| Sinus | |
|---|---|
| Kosinus, drei Formen | |
| Tangens |
Lektion
Die Theorie — Doppelwinkelformeln
Die Doppelwinkelformeln drücken sin 2A, cos 2A und tan 2A durch die Funktionswerte von A aus; rückwärts gelesen liefern sie die Halbwinkelformeln.
Woher die Formel kommt
- Setze B = A in die Additionstheoreme ein. Beim Sinus stimmen beide Produkte überein, beim Kosinus entsteht eine Differenz von Quadraten.
- Tausche ein Quadrat gegen das andere über sin²A + cos²A = 1. So erhältst du zwei weitere Formen für cos 2A – eine rein im Kosinus, eine rein im Sinus.
- Teile für den Tangens. Zähler und Nenner durch cos²A zu teilen verlangt cos A ≠ 0. Für tan²A = 1 ist das Ergebnis nicht definiert – genau dort wird auch cos 2A = 0.
- Lies die Kosinus-Formen rückwärts für den halben Winkel. Sie liefern cos²A und sin²A. Welches Vorzeichen die Wurzel trägt, bestimmt der Quadrant von A – keine Formel nimmt dir diese Entscheidung ab.
- Führe Gleichungen auf eine einzige Funktion zurück. Steht dort ein sin x, ersetze cos 2x durch 1 − 2sin²x; steht dort ein cos x, wähle 2cos²x − 1. Tritt sin 2x auf, klammere den gemeinsamen Faktor aus und teile keinesfalls durch ihn.
Aufgaben vollständig gelöst
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Doppelwinkel aus Tangens und Quadrant 4 Schritte
tan A = 3/4 und 180° < A < 270°. Bestimme sin 2A, cos 2A und tan 2A sowie den Quadranten von 2A.
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Ein 3-4-5-Dreieck liefert die Beträge; im dritten Quadranten sind Sinus und Kosinus negativ:
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Die Doppelwinkelformeln. Beim Sinus heben sich die beiden Minuszeichen auf:
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Die Tangensformel benötigt ausschließlich tan A:
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2A liegt zwischen 360° und 540°. Da Sinus und Kosinus positiv sind, liegt der Winkel nach einer vollen Umdrehung in Quadrant I:
Antwort
sin 2A = 24/25 = 0,96, cos 2A = 7/25 = 0,28, tan 2A = 24/7 ≈ 3,4286 und 2A ≈ 433,7398° liegt in Quadrant I.
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Ein exakter Wert über die Halbwinkelformel 3 Schritte
Bestimme cos 15° exakt mithilfe von cos 30° und zeige, dass der Wert gleich (√6 + √2)/4 ist.
Lösung anzeigen
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Löse cos 2A = 2cos²A − 1 für A = 15° nach cos A auf:
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15° ist spitz, wähle also die positive Wurzel:
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Quadriere zum Vergleich das Ergebnis der Additionstheoreme. Beide Zahlen sind positiv, gleiche Quadrate bedeuten also gleiche Werte:
Antwort
cos 15° = √(2 + √3)/2 = (√6 + √2)/4 ≈ 0,9659.
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Ein exakter Tangens über eine quadratische Gleichung 3 Schritte
Bestimme tan 22,5° exakt mithilfe von tan 45° = 1 und der Formel für tan 2A.
Lösung anzeigen
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Setze t = tan 22,5° in die Doppelwinkelformel mit 2A = 45° ein:
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Löse die quadratische Gleichung:
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22,5° ist spitz, der Tangens folglich positiv. Die zweite Lösung, −1 − √2, entspricht tan 112,5°, dessen Verdopplung ebenfalls den Tangens 1 hat. Das Dreieck im Halbkreis liefert denselben Wert auf anderem Weg:
Antwort
tan 22,5° = √2 − 1 ≈ 0,4142.
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Die passende Form für cos 2x wählen 3 Schritte
Löse cos 2x = sin x für 0° ≤ x < 360°.
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Der andere Term ist ein Sinus; wähle für cos 2x also die reine Sinusform:
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Als quadratische Gleichung in sin x faktorisieren:
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sin x = 1/2 gilt bei 30° sowie 180° − 30°; sin x = −1 nur bei 270°:
Antwort
x = 30°, 150° oder 270°. Die Form cos²x − sin²x hätte Kosinus und Sinus in derselben Gleichung belassen.
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Ausklammern statt teilen 3 Schritte
Löse sin 2x = cos x für 0° ≤ x < 360°.
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sin 2x umschreiben und alles auf eine Seite bringen:
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cos x steckt in beiden Termen; klammere es aus:
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Ein Produkt ist null, wenn mindestens ein Faktor null ist:
Antwort
x = 30°, 90°, 150° oder 270°. Wer gleich zu Beginn durch cos x teilt, erhält bloß 30° und 150°: Dieser Schritt setzt cos x ≠ 0 voraus und unterschlägt exakt die Lösungen mit cos x = 0.
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Vom Quadrat zum Doppelwinkel beim Integrieren 3 Schritte
Drücke sin²x durch cos 2x aus und bestimme damit den exakten Wert des Integrals von sin²x von 0 bis π/2.
Lösung anzeigen
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Stelle cos 2x = 1 − 2sin²x um:
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Zu jedem Summanden kennst du nun die Stammfunktion:
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Wegen sin π = sin 0 = 0 trägt nur x/2 bei:
Antwort
Das Integral beträgt π/4 ≈ 0,7854, die halbe Intervallbreite, da der Mittelwert von sin²x darüber genau 1/2 ist.
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Beweis einer Halbwinkel-Identität 3 Schritte
Beweise, dass sin 2A/(1 + cos 2A) = tan A überall dort gilt, wo beide Seiten definiert sind, und überprüfe das Ergebnis für A = 30°.
Lösung anzeigen
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Ersetze jeden Doppelwinkel durch jene Form, die sich mit dem anderen Term faktorisieren lässt:
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Kürze 2 cos A – überall dort, wo tan A definiert ist, ist dieser Faktor ungleich null:
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Für A = 30°:
Antwort
sin 2A/(1 + cos 2A) = tan A; bei 30° ergeben beide Seiten √3/3 ≈ 0,5774. Im Halbkreis entspricht dies der Höhe von P über dem längeren Abschnitt des Durchmessers.
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Weitere Aufgaben, nur mit Lösungen
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tan A = 2 und A ist spitz. Bestimme tan 2A.
Ergebnis anzeigen
−4/3
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Löse cos 2x + 3 cos x + 2 = 0 für 0° ≤ x < 360°.
Ergebnis anzeigen
x = 120°, 180° oder 240°
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Löse sin 2x = sin x für 0° ≤ x < 360°.
Ergebnis anzeigen
x = 0°, 60°, 180° oder 300°
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Bestimme sin 22,5° exakt.
Ergebnis anzeigen
√(2 − √2)/2 ≈ 0,3827
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cos A = 1/3 und A liegt in Quadrant IV. Bestimme sin 2A und cos 2A exakt.
Ergebnis anzeigen
sin 2A = −4√2/9 ≈ −0,6285, cos 2A = −7/9
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Zeige, dass cos 3A = 4cos³A − 3cos A gilt.
Ergebnis anzeigen
Entwickle cos(2A + A) = cos 2A cos A − sin 2A sin A, setze 2cos²A − 1 sowie 2 sin A cos A ein und nutze schließlich sin²A = 1 − cos²A.
Lernpfad
Trigonometrische Identitäten und Gleichungen
Quellen (3)
- The double-angle formulae with all three forms of cos 2θ, the half-angle formulae with their quadrant sign and tan(α/2) = sin α/(1 + cos α), and the power-reducing formulae: J. Abramson, Precalculus 2e, OpenStax (2021), section 7.3, “Double-Angle, Half-Angle, and Reduction Formulas”.
- Insight block 1: the angle at the centre is double the angle at the circumference on the same arc, which puts A at W when 2A is at the centre: Euclid, Elements, Book III, Proposition 20. D. E. Joyce (ed.), Clark University.
- Insight block 1: the angle in a semicircle is a right angle, so WPE is right-angled at P: Euclid, Elements, Book III, Proposition 31. D. E. Joyce (ed.), Clark University.