Синус и косинус суммы трёх углов: вывод и формулы

Формулы синуса и косинуса суммы двух углов проходят почти в каждом курсе тригонометрии, а вот что делать, если углов три, обычно приходится выводить самому. Никакой отдельной "третьей" формулы запоминать не нужно: результат получается двукратным применением обычных формул сложения, только слагаемых становится больше, и в них легко запутаться со знаками. Ниже разберём вывод по шагам, соберём итоговые формулы для синуса и косинуса суммы трёх углов и разберём, где чаще всего ошибаются. Чтобы сразу увидеть, как складываются слагаемые и как каждый угол дальше поворачивает точку на окружности, подвигайте калькулятор ниже, а потом сверьте вычисления с разбором формулы.
Как вывести формулу синуса суммы трёх углов
Идея простая: сумму трёх углов представляем как сумму двух слагаемых, и , и применяем обычную формулу синуса суммы:
Осталось раскрыть и по обычным формулам сложения для двух углов:
Подставляем оба выражения в первую строку и раскрываем скобки:
Это и есть итоговая формула. У неё ровно четыре слагаемых: три с одним синусом и двумя косинусами (плюс), и одно с тремя синусами (минус). Такую структуру удобно запомнить как правило: "нечётное число синусов даёт плюс, кроме случая всех трёх синусов сразу, там минус".
Формула косинуса суммы трёх углов
Косинус выводится тем же приёмом, только с формулой косинуса суммы на первом шаге:
Снова подставляем и из формул сложения для двух углов и раскрываем скобки:
Здесь тоже четыре слагаемых, но знаки распределены иначе: плюс только у слагаемого с тремя косинусами, а у всех слагаемых с чётным числом синусов (по одному синусу в каждом из трёх оставшихся) стоит минус. Если сравнить обе формулы, видно закономерность: у синуса минус получает слагаемое с тремя синусами, у косинуса плюс получает слагаемое с тремя косинусами, а остальные слагаемые меняют знак на противоположный тому, что "естественно" ожидать по количеству синусов.
Геометрический смысл на единичной окружности
Проще всего увидеть формулу не через алгебру, а через саму окружность. Отложим угол , из этой точки повернём ещё на (попадём в точку, отвечающую углу ), а из неё довернём ещё на . Координаты финальной точки как раз и есть .

Такая картинка объясняет, почему при трёх слагаемых формула "разрастается": каждый следующий поворот приходится раскладывать по компонентам предыдущего результата, и число комбинаций растёт как произведений (по три множителя в каждом), которые затем группируются в четыре слагаемых с учётом знака.
Пример вычисления для углов 30°, 45° и 60°
Возьмём конкретные углы: , , . Их сумма равна , поэтому результат можно проверить напрямую: , . Посмотрим, даёт ли формула то же самое.
Синусы и косинусы исходных углов: , , , , .
Подставляем в формулу синуса суммы трёх углов:
Это в точности , значение . Так же проверяется и косинус:
что совпадает с . Совпадение прямого вычисления и разложения по формуле - надёжный способ проверить себя в задаче: если числа разошлись, ошибка либо в знаке одного из слагаемых, либо в самих значениях синуса и косинуса исходных углов.
Особый случай: углы треугольника
Отдельно стоит запомнить случай , то есть углы обычного треугольника. Тогда , и формула сразу даёт полезное тождество:
А поскольку , из формулы косинуса суммы трёх углов треугольника следует:
Такие тождества часто встречаются в задачах на доказательство, где явно углы треугольника не считают, а используют только условие , чтобы упростить выражение.
Частые ошибки
- Забыть одно из четырёх слагаемых. При раскрытии скобок легко потерять один из членов, особенно тот, что с минусом. Удобно сначала выписать все восемь произведений троек синусов/косинусов, а потом сгруппировать их в четыре итоговых слагаемых.
- Перепутать знак у слагаемого с тремя синусами (в синусе) или с тремя косинусами (в косинусе). Именно эти слагаемые выбиваются из общей закономерности "нечётное число синусов - плюс, чётное - минус".
- Не привести углы к одной единице измерения. Если один угол дан в градусах, а другой в радианах, перед подстановкой в формулу их нужно перевести в одну систему.
- Подставить в формулу углы треугольника, не удостоверившись, что их сумма действительно 180°. Особый случай выше работает только при этом условии.
- Спутать формулу суммы трёх углов с формулой тройного угла. Тройной угол - это частный случай при , и разворачивать его общей формулой суммы неудобно: для и есть отдельные, более короткие формулы.
FAQ
Как быстро проверить, что формула синуса суммы трёх углов выведена верно? Подставьте частный случай : тогда , , и формула должна свестись к обычной формуле синуса суммы двух углов . Если сокращение не получилось, в выводе есть ошибка.
Можно ли выводить формулу, группируя сначала и , а не и ? Да, результат не зависит от порядка группировки: и дают одну и ту же итоговую формулу, потому что сложение углов коммутативно и ассоциативно.
Существуют ли отдельные формулы для синуса и косинуса суммы четырёх и более углов? Отдельных "именных" формул для четырёх и более углов обычно не запоминают: применяют тот же приём двукратного (или многократного) сложения, группируя углы по два на каждом шаге, пока не останется один угол.
Коротко
Синус и косинус суммы трёх углов получаются двукратным применением обычных формул сложения: сначала группируем , затем добавляем . В итоге получаются формулы с четырьмя слагаемыми: и . Геометрически это три последовательных поворота на единичной окружности, а частный случай даёт полезные тождества для углов треугольника.
Читайте также

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.

Мнемоническое правило формул приведения
Мнемоническое правило формул приведения простыми словами: как за два шага найти название функции и знак результата для sin, cos, tg и ctg угла вида 90°·k ± α.

Отбор корней на тригонометрической окружности
Как отбирать корни тригонометрического уравнения на единичной окружности: главное значение, симметричный корень, наложение промежутка - пошаговый метод с примерами.

Тригонометрические неравенства на окружности: метод дуг
Как решать неравенства sin x больше a и cos x меньше a методом единичной окружности: находим arcsin и arccos, отмечаем дугу решений и записываем общий ответ с периодом 2πn.

Атрибуты сущности в ER-модели: пять типов и примеры
Разбираем пять типов атрибутов сущности в ER-модели: простой, составной, ключевой, многозначный, производный, с примерами и переходом к столбцам и таблицам реляционной схемы.

Циркуляция векторного поля по контуру: формула и смысл
Циркуляция векторного поля по контуру: что это такое, как вычислить линейный интеграл по параметризации и через ротор поля с теоремой Грина, разбор типичных ошибок и примеров расчёта.