Definition am rechtwinkligen Dreieck

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 vom Maß der beiden spitzen Winkel abhängig. Denn die Innenwinkelsumme in jedem Dreieck beträgt 180°. Und weil im rechtwinkligen Dreieck ein Winkel, nämlich der rechte Winkel, mit 90° bekannt ist, müssen die beiden anderen Winkel in der Summe ebenfalls 90° ergeben. Deswegen wird das Maß eines dieser Winkel durch das Maß des anderen Winkels bereits festgelegt. Aufgrund der Dreieckssätze (z. B. WSW) hängen die Längenverhältnisse im rechtwinkligen Dreieck nur noch 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).

${\displaystyle {\text{Sinus eines Winkels}}={\frac {\text{Gegenkathete des Winkels}}{\text{Hypotenuse}}}}$

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

${\displaystyle {\text{Kosinus eines Winkels}}={\frac {\text{Ankathete des Winkels}}{\text{Hypotenuse}}}}$

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

${\displaystyle \sin \alpha ={\frac {a}{c}}\quad {\text{und}}\quad \cos \alpha ={\frac {b}{c}}}$

Da die Hypotenuse die längste Seite eines Dreiecks ist (denn sie liegt dem größten Winkel, also dem rechten Winkel, gegenüber), gelten die Ungleichungen ${\displaystyle \sin \alpha \leq 1}$ und ${\displaystyle \cos \alpha \leq 1}$.

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:

${\displaystyle \sin \beta ={\frac {b}{c}}}$

${\displaystyle \cos \beta ={\frac {a}{c}}}$

Da im rechtwinkligen Dreieck ${\displaystyle \alpha +\beta =90^{\circ }}$ gilt, folgt:

${\displaystyle \cos \alpha =\sin(90^{\circ }-\alpha )=\sin \beta }$

und

${\displaystyle \sin \alpha =\cos(90^{\circ }-\alpha )=\cos \beta }$

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

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

${\displaystyle \sin ^{2}\alpha +\cos ^{2}\alpha =1}$

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 ${\displaystyle y}$-Koordinate und der Wert der Kosinus-Funktion als ${\displaystyle x}$-Koordinate eines Punktes am Einheitskreis (siehe unten) definiert. 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

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 ${\displaystyle P}$ mit den Koordinaten ${\displaystyle (x,y)}$ auf dem Einheitskreis betrachtet, hier gilt ${\displaystyle x^{2}+y^{2}=1}$. Die positive ${\displaystyle x}$-Achse schließt mit dem Ortsvektor von ${\displaystyle P}$ einen Winkel ${\displaystyle \alpha }$ ein. Der Koordinatenursprung ${\displaystyle (0,0)}$, der Punkt ${\displaystyle (x,0)}$ auf der ${\displaystyle x}$-Achse und der Punkt ${\displaystyle P(x,y)}$ bilden ein rechtwinkliges Dreieck. Die Länge der Hypotenuse beträgt ${\displaystyle {\sqrt {x^{2}+y^{2}}}=1}$. Die Ankathete des Winkels ${\displaystyle \alpha }$ ist die Strecke zwischen ${\displaystyle (0,0)}$ und ${\displaystyle (x,0)}$ und hat die Länge ${\displaystyle |x|}$. Es gilt:

${\displaystyle \cos \alpha =x}$.

Die Gegenkathete des Winkels ${\displaystyle \alpha }$ ist die Strecke zwischen ${\displaystyle (x,0)}$ und ${\displaystyle (x,y)}$ und hat die Länge ${\displaystyle |y|}$. Somit ist:

${\displaystyle \sin \alpha =y}$.

Daraus folgt durch den Strahlensatz die Definition des Tangens:

${\displaystyle \tan \alpha ={\frac {\sin \alpha }{\cos \alpha }}}$.

Die ${\displaystyle y}$-Koordinate eines Punktes im ersten Quadranten des Einheitskreises ist also der Sinus des Winkels zwischen seinem Ortsvektor und der ${\displaystyle x}$-Achse, während die ${\displaystyle x}$-Koordinate der Kosinus des Winkels ist. Die Fortsetzung über den ersten Quadranten hinaus ergibt eine Definition von Sinus und Kosinus für beliebige Winkel.

Die Umkehrung der Sinus-/Kosinusfunktion ist nicht eindeutig. Zu jeder Zahl ${\displaystyle y}$ zwischen −1 und 1 ( ${\displaystyle -1<y<1}$) gibt es schon zwischen 0° und 360° ( ${\displaystyle 0^{\circ }<\alpha \leq 360^{\circ }}$) immer genau zwei Winkel. Symmetrien der Winkelfunktionen erkennt man an folgenden Beziehungen:

Punktsymmetrien:

${\displaystyle \sin(-\alpha )=-\sin \alpha }$

und

${\displaystyle \cos(90^{\circ }+\alpha )=-\cos(90^{\circ }-\alpha )}$,

Achsensymmetrien:

${\displaystyle \cos(-\alpha )=\cos \alpha }$

und

${\displaystyle \sin(90^{\circ }+\alpha )=\sin(90^{\circ }-\alpha )}$ .

Der Sinus ist also eine ungerade Funktion, der Kosinus eine gerade.

Sinus und Kosinus sind periodische Funktionen mit der Periode 360 Grad. (Man kann einen Winkel von beispielsweise 365° nicht von einem Winkel von 5° unterscheiden. Aber der eine beschreibt eine Drehbewegung von reichlich einer Umdrehung, der andere eine sehr kleine Drehbewegung ‒ nur eine zweiundsiebzigstel Umdrehung.) Also gilt auch

${\displaystyle \sin(\alpha +k\cdot 360^{\circ })=\sin \alpha }$

sowie

${\displaystyle \cos(\alpha +k\cdot 360^{\circ })=\cos \alpha }$,

wobei ${\displaystyle k}$ eine beliebige ganze Zahl ist. Es gibt also nicht nur die Symmetrien zu ${\displaystyle \alpha =0^{\circ }}$ (cos) bzw. ${\displaystyle \alpha =90^{\circ }}$ (sin) und zu ${\displaystyle (0,0)}$ (sin) bzw. ${\displaystyle (90^{\circ }|0)}$ (cos), sondern unendlich viele Symmetrieachsen und Symmetriezentren für beide Funktionen.

Die Entstehung der Sinus- und Kosinusfunktion aus der Drehbewegung eines Winkelschenkels beginnend bei der ${\displaystyle x}$-Achse veranschaulicht folgende Animation. Der Winkel wird im Bogenmaß gemessen. Ein Winkel von ${\displaystyle 360^{\circ }}$ entspricht einem Bogenmaß von ${\displaystyle 2\pi }$.

Motivation durch Taylorreihen

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

${\displaystyle \sin ^{(4n+k)}0=\sin {\frac {k\,\pi }{2}}=\left\{{\begin{matrix}0&{\text{wenn }}k=0\\1&{\text{wenn }}k=1\\0&{\text{wenn }}k=2\\-1&{\text{wenn }}k=3\end{matrix}}\right.\qquad \cos ^{(4n+k)}0=\cos {\frac {k\,\pi }{2}}=\left\{{\begin{matrix}1&{\text{wenn }}k=0\\0&{\text{wenn }}k=1\\-1&{\text{wenn }}k=2\\0&{\text{wenn }}k=3\end{matrix}}\right.}$.

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

${\displaystyle \sin x=\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}{\frac {x^{2n+1}}{(2n+1)!}}={\frac {x}{1!}}-{\frac {x^{3}}{3!}}+{\frac {x^{5}}{5!}}\mp \dotsb }$

${\displaystyle \cos x=\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}{\frac {x^{2n}}{(2n)!}}={\frac {x^{0}}{0!}}-{\frac {x^{2}}{2!}}+{\frac {x^{4}}{4!}}\mp \dotsb }$

Reihenentwicklung in der Analysis

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 ${\displaystyle x}$ 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 ${\displaystyle \pi }$ wird dort üblicherweise nicht geometrisch, sondern beispielsweise über die cos-Reihe und die Beziehung ${\displaystyle \cos {\tfrac {\pi }{2}}=0}$ als das Doppelte der kleinsten positiven Nullstelle der Kosinusfunktion definiert. Damit ist eine präzise analytische Definition von ${\displaystyle \pi }$ 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 der ${\displaystyle x}$-Wert bis auf den Bereich ${\displaystyle -\pi /4}$ bis ${\displaystyle \pi /4}$ 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 ${\displaystyle [-\pi /4,\pi /4]}$ 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

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

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {e} ^{\mathrm {i} x}&=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(\mathrm {i} x)^{k}}{k!}}=\sum _{l=0}^{\infty }{\frac {(\mathrm {i} x)^{2l}}{(2l)!}}+\sum _{l=0}^{\infty }{\frac {(\mathrm {i} x)^{2l+1}}{(2l+1)!}}\\&=\underbrace {\sum _{l=0}^{\infty }(-1)^{l}{\frac {x^{2l}}{(2l)!}}} _{\cos x}+\mathrm {i} \underbrace {\sum _{l=0}^{\infty }(-1)^{l}{\frac {x^{2l+1}}{(2l+1)!}}} _{\sin x}\\&=\cos x+\mathrm {i} \sin x\end{aligned}}}$

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

Somit ergibt sich die sogenannte Eulerformel

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

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

Durch Ersetzung von ${\displaystyle x}$ durch ${\displaystyle -x}$ ergibt sich:

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

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

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

und

${\displaystyle \cos x={\frac {1}{2}}\left(\mathrm {e} ^{\mathrm {i} x}+\mathrm {e} ^{-\mathrm {i} x}\right)}$.

Diese Gleichung gilt nicht nur für reelle Argumente, sondern für beliebige komplexe Zahlen. Somit ergibt sich eine alternative Definition für die Sinus- und Kosinusfunktion. Durch Einsetzen der Exponentialreihe leiten sich die oben vorgestellten Potenzreihen ab.

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

Definition über das Integral

Der Sinus ist die Umkehrfunktion des Integrals zur Berechnung der Bogenlänge ${\displaystyle s(r)}$

${\displaystyle s(r)=\int _{0}^{r}{\frac {\mathrm {d} \rho }{\sqrt {1-\rho ^{2}}}}\qquad {\mbox{und}}\qquad \int _{0}^{1}{\frac {\mathrm {d} \rho }{\sqrt {1-\rho ^{2}}}}={\frac {\pi }{2}},}$

also ${\displaystyle r=\sin s}$ und ${\displaystyle \cos s=\sin({\tfrac {\pi }{2}}-s)}$ (siehe unten).

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, da sich die Reihen für ${\displaystyle \cos }$ und ${\displaystyle \mathrm {i} \sin }$ ganz offenbar zur Exponentialfunktion zusammenfügen, wie oben gezeigt wurde. Durch Betrachtung der Funktion ${\displaystyle x\mapsto \mathrm {e} ^{\mathrm {i} x}}$, die das Intervall ${\displaystyle [0,2\pi ]}$ auf die Kreislinie abbildet, ergibt sich die Beziehung zur Geometrie, denn ${\displaystyle \cos(x)}$ und ${\displaystyle \sin(x)}$ sind nichts weiter als der Real- bzw. Imaginärteil von ${\displaystyle \mathrm {e} ^{\mathrm {i} x}}$, das heißt die Projektion dieses Punktes auf die Koordinatenachsen.

Neben ${\displaystyle x\mapsto \mathrm {e} ^{\mathrm {i} x}}$ gibt es auch andere sinnvolle Parametrisierungen des Einheitskreises, etwa

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

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

${\displaystyle s(t)=\int _{0}^{t}|{\dot {\gamma }}(\tau )|\,\mathrm {d} \tau =\int _{0}^{t}{\frac {2\,\mathrm {d} \tau }{\tau ^{2}+1}}.}$

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

Die Funktion

${\displaystyle s(t)\colon \mathbb {R} \to (-\pi ,\pi )}$

ist auch differenzierbar:

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

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

${\displaystyle t(s)\colon (-\pi ,\pi )\to \mathbb {R} }$

gilt

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

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

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

sowie

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

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

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 ${\displaystyle \sin ,\cos \colon \mathbb {R} \to \mathbb {R} }$, das für alle ${\displaystyle x,y\in \mathbb {R} }$ die Gleichungen

${\displaystyle \sin(x+y)=\sin x\,\cos y+\cos x\,\sin y\;}$ und

${\displaystyle \cos(x+y)=\cos x\,\cos y-\sin x\,\sin y}$

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

${\displaystyle \sin x}$ eine ungerade Funktion,

${\displaystyle \cos x}$ eine gerade Funktion,

${\displaystyle \lim _{x\to 0}{\frac {\sin x}{x}}=1}$ und

${\displaystyle \cos 0=1}$

ist. Bei diesem Zugang wird offensichtlich die Differenzierbarkeit des Sinus in 0 vorausgesetzt; ${\displaystyle \pi }$ 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, ${\displaystyle \pi }$ auf geeignete Weise analytisch (beispielsweise als Hälfte des Grenzwerts des Umfangs des dem Einheitskreis eingeschriebenen ${\displaystyle 2^{n}}$-Ecks) zu definieren und dann die Differenzierbarkeit der Lösung dieser Funktionalgleichung zu beweisen. Als Zusatzbedingung zu den Additionstheoremen fordert man dann beispielsweise

${\displaystyle \sin {\frac {\pi }{2}}=1}$,

${\displaystyle \cos {\frac {\pi }{2}}=0}$ und

${\displaystyle \cos {\frac {\pi }{2n}}\neq 0}$ für alle ${\displaystyle n\in \mathbb {N} \backslash \lbrace 1\rbrace }$.

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

${\displaystyle \sin {x}=\prod _{k=-\infty }^{\infty }{\frac {x+k\pi }{{\frac {\pi }{2}}+k\pi }}=x\prod _{k=1}^{\infty }\left(1-{\frac {x^{2}}{k^{2}\pi ^{2}}}\right)}$

${\displaystyle \cos {x}=\prod _{k=-\infty }^{\infty }{\frac {x+k\pi +{\frac {\pi }{2}}}{{\frac {\pi }{2}}+k\pi }}=\prod _{k=1}^{\infty }\left(1-{\frac {4x^{2}}{(2k-1)^{2}\pi ^{2}}}\right)}$

${\displaystyle x\;}$ ist dabei im Bogenmaß anzugeben.

Zusammenhang zwischen Sinus und Kosinus

${\displaystyle \sin \alpha =-\cos \left(\alpha +90^{\circ }\right)=\cos \left(\alpha -90^{\circ }\right)}$ ( Gradmaß)

${\displaystyle \sin \alpha =-\cos \left(\alpha +\pi /2\right)=\cos \left(\alpha -\pi /2\right)}$ ( Bogenmaß)

${\displaystyle \sin ^{2}\alpha +\cos ^{2}\alpha =1}$ („ trigonometrischer Pythagoras“)

Insbesondere folgt daraus ${\displaystyle |{\sin \alpha }|\leq 1}$ und ${\displaystyle |{\cos \alpha }|\leq 1}$. Diese Ungleichungen gelten aber nur für reelle Argumente ${\displaystyle \alpha }$; 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
	${\displaystyle 0^{\circ }}$	0	0			Nullstelle, Wendepunkt
1. Quadrant	${\displaystyle 0^{\circ }<x<90^{\circ }}$	${\displaystyle 0<x<\pi /2}$	positiv: ${\displaystyle 0<\sin x<1}$	steigend	konkav
	${\displaystyle 90^{\circ }}$	${\displaystyle \pi /2}$	1			Maximum
2. Quadrant	${\displaystyle 90^{\circ }<x<180^{\circ }}$	${\displaystyle \pi /2<x<\pi }$	positiv: ${\displaystyle 0<\sin x<1}$	fallend	konkav
	${\displaystyle 180^{\circ }}$	${\displaystyle \pi }$	0			Nullstelle, Wendepunkt
3. Quadrant	${\displaystyle 180^{\circ }<x<270^{\circ }}$	${\displaystyle \pi <x<3\pi /2}$	negativ: ${\displaystyle -1<\sin x<0}$	fallend	konvex
	${\displaystyle 270^{\circ }}$	${\displaystyle 3\pi /2}$	${\displaystyle -1}$			Minimum
4. Quadrant	${\displaystyle 270^{\circ }<x<360^{\circ }}$	${\displaystyle 3\pi /2<x<2\pi }$	negativ: ${\displaystyle -1<\sin x<0}$	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. ${\displaystyle \sin(\alpha +360^{\circ })=\sin \alpha }$. Außerdem gilt ${\displaystyle \sin(\alpha +180^{\circ })=-\sin \alpha }$, ${\displaystyle \sin(90^{\circ }+\alpha )=\sin(90^{\circ }-\alpha )}$ , ${\displaystyle \sin(180^{\circ }-\alpha )=\sin \alpha }$ etc.

Verlauf des Kosinus in den vier Quadranten

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

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

Quadrant	Gradmaß	Bogenmaß	Bildmenge	Monotonie	Konvexität	Punkttyp
	${\displaystyle 0^{\circ }}$	0	1			Maximum
1. Quadrant	${\displaystyle 0^{\circ }<x<90^{\circ }}$	${\displaystyle 0<x<\pi /2}$	positiv: ${\displaystyle 0<\cos x<1}$	fallend	konkav
	${\displaystyle 90^{\circ }}$	${\displaystyle \pi /2}$	0			Nullstelle, Wendepunkt
2. Quadrant	${\displaystyle 90^{\circ }<x<180^{\circ }}$	${\displaystyle \pi /2<x<\pi }$	negativ: ${\displaystyle -1<\cos x<0}$	fallend	konvex
	${\displaystyle 180^{\circ }}$	${\displaystyle \pi }$	${\displaystyle -1}$			Minimum
3. Quadrant	${\displaystyle 180^{\circ }<x<270^{\circ }}$	${\displaystyle \pi <x<3\pi /2}$	negativ: ${\displaystyle -1<\cos x<0}$	steigend	konvex
	${\displaystyle 270^{\circ }}$	${\displaystyle 3\pi /2}$	${\displaystyle 0}$			Nullstelle, Wendepunkt
4. Quadrant	${\displaystyle 270^{\circ }<x<360^{\circ }}$	${\displaystyle 3\pi /2<x<2\pi }$	positiv: ${\displaystyle 0<\cos x<1}$	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. ${\displaystyle \cos(\alpha +360^{\circ })=\cos \alpha }$. Außerdem gilt ${\displaystyle \cos(\alpha +180^{\circ })=-\cos \alpha }$.

Komplexes Argument

Für komplexe Argumente kann man Sinus und Kosinus entweder über die Reihenentwicklung oder über die Formeln

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

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

definieren.

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

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

und

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

was aus den Additionstheoremen und den Zusammenhängen ${\displaystyle \sin \left(\mathrm {i} \cdot {y}\right)=\mathrm {i} \cdot {\sinh y}}$ sowie ${\displaystyle \cos \left(\mathrm {i} \cdot {y}\right)=\cosh y}$ hergeleitet werden kann, wobei ${\displaystyle \sinh }$ und ${\displaystyle \cosh }$ die Hyperbelfunktionen Sinus und Cosinus Hyperbolicus bezeichnen.

Sinus und Kosinus sind für reelle Argumente auf Werte aus dem Intervall ${\displaystyle [-1,1]}$ beschränkt; im Definitionsbereich der komplexen Zahlen ${\displaystyle \mathbb {C} }$ sind sie dagegen unbeschränkt, was aus dem Satz von Liouville folgt. Sinus und Kosinus können für komplexe Argumente sogar beliebige reelle oder komplexe Werte annehmen.

Zum Beispiel ist

${\displaystyle \cos \mathrm {i} =\cosh 1={\frac {\mathrm {e} ^{1}+\mathrm {e} ^{-1}}{2}}\approx 1{,}54.}$

Für reelle ${\displaystyle x}$ nimmt ${\displaystyle \cos x}$ 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 ${\displaystyle x}$-Richtung vorliegt (nicht aber in ${\displaystyle y}$-Richtung) und dass Sinus und Kosinus durch eine Verschiebung um ${\displaystyle \pi /2}$ auseinander hervorgehen.

Wichtige Funktionswerte

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

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

bestimmt werden. In Gradmaß lautet der Zusammenhang analog

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

Hierbei bezeichnet ${\displaystyle k\in \mathbb {Z} }$ eine ganze Zahl. Die folgende Tabelle listet die wichtigen Funktionswerte der beiden trigonometrischen Funktionen in einer leicht zu merkenden Reihe auf.^[5]

Winkel (Grad)	Bogenmaß	Sinus	Kosinus
${\displaystyle 0^{\circ }}$	${\displaystyle 0}$	${\displaystyle {\frac {1}{2}}{\sqrt {0}}=0}$	${\displaystyle {\frac {1}{2}}{\sqrt {4}}=1}$
${\displaystyle 30^{\circ }}$	${\displaystyle {\frac {\pi }{6}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{2}}{\sqrt {1}}={\frac {1}{2}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{2}}{\sqrt {3}}}$
${\displaystyle 45^{\circ }}$	${\displaystyle {\frac {\pi }{4}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{2}}{\sqrt {2}}={\frac {1}{\sqrt {2}}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{2}}{\sqrt {2}}={\frac {1}{\sqrt {2}}}}$
${\displaystyle 60^{\circ }}$	${\displaystyle {\frac {\pi }{3}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{2}}{\sqrt {3}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{2}}{\sqrt {1}}={\frac {1}{2}}}$
${\displaystyle 90^{\circ }}$	${\displaystyle {\frac {\pi }{2}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{2}}{\sqrt {4}}=1}$	${\displaystyle {\frac {1}{2}}{\sqrt {0}}=0}$

Weitere wichtige Werte sind:

Winkel (Grad)	Bogenmaß	Sinus	Kosinus
${\displaystyle 15^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {\pi }{12}}}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}({\sqrt {6}}-{\sqrt {2}})}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}({\sqrt {6}}+{\sqrt {2}})}$
${\displaystyle 18^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {\pi }{10}}}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\left({\sqrt {5}}-1\right)}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}{\sqrt {10+2{\sqrt {5}}}}}$
${\displaystyle 22{,}5^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {\pi }{8}}}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}{\sqrt {2-{\sqrt {2}}}}}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}{\sqrt {2+{\sqrt {2}}}}}$
${\displaystyle 36^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {\pi }{5}}}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}{\sqrt {10-2{\sqrt {5}}}}}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\left(1+{\sqrt {5}}\right)}$
${\displaystyle 54^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {3\pi }{10}}}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\left(1+{\sqrt {5}}\right)}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}{\sqrt {10-2{\sqrt {5}}}}}$
${\displaystyle 67{,}5^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {3\pi }{8}}}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}{\sqrt {2+{\sqrt {2}}}}}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}{\sqrt {2-{\sqrt {2}}}}}$
${\displaystyle 72^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {2\pi }{5}}}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}{\sqrt {10+2{\sqrt {5}}}}}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\left({\sqrt {5}}-1\right)}$
${\displaystyle 75^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {5\pi }{12}}}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}({\sqrt {6}}+{\sqrt {2}})}$	${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}({\sqrt {6}}-{\sqrt {2}})}$
${\displaystyle 180^{\circ }}$	${\displaystyle \pi }$	${\displaystyle 0}$	${\displaystyle -1}$
${\displaystyle 270^{\circ }}$	${\displaystyle {\frac {3\pi }{2}}}$	${\displaystyle -1}$	${\displaystyle 0}$
${\displaystyle 360^{\circ }}$	${\displaystyle 2\pi }$	${\displaystyle 0}$	${\displaystyle 1}$

Beweisskizzen:

• ${\displaystyle \cos 45^{\circ }=\sin 45^{\circ }={\tfrac {1}{2}}{\sqrt {2}}}$, weil das rechtwinklige Dreieck im Einheitskreis (mit der Hypotenuse 1) dann gleichschenklig ist, und nach Pythagoras gilt ${\displaystyle x^{2}+x^{2}=1^{2}\Rightarrow x={\tfrac {1}{2}}{\sqrt {2}}}$.
• ${\displaystyle \cos 60^{\circ }=\sin 30^{\circ }={\tfrac {1}{2}}}$, weil das rechtwinklige Dreieck im Einheitskreis (mit der Hypotenuse 1) gespiegelt an der ${\displaystyle x}$-Achse dann gleichseitig ist (mit Seitenlänge 1) und somit die Gegenkathete (Sinus) die halbe Seitenlänge beträgt.
• ${\displaystyle \cos 30^{\circ }=\sin 60^{\circ }={\tfrac {1}{2}}{\sqrt {3}}}$, weil für das rechtwinklige Dreieck im Einheitskreis (mit der Hypotenuse 1) wegen ${\displaystyle \sin 30^{\circ }={\tfrac {1}{2}}}$ für den Cosinus nach Pythagoras gilt ${\displaystyle x^{2}+\left({\tfrac {1}{2}}\right)^{2}=1^{2}\ \Rightarrow \ x^{2}={\tfrac {3}{4}}\ \Rightarrow \ x={\tfrac {1}{2}}{\sqrt {3}}}$.
• ${\displaystyle \cos 72^{\circ }=\sin 18^{\circ }={\tfrac {1}{4}}({\sqrt {5}}-1)}$, weil im Pentagramm das Inverse des Goldenen Schnitts auftritt, wobei der halbierte Winkel in den Spitzen gleich 18° ist.
• ${\displaystyle \cos 36^{\circ }=\sin 54^{\circ }={\tfrac {1}{4}}(1+{\sqrt {5}})}$, weil im regelmäßigen Fünfeck der Goldene Schnitt auftritt, wobei der halbierte Innenwinkel gleich 54° ist.
• ${\displaystyle \cos 75^{\circ }=\sin 15^{\circ }}$ und ${\displaystyle \cos 15^{\circ }=\sin 75^{\circ }}$ lassen sich mit Hilfe der Halbwinkelformeln für Sinus und Kosinus herleiten.

Weitere mit Quadratwurzeln angebbare Funktionswerte

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

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

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

${\displaystyle \cos 54^{\circ }=\sin(2\cdot 18^{\circ })={\frac {1}{2}}{\sqrt {\frac {5-{\sqrt {5}}}{2}}}}$

und ${\displaystyle \sin 15^{\circ }}$, woraus folgt

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

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

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

${\displaystyle \alpha =k{\frac {360^{\circ }}{2^{n}p_{1}\dotsm p_{r}}}}$

ist, wobei ${\displaystyle k\in \mathbb {Z} }$, ${\displaystyle n\in \mathbb {N} _{0}}$ und die ${\displaystyle p_{i}}$ für ${\displaystyle i=1,\dotsc ,r}$ Fermatsche Primzahlen sind.^[6] In obigem Beispiel von ${\displaystyle \alpha =3^{\circ }}$ ist ${\displaystyle k=1}$ und der Nenner gleich ${\displaystyle 120=2^{3}\cdot 3\cdot 5}$.

Multiplikationsformeln

Die folgenden Ausdrücke gelten für alle ${\displaystyle n\in \mathbb {N} }$ und komplexen Argumente ${\displaystyle z}$:

${\displaystyle \sin {z}=2^{n-1}\prod \limits _{k=0}^{n-1}\sin {\frac {z+k\,\pi }{n}}}$

${\displaystyle \cos {z}=2^{n-1}\prod \limits _{k=0}^{n-1}\cos {\frac {z+\left(k-{\frac {n-1}{2}}\right)\,\pi }{n}}}$

Fixpunkte

Die Fixpunktgleichung ${\displaystyle \sin(x)=x}$ besitzt

${\displaystyle x=0}$

als einzige reelle Lösung.

Die Gleichung ${\displaystyle \cos x=x}$ hat als einzige reelle Lösung

${\displaystyle x=0{,}73908513321516\ldots }$   ( Folge A003957 in OEIS).

Die Lösung dieser Fixpunktgleichung wurde bereits 1748 von Leonhard Euler untersucht.^[7] Sie ist ein einfaches Beispiel für einen nichttrivialen global attraktiven Fixpunkt, das heißt die Fixpunktiteration ${\displaystyle x_{n+1}=\cos x_{n}}$ konvergiert für jeden Startwert ${\displaystyle x_{0}}$ gegen die Lösung. Mit dem Satz von Lindemann-Weierstraß kann nachgewiesen werden, dass es sich dabei um eine transzendente Zahl handelt. Diese mathematische Konstante wird im englischen Sprachraum auch als Dottie number bezeichnet und mit dem armenischen Buchstaben ա (Ayb) abgekürzt.^[8]

Ableitung

Wird ${\displaystyle x\;}$ im Bogenmaß angegeben, so gilt für die Ableitung der Sinusfunktion^[9]

${\displaystyle \sin ^{\prime }x=\cos x}$

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

${\displaystyle \cos ^{\prime }x=-\sin x}$

und daraus schließlich auch alle höheren Ableitungen von Sinus und Kosinus

${\displaystyle \sin ^{(4n+k)}x=\sin(x+k{\frac {\pi }{2}})=\left\{{\begin{matrix}\sin x,&{\text{wenn }}k=0\\\cos x,&{\text{wenn }}k=1\\-\sin x,&{\text{wenn }}k=2\\-\cos x,&{\text{wenn }}k=3\end{matrix}}\right.}$