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

Sinus- und Kosinusfunktion (auch Cosinusfunktion) sind elementare mathematische Funktionen. Vor Tangens und Kotangens, Sekans und Kosekans bilden sie die wichtigsten trigonometrischen Funktionen und spielen in weiteren mathematischen Disziplinen eine Rolle. Sie 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, elektromagnetische Wellen lassen sich aus Sinus- und Kosinuswellen zusammengesetzt beschreiben, so dass die Funktionen auch in der Physik als harmonische Schwingungen allgegenwärtig sind.

Das Sinnesorgan Ohr zerlegt den eintreffenden Schall in seine Sinuskomponenten und führt damit eine Fourieranalyse durch: je nachdem, wie viel einer solchen Komponente in dem Gesamtsignal – dem eintreffenden Schall – vorhanden ist, wird ein Ton entsprechender Lautstärke und Frequenz wahrgenommen.

Inhaltsverzeichnis

Herkunft des Namens

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

Definition am rechtwinkligen Dreieck

Dreieck mit einem rechten Winkel in C

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

Diese Eigenschaft kann man nutzen, um Berechnungen am rechtwinkligen Dreieck durchzuführen. Kennt man nämlich die Längenverhältnisse im rechtwinkligen Dreieck, kann man Maße von Winkeln und Längen von Seiten berechnen. Deshalb gibt man den Längenverhältnissen im rechtwinkligen Dreieck 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 beträgt stets 90°), hängen die Längenverhältnisse im rechtwinkligen Dreieck nur vom Maß eines der beiden spitzen Winkel ab.

Deshalb definiert man die Längenverhältnisse in Abhängigkeit eines der beiden spitzen Winkel:

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 aus geometrischen Gründen die Hypotenuse die längste Seite ist (denn sie liegt dem größten Winkel, also dem rechten Winkel, gegenüber), gelten auch stets \sin\left(\alpha\right)\leq 1 und \cos\left(\alpha\right)\leq 1.

Betrachtet man statt α den gegenüberliegenden Winkel β, so wechseln beide Katheten ihre Rolle, die Ankathete von α ist die Gegenkathete von β und die Gegenkathete von α ist die Ankathete von β, es gilt also

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

und

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

Da im rechtwinkeligen 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, nämlich der Sinus des Komplementärwinkels.

Aus dem Satz des Pythagoras folgt die Beziehung (Trigonometrischer Pythagoras)

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

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

Definition am Einheitskreis

Trigonometrische Funktionen am Einheitskreis im ersten Quadranten

Da im rechtwinkeligen Dreieck der Winkel zwischen Hypotenuse und Kathete Werte von 0 bis 90 Grad annehmen kann, sind Sinus und Kosinus zunächst nur für solche Winkel definiert. Für eine allgemeine Definition betrachtet man einen Punkt P mit den Koordinaten (x,y) auf dem Einheitskreis, also x2 + y2 = 1. Der Ortsvektor von P schließt mit der x-Achse einen Winkel α 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 α ist die Strecke zwischen (0,0) und (x,0) und hat die Länge x, es gilt also

\cos(\alpha)=x\!

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

\sin(\alpha)=y\!

Die y-Koordinate eines Punktes im ersten Quadranten des Einheitskreises entspricht also dem Sinus des Winkels zwischen seinem Ortsvektor und der x-Achse, die x-Koordinate dem Kosinus des Winkels. Setzt man diese Definition in den anderen Quadranten fort, so lassen sich Sinus und Kosinus für beliebige Winkel definieren.

Definition allgemein:
\overline{CP} = \sin b, \overline{SP} = \cos b

Für negative Winkel betrachte man 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 betrachte man die Beziehung

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

und

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

aus der 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 Periode 360 Grad.

Durch den Strahlensatz folgt aus der Definition für Sinus und Kosinus, dass \tan\alpha =\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha} die Strecke von (1,0) bis (1,T) rechts in der Zeichnung ist.


Analytische Definition

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

Obige Definitionen des Sinus und des Kosinus beinhalten geometrische Überlegungen. Geometrie wird häufig naiv-intuitiv und nicht auf axiomatischer Basis behandelt. Sinus und Kosinus spielen aber auch eine wichtige Rolle in der Analysis, in der ein viel formalerer Zugang zweckmäßig ist. Daher sind die geometrischen Definitionen für die Analysis nicht ausreichend, und es wird eine analytische Definition benötigt. Auf Basis einer streng formalisierten Geometrie lässt sich zwar die Äquivalenz der geometrischen und der analytischen Definition zeigen; auf Basis einer naiven Geometrie sind die geometrischen Überlegungen allerdings lediglich als Heuristik zur Begründung der analytischen Definition zu betrachten.

Die analytische Definition erlaubt zusätzlich die Erweiterung auf komplexe Argumente. Sinus und Kosinus als komplexwertige Funktion aufgefasst sind holomorph und surjektiv.

Motivation durch Taylorreihen

Man geht vom Winkelmaß zum Bogenmaß über, so erhält man sin und cos als Funktionen von \R nach \R. Man kann zeigen, dass sie beliebig oft differenzierbar sind, und man erhält für die Ableitungen im Nullpunkt


\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 führte gerade dazu, dass hier die Werte \pm 1 auftreten. Man kann weiter zeigen, dass die sich daraus ergebenden Taylorreihen die Funktionen sin und cos darstellen, 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\cdots
\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\cdots

Das Vorgehen in der Analysis

In der Analysis geht man gleich von der Reihenentwicklung aus und leitet umgekehrt daraus alles her. Man ignoriert zunächst jede geometrische Bedeutung und definiert die Funktionen sin und cos durch die oben angegebenen Potenzreihen. 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 also die Definition des Sinus und des Kosinus von reellen auf komplexe Argumente. Auch π 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 π gegeben.

Für kleine Werte zeigen diese Reihen ein sehr gutes Konvergenzverhalten. Zur numerischen Berechnung kann man daher die Periodizität und Symmetrie der Funktionen ausnutzen und den x-Wert bis auf den Bereich − π / 4 bis π / 4 reduzieren (siehe Reduktionsformel). 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 [ − π / 4,π / 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

Die trigonometrischen Funktionen sind eng verbunden mit der Exponentialfunktion. Dieser Ansatz führt zum einen Sinus und Kosinus auf nur eine Reihe zurück, und ist aus der Eulerformel

e = cos φ + isin φ.

motiviert:

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

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

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

Für beliebige komplexe Zahlen z definiert man analog

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

und

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

Man kann aber auch den Sinus wie oben als Taylorreihe definieren und dann die Übereinstimmung mit dieser Definition zeigen.

Ausgehend von dieser Definition lassen sich sehr leicht die Eigenschaften des Sinus und die Additionstheoreme des Sinus und Kosinus nachweisen.

Definition über analytische Berechnung der Bogenlänge

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, das sich die Reihen für \cos\, und i\,\sin ganz offenbar zur Exponentialfunktion zusammenfügen, wie oben gezeigt wurde. Betrachtet man die Funktion x\mapsto e^{i x}, die das Intervall [0,2π] auf die Kreislinie abbildet, so erhält man die Beziehungen zur Geometrie, denn cos(x) und sin(x) sind nichts weiter als der Real- bzw. Imaginärteil von eix, das heißt die Projektionen 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 also analytisch als Supremum von s(t)\! definiert.

Die Funktion

s(t):\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):(-\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 tatsächlich 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

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:\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\!

gilt. Bei diesem Zugang wird offensichtlich die Differenzierbarkeit des Sinus 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 offensichtlich die Funktionalgleichung. Die Existenz einer Lösung lässt sich analytisch beispielsweise nachweisen, indem man zeigt, dass die Taylorreihen von Sinus und Kosinus oder eine andere der oben verwendeten analytischen Darstellungen von Sinus und Kosinus die Funktionalgleichung tatsächlich lösen.

Produktentwicklung

 \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

Zusammenhang zwischen Sinus und Kosinus

\sin(\alpha)=\cos\left(90^\circ-\alpha\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 (Satz des Pythagoras)

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

Verlauf des Sinus in den vier Quadranten

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 < π / 2 positiv: 0 < sin x < 1 steigend konkav
90^\circ π / 2 1 Maximum
2. Quadrant 90^\circ<x<180^\circ π / 2 < x < π positiv: 0 < sin x < 1 fallend konkav
180^\circ π 0 Nullstelle, Wendepunkt
3. Quadrant 180^\circ<x<270^\circ π < x < 3π / 2 negativ: − 1 < sin x < 0 fallend konvex
270^\circ 3π / 2 − 1 Minimum
4. Quadrant 270^\circ<x<360^\circ 3π / 2 < x < 2π negativ: − 1 < sin x < 0 steigend konvex

Für Argumente außerhalb dieses Bereiches erhält man den 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

Der Kosinus ist ein um 90° (bzw. π/2 rad) phasenverschobener Sinus, 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 < π / 2 positiv: 0 < cos x < 1 fallend konkav
90^\circ π / 2 0 Nullstelle, Wendepunkt
2. Quadrant 90^\circ<x<180^\circ π / 2 < x < π negativ: − 1 < cos x < 0 fallend konvex
180^\circ π − 1 Minimum
3. Quadrant 180^\circ<x<270^\circ π < x < 3π / 2 negativ: − 1 < cos x < 0 steigend konvex
270^\circ 3π / 2 0 Nullstelle, Wendepunkt
4. Quadrant 270^\circ<x<360^\circ 3π / 2 < x < 2π positiv: 0 < cos x < 1 steigend konkav

Für Argumente außerhalb dieses Bereiches erhält man den Wert des Kosinus daraus, dass der Kosinus so wie der Sinus periodisch mit der Periode 360° (bzw. 2π rad) ist, d. h. \cos(\alpha + 360^\circ) = \cos(\alpha). Außerdem gilt \cos(\alpha + 180^\circ) = -\cos(\alpha).

Komplexes Argument

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

\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.

Wichtige Funktionswerte

Winkel α (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 \frac12\sqrt3 \frac12\sqrt4 = 1  0\, -1\, 0\,
Kosinus \frac12\sqrt4 = 1\, \frac12\sqrt3 \frac12\sqrt2 \frac12\sqrt1 = \frac12 \frac12\sqrt0 = 0\, -1\,  0\,  1\,
Tangens  0\, \frac{1}{\sqrt{3}}=\frac{1}{3}\sqrt{3}  1\,  \sqrt3 Polstelle  0\, Polstelle  0\,

Weitere mit Quadratwurzeln angebbare Funktionswerte

Über die Berechnung der fünften Einheitswurzeln mittels einer quadratischen Gleichung erhält man \sin(18^\circ)=\cos(72^\circ)=\frac{\sqrt{5}-1}{4}

Mit Hilfe der Additionstheoreme kann man viele weitere solche Ausdrücke berechnen:

\cos(54^\circ)=\sin(2\cdot18^\circ)=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{5-\sqrt{5}}{2}} angewendet bei der Berechnung der Kantenlänge des regulären Fünfecks

oder

\sin(15^\circ) erhält man aus \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\; berechnen.

Generell gilt, dass \sin\alpha\; und \cos\alpha\; zumindest dann explizit mit den 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

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 Echtzeit-Anwendungen, wenn diese nur eine recht kleine Winkelauflösung benötigen. CORDIC ist i.d.R. effizienter umsetzbar als die Taylor-Reihe und zudem besser konditioniert.

Umkehrfunktion

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

Umkehrfunktionen besitzen. Die Umkehrfunktionen

\begin{align}
\arcsin: [-1,1] &\to [-90^\circ, 90^\circ] \\
\arccos: [-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 Angabe des Wertebereichs im Bogenmaß richtig, da die Winkelfunktionen dort für das Bogenmaß definiert sind:

\begin{align}
\arcsin: [-1,1] &\to \left[-\tfrac{\pi}{2}, \tfrac{\pi}{2} \right] \\
\arccos: [-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.

Stetigkeit

Da die Sinusfunktion

\sin\colon [- \pi/2, \pi/2]\to[-1,1]

und die Kosinusfunktion

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

monoton, surjektiv und invertierbar sind, folgt, dass sie in diesen Quadranten stetig sind. Da die Funktionen in den anderen Quadranten lediglich gespiegelt bzw. periodisch fortgesetzt sind, sind die Sinus- und Kosinusfunktion für alle reellen Argumente stetig.

Zusammenhang mit dem Skalarprodukt

Der Kosinus steht in enger Beziehung mit dem Skalarprodukt 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 Vektorräumen mit innerem Produkt wird über diese Beziehung der Winkel zwischen Vektoren definiert.

Zusammenhang mit dem Kreuzprodukt

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

Hauptartikel: Formelsammlung Trigonometrie

Die Additionstheoreme der trigonometrischen Funktionen

\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}

erhält man relativ einfach aus der Flächenformel des allgemeinen Dreiecks, zerlegt in zwei rechtwinklige Dreiecke mit gemeinsamer Höhe h und den Teilwinkeln α und β

2F = ab\cdot\sin\left(\alpha+\beta\right)

andererseits ergibt diese Zerlegung:

2F = ph+qh = ab\cdot\sin\alpha\cos\beta + ab\cdot\cos\alpha\sin\beta.

Hieraus folgt das Additionstheorem für den Sinus. Setzen wir darin \alpha+\pi/2\ für \alpha\ , so ergibt sich wegen \sin\left(\alpha+\pi/2\right) = \cos\alpha und \cos\left(\alpha+\pi/2\right) = -\sin\alpha das Additionstheorem für den Kosinus.

Die Additionstheorme kann man auch (bequemer) über die Euler'sche Formel

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

herleiten. Dazu formt man cos(α + β) nach der Euler'schen Formel zu \tfrac{1}{2} \cdot (\mathrm{e}^{i \cdot (\alpha + \beta)} + \mathrm{e}^{-i \cdot (\alpha + \beta)}) um, zieht die Terme im Exponenten durch die Potenzgesetze auseinander und wendet schließlich die Euler'sche Formel nochmals an. Analog für den Sinus.


Ein alternativer Beweis ist mit Hilfe des Skalarproduktes möglich:

Die Vektoren \vec{a}=\left(\cos\alpha, \sin\alpha\right) und \vec{b}=\left(\cos\beta, \sin\beta\right) der Länge 1 schließen den Winkel α − β ein; mit dem Skalarprodukt folgt also das Additionstheorem für den Kosinus:

\cos\left(\alpha-\beta\right)= \vec{a}\cdot \vec{b} = \cos\alpha \cos\beta + \sin\alpha \sin\beta.

Ableitung (Differenzierung) und Integration von Sinus und Kosinus

Differenzierung

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 α 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.

Integration

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

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

Anwendungen

Geometrische Anwendungen

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 hc 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

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

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

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 tatsächlich bezogenen 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

Literatur

  • 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

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

Einzelnachweise

  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

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