Beweisarchiv: Geometrie: Trigonometrie: Additionstheoreme: Kosinus

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Additionstheoreme (Kosinus)

Beweis für:

cos⁡(α±β)=cos⁡α⋅cos⁡β∓sin⁡α⋅sin⁡β

Im rechtwinkligen Dreieck △AOB ist

(1)  cos⁡(α+β)=OA‾1=OA‾

Im rechtwinkligen Dreieck △BOD ist

(2)  cos⁡β=OD‾1=OD‾

und

(3)  sin⁡β=BD‾1=BD‾

Im rechtwinkligen Dreieck △OCD ist

(4.1) cos⁡α=OC‾OD‾

(2) eingesetzt

(4.2) cos⁡α=OC‾cos⁡β

(4.3) cos⁡α⋅cos⁡β=OC‾


Zwischenbeweis:

Die Dreiecke △BSD und △OSA sind beide rechtwinklig
und deshalb sind ∠BSD=∠OSA Scheitelwinkel und daher ist auch

(5.0) ∠SOA=∠SBD=α


Im rechtwinkligen Dreieck △EDB gilt:

(5.1) sin⁡α=DE‾BD‾

(3) eingesetzt

(5.2) sin⁡α=DE‾sin⁡β

(5.3) sin⁡α⋅sin⁡β=DE‾

(6.1) OA‾=OC‾−DE‾

(4.3) und (5.3) eingesetzt

(6.2) OA‾=cos⁡α⋅cos⁡β−sin⁡α⋅sin⁡β

in (1) eingesetzt

(7) cos⁡(α+β)=cos⁡α⋅cos⁡β−sin⁡α⋅sin⁡β


Wenn Winkel β negativ:

(8)  cos⁡(α−β)=cos⁡α⋅cos⁡(−β)−sin⁡α⋅sin⁡(−β)

(9a) cos⁡(−β)=+cos⁡β

und

(9b) sin⁡(−β)=−sin⁡β

eingesetzt in (8)

(10) cos⁡(α−β)=cos⁡α⋅cos⁡β+sin⁡α⋅sin⁡β

(7) und (10) zusammengefasst

(11)  cos⁡(α±β)=cos⁡α⋅cos⁡β∓sin⁡α⋅sin⁡β


Daraus ergibt sich auch für den doppelten Winkel

bei α=β

(12)  cos⁡2α=cos⁡α⋅cos⁡α−sin⁡α⋅sin⁡α

(13)  cos⁡2α=cos2α−sin2α

oder weil

sin2α+cos2α=1

(14.1)  cos⁡2α=cos2α−(1−cos2α)

(14.2)  cos⁡2α=2cos2α−1

oder

(15.1)  cos⁡2α=1−sin2α−sin2α

(15.2)  cos⁡2α=1−2sin2α


Halbwinkelformel

Aus Formel (14.2):  cos⁡2α=2cos2α−1

wenn:   α=φ2

(16)  cos⁡φ=2cos2φ2−1

aufgelöst nach:   cos2φ2

(17.1)  cos2φ2=1+cos⁡φ2

oder

(17.2)  cos⁡φ2=1+cos⁡φ2

Additionstheoreme (Kosinus)

Beweis für:

cos⁡(α±β)=cos⁡(α)⋅cos⁡(β)∓sin⁡(α)⋅sin⁡(β)

Für den Beweis werden die Beziehungen
sin⁡(α)=12⋅𝗂⋅(𝖾𝗂⋅α−𝖾−𝗂⋅α)cos⁡(α)=12⋅(𝖾𝗂⋅α+𝖾−𝗂⋅α)
verwendet.

Es gilt:
cos⁡(α±β)=cos⁡(α)⋅cos⁡(β)∓sin⁡(α)⋅sin⁡(β)=12⋅(𝖾𝗂⋅α+𝖾−𝗂⋅α)⋅12⋅(𝖾𝗂⋅β+𝖾−𝗂⋅β)∓12⋅𝗂⋅(𝖾𝗂⋅α−𝖾−𝗂⋅α)⋅12⋅𝗂⋅(𝖾𝗂⋅β−𝖾−𝗂⋅β)=14⋅((𝖾𝗂⋅α+𝖾−𝗂⋅α)⋅(𝖾𝗂⋅β+𝖾−𝗂⋅β)±(𝖾𝗂⋅α−𝖾−𝗂⋅α)⋅(𝖾𝗂⋅β−𝖾−𝗂⋅β))=14⋅(𝖾𝗂⋅(α+β)+𝖾𝗂⋅(α−β)+𝖾−𝗂⋅(α−β)+𝖾−𝗂⋅(α+β)±𝖾𝗂⋅(α+β)∓𝖾𝗂⋅(α−β)∓𝖾−𝗂⋅(α−β)±𝖾−𝗂⋅(α+β))=14⋅(𝖾𝗂⋅(α+β)±𝖾𝗂⋅(α+β)+𝖾𝗂⋅(α−β)∓𝖾𝗂⋅(α−β)+𝖾−𝗂⋅(α−β)∓𝖾−𝗂⋅(α−β)+𝖾−𝗂⋅(α+β)±𝖾−𝗂⋅(α+β))=14⋅((1±1)⋅𝖾𝗂⋅(α+β)+(1∓1)⋅𝖾𝗂⋅(α−β)+(1∓1)⋅𝖾−𝗂⋅(α−β)+(1±1)⋅𝖾−𝗂⋅(α+β))=12⋅(𝖾𝗂⋅(α±β)+𝖾−𝗂⋅(α±β))
Die Umformung zur vorletzten Zeile ist möglich, da entweder (1±1)⋅𝖾±𝗂⋅(α+β) oder (1∓1)⋅𝖾±𝗂⋅(α−β) auftritt.


Wikipedia-Verweise

Additionstheoreme