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严格证明sin(cosx)<cos(sinx),颠覆你对三角函数的理解!

 天选小丑 2023-03-02 发布于广西

我们都学习过三角函数,但很多朋友对角度制和弧度制的理解存在误区。以正弦函数y=sinx为例,这里的自变量x可以取角度(°)也可以取弧度(rad),此时两者在本质上是一样的。

我们规定一个扇形的弧长L与半径R的比值为圆心角α°的弧度值θ(rad)。由于两个长度的比值必然为一个实数,所以弧度的本质就是一个实数。

当弧长和半径相等时,此时圆心角所对应的弧度为L:R=1(rad)。一个圆的周长为2πR,此时圆心角为360°,所以360°=2πR:R=2π(rad)。

360°=2π(rad)

180°=π(rad)≈3.14(rad)

1°=(π/180)(rad)≈(3.14/180)(rad)≈0.017(rad)

1(rad)=(180/π)°≈(180/3.14)°≈57.3°

例如sin30°=sin(π/6)=1/2

这里sin(π/6)≈sin(3.14/6)≈sin(0.52)

对于sinx,x可以取角度也可以取弧度,但是sinx的值只能代表一个实数,也就是弧度。这一点是很多朋友理解不够准确的地方,务必注意。

今天,我们来探讨一个很有趣的问题,证明sin(cosx)<cos(sinx)。

要想证明这个结论,我们首先回顾正余弦函数的基本性质。

①取值范围:sinx∈[-1,1];cosx∈[-1,1]

②单调性:sinx在[-π/2,π/2]上单调递增

③诱导公式:cosx=sin(π/2-x)=sin(π/2+x)

④两角和差公式

sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ

sin(α-β)=sinαcosβ-cosαsinβ

根据以上性质,我们就可以得到一个很重要的结论。

cosx+sinx=√2[(√2/2)cosx+(√2/2)sinx]

=√2[sin(π/4)cosx+cos(π/4)cosx]

=√2sin(π/4+x)

cosx-sinx=√2[(√2/2)cosx-(√2/2)sinx]

=√2[sin(π/4)cosx-cos(π/4)cosx]

=√2sin(π/4-x)

辅助角公式

cosx+sinx=√2sin(π/4+x)

cosx-sinx=√2sin(π/4-x)

好了,现在我们可以来解决一开始提到的问题了。

求证:sin(cosx)<cos(sinx)

证明:sinx∈[-1,1],sinx在[-π/2,π/2]上单调递增

①sinx∈[0,1]

π/2-sinx∈[π/2-1,π/2]⊆[-π/2,π/2]

cosx∈[-1,1]

注意到π/2≈3.14/2=1.57>1

cosx∈[-1,1]⊆[-π/2,π/2]

cosx+sinx=√2sin(π/4+x)≤√2

√2≈1.414<π/2

cosx+sinx≤√2<π/2

cosx<π/2-sinx

我们得出了cosx与(π/2-sinx)的取值均在区间[-π/2,π/2]内,并且cosx<π/2-sinx

根据sinx在[-π/2,π/2]上单调递增,可得

sin(cosx)<sin(π/2-sinx)=sin(cosx)

sin(cosx)<cos(sinx)

②sinx∈[-1,0]

π/2+sinx∈[π/2-1,π/2]⊆[-π/2,π/2]

cosx∈[-1,1]⊆[-π/2,π/2]

cosx-sinx=√2sin(π/4-x)≤√2<π/2

cosx<π/2+sinx

我们得出了cosx与(π/2+sinx)的取值均在区间[-π/2,π/2]内,并且cosx<π/2+sinx

根据sinx在[-π/2,π/2]上单调递增,可得

sin(cosx)<sin(π/2+sinx)=sin(cosx)

sin(cosx)<cos(sinx),证毕!

最后,我们举几个例子用计算器验证一下

sin[cos(π/4)]=0.6496…

cos[sin(π/4)]=0.7602…

sin(cos1)=0.5143…

cos(sin1)=0.6663.…

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