EssayAI
Блог
Блог
Математика и алгоритмы

Формулы тройного угла синуса и косинуса

11 июня 2026Время чтения: 8 минут
#тройной угол#синус#косинус#формулы тригонометрии#полиномы чебышёва

Формулы тройного угла - это точные алгебраические выражения, позволяющие вычислить sin⁡(3α)\sin(3\alpha) и cos⁡(3α)\cos(3\alpha) только через sin⁡α\sin\alpha и cos⁡α\cos\alpha базового угла, без обращения к таблицам или компьютеру. Их знание экономит время при упрощении тригонометрических выражений, решении уравнений и доказательстве тождеств. Ниже разберём вывод каждой формулы шаг за шагом, выясним связь с полиномами Чебышёва и рассмотрим типичные случаи применения. Чтобы сразу увидеть, как меняются sin⁡(3α)\sin(3\alpha) и cos⁡(3α)\cos(3\alpha) при изменении угла, воспользуйся калькулятором:

Сами формулы

Две основные формулы тройного угла:

sin⁡(3α)=3sin⁡α−4sin⁡3α\sin(3\alpha) = 3\sin\alpha - 4\sin^3\alpha cos⁡(3α)=4cos⁡3α−3cos⁡α\cos(3\alpha) = 4\cos^3\alpha - 3\cos\alpha

Обе формулы симметричны по форме: правая часть - полином третьей степени от тригонометрической функции базового угла. Это не совпадение - именно такая структура возникает при последовательном применении формул сложения.

Анимация: при плавном изменении угла α от 0 до 2π точка sin(3α) (оранжевая) совершает три полных колебания за то же время, что sin(α) (синяя) - одно. Видно, что sin(3α) = 3 sin α − 4 sin³ α в точности совпадает с sin(3α) по прямой формуле

Вывод формулы для sin(3α)

Представим 3α3\alpha как сумму 2α+α2\alpha + \alpha и применим формулу синуса суммы:

sin⁡(3α)=sin⁡(2α+α)=sin⁡(2α)cos⁡α+cos⁡(2α)sin⁡α.\sin(3\alpha) = \sin(2\alpha + \alpha) = \sin(2\alpha)\cos\alpha + \cos(2\alpha)\sin\alpha.

Подставим формулы двойного угла:

sin⁡(2α)=2sin⁡αcos⁡α,cos⁡(2α)=1−2sin⁡2α.\sin(2\alpha) = 2\sin\alpha\cos\alpha, \qquad \cos(2\alpha) = 1 - 2\sin^2\alpha.

Тогда:

sin⁡(3α)=2sin⁡αcos⁡2α+(1−2sin⁡2α)sin⁡α.\sin(3\alpha) = 2\sin\alpha\cos^2\alpha + (1 - 2\sin^2\alpha)\sin\alpha.

Раскроем скобки:

sin⁡(3α)=2sin⁡αcos⁡2α+sin⁡α−2sin⁡3α.\sin(3\alpha) = 2\sin\alpha\cos^2\alpha + \sin\alpha - 2\sin^3\alpha.

Заменим cos⁡2α=1−sin⁡2α\cos^2\alpha = 1 - \sin^2\alpha:

sin⁡(3α)=2sin⁡α(1−sin⁡2α)+sin⁡α−2sin⁡3α=2sin⁡α−2sin⁡3α+sin⁡α−2sin⁡3α.\sin(3\alpha) = 2\sin\alpha(1 - \sin^2\alpha) + \sin\alpha - 2\sin^3\alpha = 2\sin\alpha - 2\sin^3\alpha + \sin\alpha - 2\sin^3\alpha.

Итого:

sin⁡(3α)=3sin⁡α−4sin⁡3α.\sin(3\alpha) = 3\sin\alpha - 4\sin^3\alpha.

Вся цепочка состоит из трёх шагов: формула сложения → формулы двойного угла → замена cos⁡2α\cos^2\alpha по основному тригонометрическому тождеству. Эту цепочку удобно воспроизвести по памяти на экзамене.

Геометрический смысл формулы sin(3α): три раза меньший период колебаний при той же амплитуде 1
Геометрический смысл формулы sin(3α): три раза меньший период колебаний при той же амплитуде 1

Вывод формулы для cos(3α)

Аналогично: cos⁡(3α)=cos⁡(2α+α)=cos⁡(2α)cos⁡α−sin⁡(2α)sin⁡α\cos(3\alpha) = \cos(2\alpha + \alpha) = \cos(2\alpha)\cos\alpha - \sin(2\alpha)\sin\alpha.

Подставим cos⁡(2α)=2cos⁡2α−1\cos(2\alpha) = 2\cos^2\alpha - 1 и sin⁡(2α)=2sin⁡αcos⁡α\sin(2\alpha) = 2\sin\alpha\cos\alpha:

cos⁡(3α)=(2cos⁡2α−1)cos⁡α−2sin⁡2αcos⁡α.\cos(3\alpha) = (2\cos^2\alpha - 1)\cos\alpha - 2\sin^2\alpha\cos\alpha.

Раскроем:

cos⁡(3α)=2cos⁡3α−cos⁡α−2sin⁡2αcos⁡α.\cos(3\alpha) = 2\cos^3\alpha - \cos\alpha - 2\sin^2\alpha\cos\alpha.

Заменим sin⁡2α=1−cos⁡2α\sin^2\alpha = 1 - \cos^2\alpha:

cos⁡(3α)=2cos⁡3α−cos⁡α−2(1−cos⁡2α)cos⁡α=2cos⁡3α−cos⁡α−2cos⁡α+2cos⁡3α.\cos(3\alpha) = 2\cos^3\alpha - \cos\alpha - 2(1 - \cos^2\alpha)\cos\alpha = 2\cos^3\alpha - \cos\alpha - 2\cos\alpha + 2\cos^3\alpha.

Сведём подобные:

cos⁡(3α)=4cos⁡3α−3cos⁡α.\cos(3\alpha) = 4\cos^3\alpha - 3\cos\alpha.

Ключевой приём тот же: через формулу двойного угла для косинуса (2cos⁡2α−12\cos^2\alpha - 1) и основное тождество (sin⁡2α=1−cos⁡2α\sin^2\alpha = 1 - \cos^2\alpha) всё сводится к полиному от cos⁡α\cos\alpha.

Связь с полиномами Чебышёва

Формулы тройного угла - частный случай полиномов Чебышёва первого рода Tn(cos⁡α)=cos⁡(nα)T_n(\cos\alpha) = \cos(n\alpha) и второго рода, связанного с sin⁡(nα)/sin⁡α\sin(n\alpha)/\sin\alpha. При n=3n = 3:

T3(x)=4x3−3x,x=cos⁡α,T_3(x) = 4x^3 - 3x, \qquad x = \cos\alpha,

что в точности совпадает с формулой cos⁡(3α)=4cos⁡3α−3cos⁡α\cos(3\alpha) = 4\cos^3\alpha - 3\cos\alpha. Для синуса:

sin⁡(3α)=sin⁡α⋅U2(cos⁡α),U2(x)=4x2−1,\sin(3\alpha) = \sin\alpha \cdot U_2(\cos\alpha), \qquad U_2(x) = 4x^2 - 1,

где U2U_2 - полином Чебышёва второго рода. Раскрывая: sin⁡α(4cos⁡2α−1)=4sin⁡αcos⁡2α−sin⁡α=4sin⁡α(1−sin⁡2α)−sin⁡α=3sin⁡α−4sin⁡3α\sin\alpha(4\cos^2\alpha - 1) = 4\sin\alpha\cos^2\alpha - \sin\alpha = 4\sin\alpha(1-\sin^2\alpha) - \sin\alpha = 3\sin\alpha - 4\sin^3\alpha. Это та же формула.

Полиномы Чебышёва важны в численных методах: они минимизируют максимальную погрешность при приближении функций и встречаются в теории фильтров Чебышёва (радиотехника), в алгоритмах быстрого вычисления тригонометрических функций и в задачах минимакса. Знание формул тройного угла в такой форме помогает распознать эти полиномы в задачах курса «Специальные функции» или «Численные методы».

Частные значения: проверка формул

Подставим несколько характерных углов, чтобы убедиться в правильности формул. Это полезно делать сразу после вывода - одно числовое несовпадение сигнализирует об ошибке в знаке или коэффициенте ещё до сдачи работы.

Угол 30° (sin⁡30°=1/2\sin 30° = 1/2, cos⁡30°=3/2\cos 30° = \sqrt{3}/2):

sin⁡(90°)=3⋅12−4⋅18=32−12=1.✓\sin(90°) = 3 \cdot \tfrac{1}{2} - 4 \cdot \tfrac{1}{8} = \tfrac{3}{2} - \tfrac{1}{2} = 1. \checkmark cos⁡(90°)=4⋅(32)3−3⋅32=4⋅338−332=332−332=0.✓\cos(90°) = 4 \cdot \left(\tfrac{\sqrt{3}}{2}\right)^3 - 3 \cdot \tfrac{\sqrt{3}}{2} = 4 \cdot \tfrac{3\sqrt{3}}{8} - \tfrac{3\sqrt{3}}{2} = \tfrac{3\sqrt{3}}{2} - \tfrac{3\sqrt{3}}{2} = 0. \checkmark

Угол 60° (sin⁡60°=3/2\sin 60° = \sqrt{3}/2, cos⁡60°=1/2\cos 60° = 1/2):

sin⁡(180°)=3⋅32−4⋅(32)3=332−4⋅338=332−332=0.✓\sin(180°) = 3 \cdot \tfrac{\sqrt{3}}{2} - 4 \cdot \left(\tfrac{\sqrt{3}}{2}\right)^3 = \tfrac{3\sqrt{3}}{2} - 4 \cdot \tfrac{3\sqrt{3}}{8} = \tfrac{3\sqrt{3}}{2} - \tfrac{3\sqrt{3}}{2} = 0. \checkmark

Угол 45° (sin⁡45°=cos⁡45°=22\sin 45° = \cos 45° = \tfrac{\sqrt{2}}{2}):

sin⁡(135°)=3⋅22−4⋅(22)3=322−4⋅24=322−2=22.✓\sin(135°) = 3 \cdot \tfrac{\sqrt{2}}{2} - 4 \cdot \left(\tfrac{\sqrt{2}}{2}\right)^3 = \tfrac{3\sqrt{2}}{2} - 4 \cdot \tfrac{\sqrt{2}}{4} = \tfrac{3\sqrt{2}}{2} - \sqrt{2} = \tfrac{\sqrt{2}}{2}. \checkmark

Все три проверки подтверждают формулы. Заметим важную закономерность: при α=60°\alpha = 60° получаем sin⁡(180°)=0\sin(180°) = 0, то есть уравнение 3sin⁡α−4sin⁡3α=03\sin\alpha - 4\sin^3\alpha = 0 имеет решение α=60°\alpha = 60°. Это означает, что sin⁡60°=3/2\sin 60° = \sqrt{3}/2 является корнем полинома 3x−4x3=03x - 4x^3 = 0, то есть выполняется x(3−4x2)=0x(3 - 4x^2) = 0. Аналогично для косинуса: cos⁡(3⋅30°)=cos⁡90°=0\cos(3 \cdot 30°) = \cos 90° = 0 означает, что cos⁡30°=3/2\cos 30° = \sqrt{3}/2 является корнем 4x3−3x=04x^3 - 3x = 0, то есть x(4x2−3)=0x(4x^2 - 3) = 0. Такое «перекрёстное» использование формул позволяет находить точные значения синусов и косинусов нестандартных углов.

Применение формул в задачах

Упрощение выражений. Если в условии встречается комбинация вида 3sin⁡α−4sin⁡3α3\sin\alpha - 4\sin^3\alpha, её можно мгновенно заменить на sin⁡(3α)\sin(3\alpha). Это особенно полезно при интегрировании:

∫(3sin⁡x−4sin⁡3x) dx=∫sin⁡(3x) dx=−13cos⁡(3x)+C.\int(3\sin x - 4\sin^3 x)\,dx = \int\sin(3x)\,dx = -\tfrac{1}{3}\cos(3x) + C.

Без формулы тройного угла пришлось бы интегрировать sin⁡3x\sin^3 x через понижение степени (sin⁡3x=3sin⁡x−sin⁡3x4\sin^3 x = \frac{3\sin x - \sin 3x}{4}), а значит, всё равно свестись к той же формуле - только с обходным путём.

Решение уравнений. Уравнение 4cos⁡3α−3cos⁡α=04\cos^3\alpha - 3\cos\alpha = 0 по формуле тройного угла равносильно cos⁡(3α)=0\cos(3\alpha) = 0, откуда 3α=π/2+πn3\alpha = \pi/2 + \pi n, то есть α=π/6+πn/3\alpha = \pi/6 + \pi n/3. Без формулы пришлось бы выносить cos⁡α\cos\alpha за скобку и решать квадратное уравнение относительно cos⁡α\cos\alpha - больше шагов, больше возможностей для ошибки.

Тождества кратных углов. Из формул тройного угла легко вывести полезные тождества:

sin⁡3α=3sin⁡α−sin⁡(3α)4,cos⁡3α=3cos⁡α+cos⁡(3α)4.\sin^3\alpha = \frac{3\sin\alpha - \sin(3\alpha)}{4}, \qquad \cos^3\alpha = \frac{3\cos\alpha + \cos(3\alpha)}{4}.

Это стандартный приём понижения степени перед интегрированием. Например, ∫sin⁡3x dx=∫3sin⁡x−sin⁡3x4 dx=−34cos⁡x+112cos⁡3x+C\int\sin^3 x\,dx = \int\frac{3\sin x - \sin 3x}{4}\,dx = -\tfrac{3}{4}\cos x + \tfrac{1}{12}\cos 3x + C.

Признак кратности. Из формул следует: sin⁡(3α)=0\sin(3\alpha) = 0 тогда и только тогда, когда 3α=πn3\alpha = \pi n, то есть α=πn/3\alpha = \pi n/3. Поэтому сумма 3sin⁡α−4sin⁡3α3\sin\alpha - 4\sin^3\alpha обращается в нуль при α=0°,60°,120°,180°,240°,300°,360°\alpha = 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°, 360° - шести равномерно распределённых точках на окружности. Этот факт проявляется в теории правильного шестиугольника и в разложении Фурье периодических функций.

Частые ошибки

  • Перепутать знаки в формуле для cosинуса. Студенты нередко пишут cos⁡(3α)=3cos⁡α−4cos⁡3α\cos(3\alpha) = 3\cos\alpha - 4\cos^3\alpha по аналогии с формулой для синуса, но это неверно: у косинуса главный член +4cos⁡3α+4\cos^3\alpha, а знак минус стоит перед 3cos⁡α3\cos\alpha.
  • Использовать cos⁡(2α)=1−2cos⁡2α\cos(2\alpha) = 1 - 2\cos^2\alpha вместо 2cos⁡2α−12\cos^2\alpha - 1. При выводе формулы для cos⁡(3α)\cos(3\alpha) нужна версия с cos⁡\cos, а не с sin⁡\sin; путаница в знаке сдвигает итог.
  • Не заменять cos⁡2α\cos^2\alpha или sin⁡2α\sin^2\alpha до конца. После раскрытия скобок остаются «лишние» переменные; нужно довести замену до конца (основное тождество) иначе полином не упростится до нужной формы.
  • Проверять только по числовому значению одного угла. Совпадение при α=30°\alpha = 30° не гарантирует верность формулы: формула должна работать для всех α\alpha. Выведи её аналитически или проверь не менее двух-трёх значений.
  • Путать sin⁡(3α)\sin(3\alpha) и 3sin⁡α3\sin\alpha. Это разные функции: 3sin⁡α3\sin\alpha - в три раза большая амплитуда, sin⁡(3α)\sin(3\alpha) - в три раза более частые колебания. На графике калькулятора выше хорошо видно это различие.

FAQ

Можно ли вывести формулы тройного угла не через формулу сложения?

Да. Второй способ - через комплексные числа: ei3α=(eiα)3=(cos⁡α+isin⁡α)3e^{i3\alpha} = (e^{i\alpha})^3 = (\cos\alpha + i\sin\alpha)^3. Раскрывая по биному, выделяем вещественную и мнимую части и сразу получаем оба тождества.

Как связаны формулы тройного угла с методом Виета решения кубических уравнений?

Кардано искал корни кубического уравнения x3−px−q=0x^3 - px - q = 0 через подстановку x=2p/3cos⁡θx = 2\sqrt{p/3}\cos\theta. После замены уравнение принимало вид cos⁡(3θ)=const\cos(3\theta) = \text{const}, что и решалось. Именно поэтому формула cos⁡(3α)=4cos⁡3α−3cos⁡α\cos(3\alpha) = 4\cos^3\alpha - 3\cos\alpha позволяет аналитически решить часть кубических уравнений - в случае трёх вещественных корней («casus irreducibilis»).

Существуют ли аналогичные формулы для других кратных углов?

Да: для n=4n = 4 уже четыре члена, для любого nn формула выражается через полином Чебышёва Tn(cos⁡α)T_n(\cos\alpha) или Un−1(cos⁡α)U_{n-1}(\cos\alpha). Эти полиномы рекуррентно вычисляются по формуле Tn=2cos⁡α⋅Tn−1−Tn−2T_n = 2\cos\alpha \cdot T_{n-1} - T_{n-2}, что позволяет строить формулы любого кратного угла без повторного вывода.

Коротко

Формулы тройного угла sin⁡(3α)=3sin⁡α−4sin⁡3α\sin(3\alpha) = 3\sin\alpha - 4\sin^3\alpha и cos⁡(3α)=4cos⁡3α−3cos⁡α\cos(3\alpha) = 4\cos^3\alpha - 3\cos\alpha выводятся через формулу сложения и замену двойного угла за три шага. Обе являются полиномами Чебышёва третьей степени и применяются при упрощении выражений, решении уравнений и понижении степени перед интегрированием. Главные ошибки - неверный знак у ведущего члена cos⁡(3α)\cos(3\alpha) и неполная замена sin⁡2α\sin^2\alpha или cos⁡2α\cos^2\alpha через основное тождество.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Формулы приведения: sin и cos от (90k +/- alpha)

Формулы приведения: sin и cos от (90k +/- alpha)

Формулы приведения для синуса и косинуса: два правила - смена функции и знак, таблица всех восьми случаев 90k +/- alpha, разбор типовых задач и частые ошибки.

11 июня 20269 минут
Тангенс через синус и косинус: формула и вывод

Тангенс через синус и косинус: формула и вывод

Как выразить тангенс через синус и косинус: формула tg x = sin x / cos x, вывод из прямоугольного треугольника, область определения и примеры задач с разбором.

11 июня 20267 минут
Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Как работают агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG, MIN и MAX, группировка GROUP BY, порядок выполнения запроса, разница HAVING и WHERE и поведение NULL внутри агрегата.

24 сентября 20269 минут
Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): почему интеграл sin t / t не берётся в элементарных функциях, разложение в ряд, предел π/2, максимум Si(π) и выброс Гиббса. С калькулятором.

24 сентября 202610 минут
Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: свойство кучи, хранение в обычном массиве и индексы 2i+1 и 2i+2, просеивание sift-up и sift-down, построение за O(n) и приоритетная очередь.

24 сентября 202610 минут
Линейная зависимость векторов: критерии и примеры

Линейная зависимость векторов: критерии и примеры

Что такое линейная зависимость векторов, как проверить её определителем и рангом матрицы, чем коллинеарность отличается от компланарности и как всё это связано с базисом.

24 сентября 202610 минут