FUNZIONI GONIOMETRICHE
Prof. Walter Pugliese
Le funzioni seno e coseno
Definizione:
Consideriamo la circonferenza
goniometrica e un angolo orientato πΌ, e sia π΅ il punto della circonferenza
associato ad πΌ.
Definiamo coseno e seno di πΌ, e indichiamo con ππ¨π¬ πΆ e π¬π’π§ πΆ:
cos πΆ = ππ© sin πΆ = ππ©
Le funzioni seno e coseno
Circonferenza di raggio unitario
Indichiamo con (x; y) le coordinate di B.
x = cos a y = sen a
Circonferenza di centro O e raggio qualsiasi
Indichiamo con (x'; y') le coordinate di Bβ.
π2
π2 = πΆπ¨2
πΆπ©2 = πΆπ¨
πΆπ© = cos πΆ π2
π2 = π©2π¨2
πΆπ©2 = π©π¨
πΆπ© = sen πΆ
Scopriamo che:
Indichiamo con (x'; y') le coordinate di Bβ.
π2
π2 π π2 π2
e quindi sen a e cos a non dipendono dalla
particolare circonferenza considerata, ma solo
dallβangolo a.
Il triangolo ππ΄2π΅2 Γ¨ un triangolo rettangolo.
Le proprietΓ del seno e del coseno si applicano a tutti i triangoli
rettangoli
Triangoli rettangoli
Le funzioni seno e coseno
sen a = rapporto tra il cateto opposto allβangolo e lβipotenusa.
cos a = rapporto tra il cateto adiacente allβangolo e
lβipotenusa.
Le variazioni e il grafico delle funzioni seno e coseno
Costruiamo il grafico delle funzioni y = sen x e y = cos x in [0; 2p]
riportando sullβasse x i valori degli angoli e sullβasse y le coordinate dei punti della circonferenza
goniometrica.
ProprietΓ :
In particolare si verifica che :
βπ β€ π¬ππ§ π β€ π
βπ β€ ππ¨π¬ π β€ π Inoltre:
il coseno Γ¨ una funzione pari cos π₯ = cos βπ₯
il seno Γ¨ una funzione dispari sen π₯ = βseπ βπ₯
PoichΓ©:
sen π₯ + 2π = π ππ π₯ = sen π₯ + 4π = β― , cos π₯ + 2π = πππ π₯ = cos π₯ + 4π = β― ,
cioΓ¨ sen π₯ + 2ππ = sen π₯
cos π₯ + 2ππ = cos π₯ le funzioni seno e coseno sono periodiche di periodo ππ
Sinusoide e cosinusoide
Il grafico completo della funzione seno si chiama sinusoide, quello della funzione coseno cosinusoide.
I due grafici differiscono per una traslazione di QR .
Prima relazione fondamentale della goniometria.
πππππΆ + πππππΆ = π da cui
sen πΌ = Β± 1 β πππ RπΌ se Γ¨ noto cos πΌ cos πΌ = Β± 1 β π ππRπΌ se Γ¨ noto sen πΌ
La prima relazione fondamentale
DEFINIZIONE:
Consideriamo un angolo orientato πΌ e chiamiamo π΅ lβintersezione fra il lato termine e la
circonferenza goniometrica di centro π.
Definiamo tangente di πΌ la funzione che ad πΌ
associa il rapporto, quando esiste, fra lβordinata e lβascissa dal punto π΅.
πππ§ πΆ = ππ© ππ©
La funzione tangente
πΆπππππππππππ: il rapporto πππ©
π© non esiste solo quando π₯k = 0, ossia quando π΅ si trova sullβasse π¦ e lβangolo Γ¨ uguale a QR o nRπ o un altro valore che ottieni da QR aggiungendo multipli interi dellβangolo piatto. Quindi la tangente esiste solo se:
πΆ β π
π + ππ , πππ π β π
Seconda relazione fondamentale della goniometria.
Considerando la circonferenza goniometrica. Per Definizione:
tan πΌ = tvu
u , π¦k= sen πΌ π π₯k = cos πΌ Sostituiamo sen πΌ π cos πΌ nellβespressione della tangente:
πππ πΆ = πππ πΆ ππ¨π¬ πΆ
La seconda relazione fondamentale
La funzione tangente
Circonferenza di centro O e raggio qualsiasi
Indichiamo con (x'; y') le coordinate di Bβ.
π2
π2 = π¨2π©2
πΆπ¨2 = π¨π©
πΆπ¨ = tan πΆ
Triangolo rettangolo Considerando il triangolo rettangolo ππ΄π΅. Possiamo pensare lβipotenusa ππ΅ come il raggio di una
circonferenza di centro π.
Pertanto:
Un altro modo per definire la tangente:
Consideriamo la circonferenza goniometrica e la retta tangente a essa nel punto πΈ, origine degli archi, e un angolo πΌ.
Il prolungamento del lato termine ππ΅ interseca la retta tangente nel punto π.
La tangente di πΆ puΓ² anche essere definita come il valore dellβordinata di T: tan πΆ = ππ»
Le variazioni e il grafico della funzione tangente
Costruiamo il grafico della funzione
y = tg x e in [0; p] riportando sullβasse x i valori degli angoli e sullβasse y lβordinata del punto π.
ProprietΓ :
Data la funzione y = tg x Dominio:
π β π
π + ππ , πππ π β π Codominio:
ββ β€ πππ§ π β€ +β
Inoltre:
ππ π = βππ βπ
la tangente Γ¨ una funzione dispari.
PoichΓ©:
π‘π πΌ + π = π‘π πΌ = π‘π πΌ + 2π = β― cioΓ¨:
ππ πΆ = ππ πΆ + π²π πππ π β π la funzione tangente Γ¨ periodica di periodo π .
La tangentoide
Il grafico completo della funzione tangente si chiama tangentoide
π¬π’π§ πΆ = πππ§ πΆ
Β± π + πππππΆ
ππ¨π¬ πΆ = π
Β± π + πππππΆ
Formule per trovare sin πΆ e cos πΆ in funzione di tan πΆ
Tracciamo la circonferenza goniometrica e la retta di equazione π = ππ, da cui:
π = tv In particolare se π₯ = 1, π¦ = tan πΌ e:
π = tan πΌ
1 = πππ§ πΆ
Il coefficiente angolare della retta Γ¨ uguale alla tangente dellβangolo fra la retta e lβasse π.
Significato geometrico del coefficiente angolare di una retta
Definizione:
Dato un angolo πΌ, chiamiamo:
β’ secante di πΌ la funzione che associa ad πΌ il reciproco del valore di cos πΌ, purchΓ¨ cos πΌ sia diverso da 0. Si indica con sec πΌ:
π¬ππ πΆ = π
ππ¨π¬ πΆ , con Ξ± β π
2 + ππ π π β π
β’ cosecante di πΌ la funzione che associa ad πΌ il reciproco del valore di sin πΌ, purchΓ¨ sin πΌ sia diverso da 0. Si indica con csc πΌ:
ππ¬π πΆ = π
πππ πΆ, con Ξ± β ππ π π β π
Secante e cosecante, come seno e coseno, sono funzioni periodiche di periodo 2π.
Funzioni secante e cosecante
Consideriamo la circonferenza goniometrica, lβangolo πΌ e la tangente in π΅ che interseca gli assi π₯ e π¦ rispettivamente in π e π2.
Dalla similitudine dei triangoli risulta:
πΆπΊ = π¬ππ πΆ e
πΆπΊ2 = ππ¬π πΆ
La secante di πΆ quindi Γ¨ lβascissa del punto πΊ, intersezione della retta tangente nel punto π΅, associato ad πΌ sulla
circonferenza goniometrica, con lβasse π₯.
La cosecante di πΆ quindi Γ¨ lβordinata del puntoπΊ2, intersezione della retta tangente in π΅, con lβasse π¦.
Un altro modo per definire la secante e la cosecante
PropritΓ :
Data la funzione π = π¬ππ π Dominio:
x β π
2 + ππ π π β π Codominio:
π β β1; 1
Data la funzione π = ππ¬π π Dominio:
x β ππ π π β π Codominio:
π β β1; 1
OSS.: Il grafico di una funzione si ottiene da quello dellβaltra con una traslazione di vettore parallelo allβasse π₯ e modulo QR.
I grafici delle funzioni secante e cosecante
Definizione:
Consideriamo un angolo πΌ e chiamiamo π΅ lβintersezione fra il lato termine e la
circonferenza goniometrica. Definiamo cotangente di πΌ la funzione che associa ad πΌ il rapporto, quando esiste, fra lβascissa e lβordinata del punto π΅:
ππ¨π πΆ = ππ© ππ©
La funzione cotangente
πΆπππππππππππ: il rapporto ππ©
ππ© non esiste quando π¦k = 0, ossia quando π΅ si trova sullβasse π₯, cioΓ¨
quando lβangolo misura 0, π e tutti i multipli interi di π.
πππ πΆ esiste quindi solo se πΆ β ππ
La funzione cotangente
πΆπππππππππππ:
PoichΓ© tan πΌ =
tvuu
e cot πΌ =
vtuu
, risulta tan πΌ β’ cot πΌ = 1, da cui:
ππ¨π πΆ =
ππππ§ πΆ
con πΌ β π
QROsservazione:
Considerando la circonferenza goniometrica. Per Definizione:
πππ‘ πΌ =
vutu
, π₯
k= πππ πΌ π π¦
k= sen πΌ
Sostituiamo cos πΌ π sen πΌ nellβespressione della cotangente:
πππ πΆ =
πππ πΆπππ πΆ
con πΌ β ππ
Un altro modo di definire la cotangente
Consideriamo la circonferenza goniometrica e la retta tangente a essa nel punto πΉ.
Il prolungamento del lato ππ΅ incontra la retta tangente nel punto π.
La cotangente dellβangolo πΌ puΓ² anche essere definita come il valore dellβascissa del punto π.
ππ¨π πΆ = π
πΈGrafico della funzione π = cot π
Come la tangente, anche la funzione cotangente puΓ² assumere qualunque valore reale, il codominio della cotangente Γ¨ quindi π , mentre il suo dominio Γ¨: π₯ β ππ.
In analogia con la tangente, la funzione cotangente risulta periodica di
periodo π.
π¬π’π§ πΆ = π
Β± π + πππππΆ
ππ¨π¬ πΆ = Β± ππ¨π πΆ π + πππππΆ
Formule per trovare sin πΆ e cos πΆ in funzione di cot πΆ
Lβangolo π π:
Il triangolo ππ΅πΆ Γ¨ equilatero perchΓ© ha gli angoli di Qn, quindi π΅πΆ = 1.
π΄π΅ Γ¨ la metΓ di π΅πΆ, ossia π¨π© = ππ
Ricaviamo ππ΄ applicando il teorema di Pitagora al triangolo ππ΄π΅:
πΆπ¨ = ππ΅R β π΄π΅R = 1R β 1 2
R
= 3
4 = π π Pertanto:
π¬π’π§ π
π = π
π π ππ¨π¬π
π = π π
Da cui sono poi facilmente ricavabili:
πππ§π
π = π
π π ππ¨π π
π = π; π¬ππ π π = π π
π π ππππ
π = π
Funzioni goniometriche di angoli particolari
Lβangolo π π:
PoichΓ© anche lβangolo in π΅ misura QΕΎ , il triangolo ππ΄π΅ Γ¨ isoscele.
Applicando il teorema di Pitagora al triangolo ππ΄π΅:
ππ΄R + π΄π΅R = ππ΅R
PoichΓ© ππ΄ = π΄π΅ π ππ΅ = 1 :
2ππ΄R = 1 β πΆπ¨ = 1
2 = π π Pertanto:
π¬π’π§ π
π = π
π π πππ π
π = π
Da cui sono poi facilmente ricavabili:π πππ§π
π = ππ¨π π
π = π; π¬ππ π π = πππ π
π = π
Funzioni goniometriche di angoli particolari
Lβangolo π π:
Consideriamo il triangolo Oπ΄π΅ nella circonferenza goniometrica.
PoichΓ© πΌ = Qn, lβangolo in π΅ misura Q .
Congiungendo π΅ con πΈ, otteniamo il triangolo equilatero OEπ΅.
π΅π΄ Γ¨ lβaltezza mediana del triangolo ππΈπ΅, quindi πΆπ¨ = ππ
Ricaviamo π΄π΅ applicando il teorema di Pitagora al triangolo ππ΄π΅:
π¨π© = ππ΅R β ππ΄R = 1R β 1 2
R
= 3
4 = π π Pertanto:
πππ π
π = π
π π πππ π
π = π
Da cui sono poi facilmente ricavabili:π πππ§π
π = π π ππ¨ππ
π = π
π ; π¬ππ π π = π π ππππ
π = π π
π
Funzioni goniometriche di angoli particolari
Funzioni goniometriche di angoli particolari
TABELLA RIASSSUNTIVA πΆ = π
π πΆ = π
π πΆ = π
π
π¬π’π§ πΆ 1
2 2
2
3 2
ππ¨π¬ πΆ 3
2
2 2
1 2
πππ§ πΆ 3
3
1 3
ππ¨π πΆ 3 1 3
3
π¬ππ πΆ 2 3
3
2 2
ππ¬π πΆ 2 2 2 3
3
Angoli associati
Consideriamo un angolo πΌ. Chiamiamo angoli associati (o archi associati) ad πΌ i seguenti angoli:
βπΌ, QR β πΌ, Q
R + πΌ, π β πΌ, π + πΌ, nQR β πΌ, nQ
R + πΌ, 2π β πΌ.
Angoli πΆ e βπΆ :
π¬π’π§ βπΆ = βπ¬π’π§ πΆ πππ§ βπΆ = β πππ§ πΆ
ππ¨π¬ βπΆ = ππ¨π¬ πΆ ππ¨π βπΆ = β ππ¨π πΆ
Angoli πΆ e 2π β πΆ :
π¬π’π§ 2π β πΆ = βπ¬π’π§ πΆ πππ§ 2π β πΆ = β πππ§ πΆ ππ¨π¬ 2π β πΆ = ππ¨π¬ πΆ ππ¨π 2π β πΆ = β ππ¨π πΆ
Angoli associati
Angoli πΆ e π π β πΆ: π¬π’π§ π
π β πΆ = ππ¨π¬ πΆ πππ§ π
π β πΆ = ππ¨π πΆ ππ¨π¬ π
π β πΆ = π¬π’π§ πΆ ππ¨π π
π β πΆ = πππ§ πΆ Angoli πΆ e π π + πΆ:
π¬π’π§ π
π + πΆ = ππ¨π¬ πΆ πππ§ π
π + πΆ = β ππ¨π πΆ ππ¨π¬ π
π + πΆ = βπ¬π’π§ πΆ ππ¨π π
π + πΆ = β πππ§ πΆ
Angoli associati
Angoli πΆ e π β πΆ:
π¬π’π§ π β πΆ = π¬π’π§ πΆ πππ§ π β πΆ = β πππ§ πΆ ππ¨π¬ π β πΆ = βππ¨π¬ πΆ ππ¨π π β πΆ = β ππ¨π πΆ
Angoli πΆ e π + πΆ:
π¬π’π§ π + πΆ = βπ¬π’π§ πΆ πππ§ π + πΆ = πππ§ πΆ ππ¨π¬ π + πΆ = βππ¨π¬ πΆ ππ¨π π + πΆ = ππ¨π πΆ
Angoli associati
Angoli πΆ e ππ π β πΆ: π¬π’π§ ππ
π β πΆ = βππ¨π¬ πΆ πππ§ ππ
π β πΆ = ππ¨π πΆ ππ¨π¬ ππ
π β πΆ = βπ¬π’π§ πΆ ππ¨π π
π β πΆ = πππ§ πΆ Angoli πΆ e ππ π + πΆ:
π¬π’π§ ππ
π + πΆ = βππ¨π¬ πΆ πππ§ ππ
π + πΆ = β ππ¨π πΆ ππ¨π¬ ππ
π + πΆ = π¬π’π§ πΆ ππ¨π ππ
π + πΆ = β πππ§ πΆ
Riduzione al primo quadrante
Utilizzando le relazioni stabilite per gli angoli associati, Γ¨ possibile determinare le funzioni goniometriche di qualunque angolo, conoscendo le funzioni goniometriche degli angoli che appartengono al primo quadrante.
Il procedimento relativo viene detto riduzione al primo quadrante.
Esempio:
Riduciamo al primo quadrante π ππ 110Β°.
PoichΓ©
110
Β°= 90
Β°+ 20
Β°, possiamo scrivere:sin 110Β° = sin 90Β° + 20Β° = cos 20Β°
Funzioni goniometriche inverse
Le funzioni inverse delle funzioni seno, coseno, tangente e cotangente sono, rispettivamente:
arcoseno: π = arcsin π π«: βπ; π ; πͺ: β
π π;
πES.: arcsin(1) =
QR πarcocoseno: π = arcπππ π π«: βπ; π ; πͺ: π; π
ES.: arcπππ (β1) = π
arcotangente: π = arcπ‘ππ π π«: πΉ ; πͺ: β
π π;
ππ
ES.: arctan(1) =
QΕΎarcocotangente: π = arcπππ‘ π π«: πΉ ;πͺ: π; π
ES.: arccot
nn=
Qn
Funzioni goniometriche e trasformazioni geometriche
Dai grafici delle funzioni goniometriche si ottengono grafici di altre
funzioni mediante traslazioni, simmetrie, dilatazioni e contrazioni. Noi
studieremo soltanto grafici di funzioni sinusoidali.
Funzioni sinusoidali
Una funzione sinusoidale Γ¨ una funzione del tipo:
π = π¨ π¬π’π§ ππ + π , π² = π ππ¨π¬ ππ + π con π΄, π, π β π . Chiamiamo:
β’ Ampiezza della funzione sinusoidale il numero π΄ ;
β’ Pulsazione il numero π;
β’ Sfasamento il numero π.
Il codominio di una funzione sinusoidale Γ¨ β π΄ ; π΄
Il periodo di una funzione sinusoidale Γ¨ π =
RQΒ³.
Il grafico di una funzione sinusoidale sinusoidale
Studiamo il grafico di π¦ = π΄ cos ππ₯ + π
Esempio di di una funzione sinusoidale sinusoidale
Consideriamo la funzione y = 3 sin 2π₯ +
QnRaccogliendo 2 allβinterno della parentesi si puΓ² riscrivere come:
π¦ = 3 sin 2 π₯ + π