beziehung \cos\left(\tfrac{\pi}{2}\right)=0 als das Doppelte der kleinsten positiven Nullstelle der Kosinusfunktion definiert. Damit ist eine präzise analytische Definition von \pi gegeben.

Für kleine Werte zeigen diese Reihen ein sehr gutes Konvergenzverhalten. Zur numerischen Berechnung lassen sich daher die Periodizität und Symmetrie der Funktionen ausnutzen und den x-Wert bis auf den Bereich -\pi/4 bis \pi/4 reduzieren. Danach sind für eine geforderte Genauigkeit nur noch wenige Glieder der Reihe zu berechnen. Das Taylorpolynom der Kosinusfunktion bis zur vierten Potenz z. B. hat im Intervall [-\pi/4, \pi/4] einen relativen Fehler von unter 0,05 %. Im Artikel Taylor-Formel sind einige dieser so genannten Taylorpolynome grafisch dargestellt und eine Näherungsformel mit Genauigkeitsangabe angegeben. Zu beachten ist allerdings, dass die Teilsummen der Taylorpolynome nicht die bestmögliche numerische Approximation darstellen; beispielsweise in Abramowitz-Stegun finden sich Näherungspolynome mit noch kleinerem Approximationsfehler.[3]

Beziehung zur Exponentialfunktion[Bearbeiten]

Die trigonometrischen Funktionen sind eng mit der Exponentialfunktion verbunden, wie folgende Rechnung zeigt:

\begin{align}
\mathrm{e}^{\mathrm{i}x}
&= \sum^{\infty}_{k=0}\frac{(\mathrm{i}x)^k}{k!}
= \sum^{\infty}_{l=0}\frac{(\mathrm{i}x)^{2l}}{(2l)!}
+ \sum^{\infty}_{l=0}\frac{(\mathrm{i}x)^{2l+1}}{(2l+1)!}\\

&=\underbrace{\sum^{\infty}_{l=0}(-1)^l \frac{x^{2l}}{(2l)!}}_{\cos x}
+ \mathrm{i} \underbrace{\sum^{\infty}_{l=0} (-1)^l \frac{x^{2l+1}}{(2l+1)!}}_{\sin x}\\
&= \cos x + \mathrm{i} \sin x
\end{align}

Dabei wurde verwendet \mathrm{i}^{2l} = (\mathrm{i}^2)^l = (-1)^l\, sowie \mathrm{i}^{2l+1}= \mathrm{i}\cdot \mathrm{i}^{2l} = \mathrm{i}(-1)^l

Beziehung zwischen Sinus, Kosinus und Exponentialfunktion

Somit ergibt sich die sogenannte Eulerformel

\mathrm{e}^{\mathrm{i} x} \,=\, \cos x + \mathrm{i}\cdot \sin x.

Für eine reelle Zahl x ist also  \cos\left(x \right) der Realteil und  \sin\left(x \right) der Imaginärteil der komplexen Zahl \mathrm{e}^{\mathrm{i}\,x}.

Durch Ersetzung von x durch -x ergibt sich:

\mathrm{e}^{-\mathrm{i} x} \,=\, \cos x - \mathrm{i}\cdot \sin x.

Diese und die vorangegangenen Gleichungen lassen sich nach den trigonometrischen Funktionen auflösen. Es folgt:

\sin x = {1 \over 2\mathrm{i}} \left(\mathrm{e}^{\mathrm{i}x} - \mathrm{e}^{-\mathrm{i}x} \right)

und

\cos x = {1 \over 2} \left(\mathrm{e}^{\mathrm{i}x} + \mathrm{e}^{-\mathrm{i}x} \right)

Diese Gleichung gilt nicht nur für reelle Argumente, sondern für beliebige komplexe Zahlen. Tatsächlich wurde an keiner Stelle der Herleitung verwendet, dass x eine reelle Zahl ist. Somit ergibt sich eine alternative Definition für die Sinus- und Kosinusfunktion. Durch Einsetzen der Exponentialreihe, leiten sich die folgenden oben vorgestellten Potenzreihen ab.

Ausgehend von dieser Definition lassen sich sehr leicht viele Eigenschaften, wie zum Beispiel die Additionstheoreme des Sinus und Kosinus, nachweisen.

Definition über analytische Berechnung der Bogenlänge[Bearbeiten]

Die Definition des Sinus und Kosinus als Potenzreihe liefert einen sehr bequemen Zugang, da die Differenzierbarkeit durch die Definition als konvergente Potenzreihe automatisch gegeben ist. Die Eulerformel ist ebenfalls eine einfache Konsequenz aus den Reihendefinitionen, da sich die Reihen für \cos\, und i\,\sin ganz offenbar zur Exponentialfunktion zusammenfügen, wie oben gezeigt wurde. Durch Betrachtung der Funktion x\mapsto e^{i x}, die das Intervall [0,2\pi] auf die Kreislinie abbildet, ergibt sich die Beziehung zur Geometrie, denn \cos(x) und \sin(x) sind nichts weiter als der Real- bzw. Imaginärteil von e^{ix}, das heißt die Projektion dieses Punktes auf die Koordinatenachsen.

Neben x\mapsto e^{ix} gibt es auch andere sinnvolle Parametrisierungen des Einheitskreises, etwa

\gamma(t) = \left(\frac{1-t^2}{1+t^2},\frac{2t}{1+t^2}\right),\quad -\infty<t<\infty.

Geht man von dieser Formel aus, erhält man einen alternativen Zugang. Die Länge dieser Kurve wird auch als Bogenlänge bezeichnet und berechnet sich als

s(t) = \int_0^t |\dot\gamma(\tau)|\,\mathrm d\tau
=\int_0^t\frac{2\,\mathrm d\tau}{\tau^2+1}.

Wie leicht zu zeigen ist, ist s(t)\! ungerade, stetig, streng monoton wachsend und beschränkt. Da die gesamte Bogenlänge dem Kreisumfang entspricht, folgt, dass das Supremum von s(t)\! gleich \pi\! ist; \pi\! wird bei dieser Vorgangsweise analytisch als Supremum von s(t)\! definiert.

Die Funktion

s(t)\colon\mathbb R\to(-\pi,\pi)

ist auch differenzierbar:

\frac{\mathrm d s}{\mathrm d t} = \frac{2}{1+t^2}.

Weil sie stetig und streng monoton wachsend ist, ist sie auch invertierbar, und für die Umkehrfunktion

t(s)\colon(-\pi,\pi) \to \mathbb R

gilt

\frac{\mathrm d t}{\mathrm d s} = \frac{1+t^2(s)}{2}.

Mit Hilfe dieser Umkehrfunktion t(s)\! lassen sich nun Sinus und Kosinus als y\!- und x\!-Komponente von \gamma\! analytisch definieren:

\sin s := \frac{2t(s)}{1+t^2(s)}

sowie

\cos s := \frac{1-t^2(s)}{1+t^2(s)}.

Bei dieser Definition des Sinus und Kosinus über die analytische Berechnung der Bogenlänge werden die geometrischen Begriffe sauber formalisiert. Sie hat allerdings den Nachteil, dass im didaktischen Aufbau der Analysis der Begriff der Bogenlänge erst sehr spät formal eingeführt wird und daher Sinus und Kosinus erst relativ spät verwendet werden können.

Definition als Lösung einer Funktionalgleichung[Bearbeiten]

Ein anderer analytischer Zugang ist, Sinus und Kosinus als Lösung einer Funktionalgleichung zu definieren, die im Wesentlichen aus den Additionstheoremen besteht: Gesucht ist ein Paar stetiger Funktionen \sin, \cos\colon\R\to\R, das für alle x,y\in\R die Gleichungen

\sin(x+y)=\sin(x)\cos(y)+\cos(x)\sin(y)\! und
\cos(x+y)=\cos(x)\cos(y)-\sin(x)\sin(y)\!

erfüllt. Die Lösung \sin\! definiert dann den Sinus, die Lösung \cos\! den Kosinus. Um Eindeutigkeit zu erreichen, sind einige Zusatzbedingungen zu erfüllen. In Heuser, Lehrbuch der Analysis, Teil 1 wird zusätzlich gefordert, dass

\sin(x)\! eine ungerade Funktion,
\cos(x)\! eine gerade Funktion,
\lim_{x\to 0}\frac{\sin(x)}{x}=1 und
\cos(0)=1\!

ist. Bei diesem Zugang wird offensichtlich die Differenzierbarkeit des Sinus in 0 vorausgesetzt; \pi\! wird in weiterer Folge analytisch als das doppelte der kleinsten positiven Nullstelle des Kosinus definiert. Verwendet man den Zugang von Leopold Vietoris[4] und berechnet die Ableitung des Sinus aus den Additionstheoremen, so ist es zweckmäßiger, \pi\! auf geeignete Weise analytisch (beispielsweise als Hälfte des Grenzwerts des Umfangs des dem Einheitskreis eingeschriebenen 2^n\!-Ecks) zu definieren und dann die Differenzierbarkeit der Lösung dieser Funktionalgleichung zu beweisen. Als Zusatzbedingung zu den Additionstheoremen fordert man dann beispielsweise

\sin\left(\frac{\pi}{2}\right)=1,
\cos\left(\frac{\pi}{2}\right)=0, und
\cos\left(\frac{\pi}{2n}\right)\ne 0 für alle n\in\N\backslash\lbrace 1 \rbrace.

Unter den gewählten Voraussetzungen ist die Eindeutigkeit der Lösung der Funktionalgleichung relativ einfach zu zeigen; die geometrisch definierten Funktionen Sinus und Kosinus lösen auch die Funktionalgleichung. Die Existenz einer Lösung lässt sich analytisch beispielsweise durch die Taylorreihen von Sinus und Kosinus oder eine andere der oben verwendeten analytischen Darstellungen von Sinus und Kosinus die Funktionalgleichung nachweisen und tatsächlich lösen.

Produktentwicklung[Bearbeiten]

 \sin(x) = x \prod_{k=1}^\infty \left( 1 - \frac{x^2}{k^2\pi^2} \right)

 \cos(x) = \prod_{k=1}^\infty \left( 1 - \frac{4x^2}{(2k-1)^2\pi^2} \right)

x\; ist dabei im Bogenmaß anzugeben.

Wertebereich und spezielle Funktionswerte[Bearbeiten]

Zusammenhang zwischen Sinus und Kosinus[Bearbeiten]

\sin(\alpha)=-\cos\left(\alpha + 90^\circ \right)=\cos\left(\alpha-90^\circ\right) (Gradmaß)
\sin(\alpha)=-\cos\left(\alpha + \pi/2 \right)=\cos\left(\alpha - \pi/2\right) (Bogenmaß)
\sin^2\left(\alpha\right)+\cos^2(\alpha)=1 („trigonometrischer Pythagoras“)

Insbesondere folgt daraus |{\sin\alpha}|\leq 1 und |{\cos\alpha}|\leq 1. Diese Ungleichungen gelten aber nur für reelle Argumente \alpha; für komplexe Argumente können Sinus und Kosinus beliebige Werte annehmen.

Verlauf des Sinus in den vier Quadranten[Bearbeiten]

In den vier Quadranten ist der Verlauf der Sinusfunktion folgendermaßen:

Quadrant Gradmaß Bogenmaß Bildmenge Monotonie Konvexität Punkttyp
0^\circ 0 0 Nullstelle, Wendepunkt
1. Quadrant 0^\circ<x<90^\circ 0<x< \pi/2 positiv: 0<\sin x<1 steigend konkav
90^\circ \pi/2 1 Maximum
2. Quadrant 90^\circ<x<180^\circ \pi/2<x<\pi positiv: 0<\sin x<1 fallend konkav
180^\circ \pi 0 Nullstelle, Wendepunkt
3. Quadrant 180^\circ<x<270^\circ \pi<x<3\pi/2 negativ:-1<\sin x<0 fallend konvex
270^\circ 3\pi/2 -1 Minimum
4. Quadrant 270^\circ<x<360^\circ 3\pi/2<x<2\pi negativ: -1<\sin x<0 steigend konvex

Für Argumente außerhalb dieses Bereiches ergibt sich der Wert des Sinus daraus, dass der Sinus periodisch mit der Periode 360° (bzw. 2π rad) ist, d. h. \sin(\alpha + 360^\circ) = \sin(\alpha). Außerdem gilt \sin(\alpha + 180^\circ) = -\sin(\alpha).

Verlauf des Kosinus in den vier Quadranten[Bearbeiten]

Der Kosinus stellt einen um 90° (bzw. π/2 rad) phasenverschobenen Sinus dar und es gilt \cos(\alpha)=\sin(\alpha+90^\circ).

In den vier Quadranten ist der Verlauf der Kosinusfunktion daher folgendermaßen:

Quadrant Gradmaß Bogenmaß Bildmenge Monotonie Konvexität Punkttyp
0^\circ 0 1 Maximum
1. Quadrant 0^\circ<x<90^\circ 0<x<\pi/2 positiv: 0<\cos x<1 fallend konkav
90^\circ \pi/2 0 Nullstelle, Wendepunkt
2. Quadrant 90^\circ<x<180^\circ \pi/2<x<\pi negativ: -1<\cos x<0 fallend konvex
180^\circ \pi -1 Minimum
3. Quadrant 180^\circ<x<270^\circ \pi<x<3\pi/2 negativ: -1<\cos x<0 steigend konvex
270^\circ 3\pi/2 0 Nullstelle, Wendepunkt
4. Quadrant 270^\circ<x<360^\circ 3\pi/2<x<2\pi positiv: 0<\cos x<1 steigend konkav

Für Argumente außerhalb dieses Bereiches lässt sich der Wert des Kosinus – so wie der des Sinus – periodisch mit der Periode 360° (bzw. 2π rad) bestimmen, d. h. \cos(\alpha + 360^\circ) = \cos(\alpha). Außerdem gilt \cos(\alpha + 180^\circ) = -\cos(\alpha).

Komplexes Argument[Bearbeiten]

Graph der komplexen Sinusfunktion
Graph der komplexen Kosinusfunktion
Farbfunktion

Für komplexe Argumente z=x+\mathrm{i}\cdot{y} gilt

\sin\left(z\right)=\sin\left(x+\mathrm{i}\cdot{y}\right)=\sin\left(x\right)\cosh\left(y\right)+\mathrm{i}\cos\left(x\right)\sinh\left(y\right)

und

\cos\left(z\right)=\cos\left(x+\mathrm{i}\cdot{y}\right)=\cos\left(x\right)\cosh\left(y\right)-\mathrm{i}\sin\left(x\right)\sinh\left(y\right),

wie aus den Additionstheoremen und den Zusammenhängen \sin\left(\mathrm{i}\cdot{y}\right)=\mathrm{i}\cdot{\sinh\left(y\right)} sowie \cos\left(\mathrm{i}\cdot{y}\right)=\cosh\left(y\right) mit den Hyperbelfunktionen ersichtlich ist.

Während der reelle Sinus (Kosinus) stets auf Werte aus dem Intervall [-1, 1] beschränkt ist, können Sinus und Kosinus für komplexe Argumente beliebige reelle oder komplexe Werte annehmen.

Zum Beispiel ist

\cos\left(\mathrm{i}\right)=\cosh\left(1\right)=\frac{e^1+e^{-1}}{2}\approx 1{,}54.

Für reelle x nimmt \cos(x) diesen Wert aber nie an.

In den Bildern auf der rechten Seite gibt die Farbe den Winkel des Arguments an, die Farbintensität den Betrag, wobei volle Intensität für kleine Werte steht und bei großen Beträgen ein Übergang zu weiß stattfindet. Die genaue Zuordnung ergibt sich aus nebenstehendem Bild, das jeder komplexen Zahl eine Farbe und eine Intensität zuordnet. An den Bildern zu Sinus und Kosinus ist erkennbar, dass auch im Komplexen Periodizität in x-Richtung vorliegt (nicht aber in y-Richtung) und dass Sinus und Kosinus durch eine Verschiebung um \pi/2 auseinander hervorgehen.

Wichtige Funktionswerte[Bearbeiten]

Da Sinus und Kosinus periodische Funktionen mit der Periode 2 \pi (entspricht im Gradmaß 360^\circ) sind, reicht es, die Funktionswerte der beiden trigonometrischen Funktionen für den Bereich [0,2\pi] (entspricht dem Bereich 0^\circ bis 360^\circ) zu kennen. Funktionswerte außerhalb dieses Bereichs können also aufgrund der Periodizität durch den Zusammenhang

\sin(x) = \sin(x + 2k \pi)\quad \text{und}\quad \cos(x) = \cos(x + 2k \pi)

bestimmt werden. In Gradmaß lautet der Zusammenhang analog

\sin(x) = \sin(x + k \cdot 360^\circ)\quad \text{und}\quad \cos(x) = \cos(x + k \cdot 360^\circ)\,.

Hierbei bezeichnet k \in \Z eine ganze Zahl. Die folgende Tabelle listet die wichtigsten Funktionswerte der beiden trigonometrischen Funktionen auf. Weitere Funktionswerte können auf einer im Abschnitt Weblinks aufgeführten Seite gefunden werden.

Winkel \alpha (Grad) 0^\circ 30^\circ 45^\circ 60^\circ 90^\circ 180^\circ 270^\circ 360^\circ
Bogenmaß 0 \frac{\pi}{6} \frac{\pi}{4} \frac{\pi}{3} \frac{\pi}{2} \pi \frac{3\pi}{2} 2\pi
Sinus \frac12\sqrt0 = 0 \frac12\sqrt1 = \frac12 \frac12\sqrt2=\frac{1}{\sqrt2} \frac12\sqrt3 \frac12\sqrt4 = 1  0 -1 0
Kosinus \frac12\sqrt4 = 1 \frac12\sqrt3 \frac12\sqrt2=\frac{1}{\sqrt2} \frac12\sqrt1 = \frac12 \frac12\sqrt0 = 0 -1  0  1

Weitere mit Quadratwurzeln angebbare Funktionswerte[Bearbeiten]

Über die Berechnung der fünften Einheitswurzeln mittels einer quadratischen Gleichung ergibt sich

\sin(18^\circ)=\cos(72^\circ)=\frac{\sqrt{5}-1}{4}.

Mit Hilfe der Additionstheoreme lassen sich viele weitere solche Ausdrücke berechnen wie beispielsweise die Seitenlänge eines regulären Fünfecks über

\cos(54^\circ)=\sin(2\cdot18^\circ)=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{5-\sqrt{5}}{2}}

und \sin(15^\circ), woraus folgt

\frac{\sqrt{3}}{2}=\cos(30^\circ)=\cos^2(15^\circ)-\sin^2(15^\circ)=1-2\sin^2(15^\circ).

Aus \sin(18^\circ) und \sin(15^\circ) lassen sich dann z. B. \sin(3^\circ) und dann rekursiv auch alle \sin(k \cdot 3^\circ), k\in\Z\; ermitteln.

Generell gilt, dass \sin\alpha\; und \cos\alpha\; genau dann explizit mit den vier Grundrechenarten und Quadratwurzeln darstellbar sind, wenn der Winkel \alpha\; mit Zirkel und Lineal konstruierbar ist, insbesondere also wenn \alpha\; von der Gestalt

\alpha=k\frac{360^\circ}{2^np_1\dots p_r}

ist, wobei k\in\Z\;, n\in\N_0\; und die p_i\; für i=1,\dots,r\; Fermatsche Primzahlen sind.[5] In obigem Beispiel von \alpha=3^\circ ist k=1\; und der Nenner gleich 120=2^3\cdot 3\cdot 5.

Berechnung[Bearbeiten]

Zur Berechnung von Sinus und Cosinus gibt es mehrere Verfahren. Die Wahl des Berechnungsverfahrens richtet sich nach Kriterien wie Genauigkeit, Geschwindigkeit der Berechnung und Leistungsfähigkeit der verwendeten Hardware wie zum Beispiel Mikrocontroller:

Die Tabellierung aller Werte ist angezeigt bei geschwindigkeitskritischen Echtzeitsystemen, wenn diese nur eine recht kleine Winkelauflösung benötigen. CORDIC ist i.d.R. effizienter umsetzbar als die Taylor-Reihe und zudem besser konditioniert.

Umkehrfunktion[Bearbeiten]

Hauptartikel: Arkussinus und Arkuskosinus

Da sich zu einem gegebenen Wert \sin\alpha\in [-1,1] ein passender Winkel im ersten oder vierten Quadranten und zu einem gegebenen Wert \cos\alpha\in [-1,1] ein passender Winkel im ersten oder zweiten Quadranten konstruieren lässt, folgt aus diesen geometrischen Überlegungen, dass die Funktionen

\begin{align}
\sin \colon &[-90^\circ, 90^\circ]&\to[-1,1]\\
\cos \colon &[0^\circ, 180^\circ]&\to[-1,1]
\end{align}

Umkehrfunktionen besitzen. Die Umkehrfunktionen

\begin{align}
\arcsin\colon [-1,1] &\to [-90^\circ, 90^\circ] \\
\arccos\colon [-1,1] &\to [0^\circ, 180^\circ]
\end{align}

werden Arkussinus bzw. Arkuskosinus genannt. Der Name rührt daher, dass sich deren Wert nicht nur als Winkel, sondern auch als Länge eines Kreisbogens (Arcus bedeutet Bogen) interpretieren lässt.

In der Analysis ist die Verwendung des Bogenmaßes erforderlich, da die Winkelfunktionen dort für das Bogenmaß definiert sind. Die Sinusfunktion

\sin\colon [-\tfrac{\pi}{2}, \tfrac{\pi}{2}]\to[-1,1]

und die Kosinusfunktion

\cos\colon [0, \pi]\to[-1,1]

sind auf den angegebenen Definitionsbereichen streng monoton, surjektiv und daher invertierbar. Die Umkehrfunktionen sind

\begin{align}
\arcsin\colon [-1,1] &\to \left[-\tfrac{\pi}{2}, \tfrac{\pi}{2} \right] \\
\arccos\colon [-1,1] &\to \left[0, \pi \right]
\end{align}

Eine andere Interpretation des Wertes als doppelter Flächeninhalt des dazugehörigen Kreissektors am Einheitskreis ist ebenfalls möglich; diese Interpretation ist insbesondere für die Analogie zwischen Kreis- und Hyperbelfunktionen nützlich.

Zusammenhang mit dem Skalarprodukt[Bearbeiten]

Der Kosinus steht in enger Beziehung mit dem Standardskalarprodukt zweier Vektoren \vec{a}=\left( a_1, a_2, \dots, a_n \right) und \vec{b}=\left( b_1, b_2, \dots, b_n \right):

\vec{a}\cdot \vec{b} = |\vec{a} | \, | \vec{b} | \, \cos \measuredangle (\vec{a},\vec{b})= {a_1}{b_1}+{a_2}{b_2}+\dots + {a_n}{b_n}

das Skalarprodukt ist also die Länge der Vektoren multipliziert mit dem Kosinus des eingeschlossenen Winkels. In endlichdimensionalen Räumen lässt sich diese Beziehung aus dem Kosinussatz ableiten. In abstrakten Skalarprodukträumen wird über diese Beziehung der Winkel zwischen Vektoren definiert.

Zusammenhang mit dem Kreuzprodukt[Bearbeiten]

Hauptartikel: Kreuzprodukt

Der Sinus steht in enger Beziehung mit dem Kreuzprodukt zweier dreidimensionaler Vektoren \vec{a} und \vec{b}:

|\vec{a}\times\vec{b}|=|\vec{a}| \, | \vec{b} | \, \sin \measuredangle (\vec{a},\vec{b})

Additionstheoreme[Bearbeiten]

Die Additionstheoreme der trigonometrischen Funktionen lauten

\begin{align}
\sin\left(\alpha+\beta\right) &= \sin\alpha\cos\beta + \cos\alpha\sin\beta\\
\cos\left(\alpha+\beta\right) &= \cos\alpha\cos\beta - \sin\alpha\sin\beta\,.
\end{align}

Ableitung und Integration von Sinus und Kosinus[Bearbeiten]

Ableitung[Bearbeiten]

Wird x\; im Bogenmaß angegeben, so gilt für die Ableitung der Sinusfunktion[6]

\sin^\prime(x) = \cos(x)

Aus \cos(x)=\sin\left(\tfrac{\pi}{2}-x\right) und der Kettenregel erhält man die Ableitung des Kosinus:

\cos^\prime(x) = -\sin(x)

und daraus schließlich auch alle höheren Ableitungen von Sinus und Kosinus

\sin^{(4n+k)}(x)=\left\{\begin{matrix}
\sin (x) & \mbox{wenn } k=0 \\
\cos (x) & \mbox{wenn } k=1 \\
-\sin (x) & \mbox{wenn } k=2 \\
-\cos(x) &  \mbox{wenn } k=3 \end{matrix}\right.
\cos^{(4n+k)}(x)=\left\{\begin{matrix}
\cos (x) & \mbox{wenn } k=0 \\
-\sin (x) & \mbox{wenn } k=1 \\
-\cos (x) & \mbox{wenn } k=2 \\
\sin(x) &  \mbox{wenn } k=3 \end{matrix}\right.

Wird der Winkel \alpha in Grad gemessen, so kommt nach der Kettenregel bei jeder Ableitung ein Faktor \tfrac{\pi}{180} dazu, also beispielsweise \sin^{\prime}(\alpha)=\tfrac{\pi}{180}\cos(\alpha). Um diese störenden Faktoren zu vermeiden, wird in der Analysis der Winkel ausschließlich im Bogenmaß angegeben.

Stammfunktion[Bearbeiten]

Aus den Ergebnissen über die Ableitung ergibt sich unmittelbar die Stammfunktion von Sinus und Kosinus im Bogenmaß:

\int\sin(x)\,{\rm d}x=-\cos(x)+C
\int\cos(x)\,{\rm d}x=\sin(x)+C

Anwendungen[Bearbeiten]

Geometrische Anwendungen[Bearbeiten]

Skizze zum Beispiel

Mit der Definition des Sinus können auch im nicht rechtwinkligen Dreieck Größen, speziell die Höhen, berechnet werden; ein Beispiel ist die Berechnung von h_c im Dreieck ABC bei gegebener Länge a=5,4 und Winkel \beta=42^\circ:

\begin{align}
\frac{h_c}{a} &= \sin(\beta)\\
h_c &= a\cdot \sin(\beta)\\
h_c &= 5{,}4 \cdot \sin (42^\circ) \approx 3{,}613
\end{align}

Andere wichtige Anwendungen sind der Sinussatz und der Kosinussatz.

Fourierreihen[Bearbeiten]

Im Hilbertraum L^2 [-\pi,\pi]\! der auf dem Intervall [-\pi,\pi]\! bezüglich des Lebesgue-Maßes quadratisch integrierbaren Funktionen bilden die Funktionen

1, \cos nx, \sin nx \quad n=1,2,\dots

ein vollständiges Orthogonalsystem, das sogenannte trigonometrische System. Daher lassen sich alle Funktionen f\in L^2[-\pi,\pi] als Fourierreihe

S_n(x)=\frac{a_0}{2} + \sum_{k=1}^n (a_k\cos kx + b_k \sin kx)

darstellen, wobei die Funktionenfolge S_n(x)\! in der L2-Norm gegen f(x)\! konvergiert.

Physikalische Anwendungen[Bearbeiten]

In der Physik werden Sinus- und Kosinusfunktion zur Beschreibung von Schwingungen verwendet. Insbesondere lassen sich durch die oben erwähnten Fourierreihen beliebige periodische Signale als Summe von Sinus- und Kosinusfunktionen darstellen, siehe Fourieranalyse.

Elektrotechnische Anwendungen[Bearbeiten]

Leistungszeigerdiagramm und Phasenverschiebungswinkel bei sinusförmigen Spannungen und Strömen in der komplexen Ebene

In der Elektrotechnik sind häufig elektrische Stromstärke I und Spannung U sinusförmig. Wenn sie sich um einen Phasenverschiebungswinkel φ unterscheiden, dann unterscheidet sich die aus Stromstärke und Spannung gebildete Scheinleistung S von der Wirkleistung P.

S=U\cdot I \quad ;\quad P=U\cdot I\cdot \cos \varphi\quad.

Bei nicht sinusförmigen Größen (z. B. bei einem Netzteil mit herkömmlichem Brückengleichrichter am Eingang) entstehen Oberschwingungen, bei denen sich kein einheitlicher Phasenverschiebungswinkel angeben lässt. Dann lässt sich zwar noch ein Leistungsfaktor angeben

\text{Leistungsfaktor }\lambda = \frac{|P|}S\quad,

dieser Leistungsfaktor λ darf aber mit cos φ nicht verwechselt werden.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew: Taschenbuch der Mathematik. B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig, 19. Auflage, 1979.
  • Kurt Endl, Wolfgang Luh: Analysis I. Eine integrierte Darstellung, 7. Auflage, Aula-Verlag Wiesbaden, 1989.
  • Harro Heuser: Lehrbuch der Analysis – Teil 1, 6. Auflage, Teubner 1989.

Weblinks[Bearbeiten]

 Wikiversity: Sinus und Kosinus – Kursmaterialien, Forschungsprojekte und wissenschaftlicher Austausch

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. J. Ruska, Zur Geschichte des „Sinus“. In: Zeitschrift für Mathematik und Physik, Leipzig: Teubner, 1895
  2. Josef Laub (Hrsg.) Lehrbuch der Mathematik für die Oberstufe der allgemeinbildenden höheren Schulen. 2. Band.. Hölder-Pichler-Tempsky, 2. Auflage, Wien 1977. ISBN 3-209-00159-6, S. 207.
  3. Milton Abramowitz und Irene Stegun: Handbook of Mathematical Functions, (1964) Dover Publications, New York. ISBN 0-486-61272-4 (4.3.964.3.99)
  4. Leopold Vietoris, Vom Grenzwert \lim_{x\to 0}\tfrac{\sin x}{x}. Elemente Math. 12 (1957)
  5. Emil Artin: Galoissche Theorie. Verlag Harri Deutsch, Zürich 1973, ISBN 3-87144-167-8, S. 85.
  6. Wikibooks: Beweisarchiv: Analysis: Differentialrechnung: Differentiation der Sinusfunktion