Riassunto:
Le funzioni trigonometriche esprimono semplici relazioni geometriche fra angoli e (rapporti di) lunghezze.|
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Iniziamo con una domanda innocente: Dato un bastone di lunghezza 1 inclinato di un angolo α rispetto al piano orizzontale, quanto è lunga la sua ombra quando il sole lo
illumina verticalmente? Si consideri lo schizzo a lato: Il segmento rosso rappresenta il bastone, la freccia
rappresenta la luce che cade dall'alto. L'angolo a può essere scelto arbitrariamente
(nell'esempio a lato abbiamo α = 51°). Si cerca la lunghezza del
segmento verde.A questo punto si ha una sorpresa che pone lo studente in una situazione completamente nuova. Il problema non è solubile con le operazioni di calcolo che abbiamo visto fino ad ora! Solo in casi eccezionali la lunghezza dell'ombra può essere espressa con numeri già noti (ad esempio per a = 60° la lunghezza è 1/2, per a = 45° è 2-1/2), mentre se prendiamo α = 51° otteniamo un numero (reale) che non si esprime in questo modo né in modo simile.
Pur non sapendo come
calcolare la lunghezza dell'ombra per
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Funzioni |
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Vi
preghiamo quindi di accettare il fatto che in questo capitolo non
troverete spiegazioni su come i calcolatori effettuano queste
operazioni. Ciò non ci impedisce comunque di utilizzare questi
strumenti: Provate a introdurre un angolo e a cliccare il segno = per ottenere il suo seno e coseno! Possiamo anche calcolare l'esempio visto sopra (α = 51°) con grande precisione. Il nostro piccolo calcolatore ci dice che cos(51°) = 0.6293203910498375, e questa è la lunghezza cercata dell'ombra proiettata sulla terra dal raggio verticale del sole. Per l'esattezza, anche questo è soltanto un valore approssimato, ma nella pratica è sin troppo preciso. Se il nostro bastone rosso ad esempio è lungo un metro, possiamo senz'altro dire che la lunghezza dell'ombra è 62.9 cm. Seno e Coseno, così come tutte le altre funzioni trigonometriche che imparerete a conoscere in questo capitolo, hanno un ruolo essenziale in matematica e in molte applicazioni. Fondamentalmente la loro importanza deriva dal fatto che nascono da problemi geometrici semplici e molto generali (nel senso che si presentano frequentemente). Che il calcolo numerico sia complicato e venga quindi delegato al computer o al calcolatore tascabile non dovrebbe distogliere dalla loro sostanziale semplicità. . |
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In
molti libri Seno e Coseno vengono introdotti attraverso le proprietà (1) e
(2). Potete cliccare sull' Applet qui a fianco per
prendere più confidenza con (1) e (2).
Quindi h = sin(19.5°) × 3.7 km. Utilizzando il nostro calcolatore otteniamo sin(19.5°) = 0.3338, e quindi h = 0.3338 × 3.7 km = 1.24 km, arrotondando il risultato ragionevolmente. |
Applet: Definizione Funzioni Trigonometriche |
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Le nostre definizioni date
sopra di Seno e Coseno in realtà non sono ancora complete.
Ricordiamoci: Abbiamo introdotto Seno e Coseno come lunghezze dell'ombra
di un bastone inclinato di lunghezza 1, rispettivamente sotto un
raggio di luce verticale (cos α) e
un raggio di luce orizzontale. (sin a). Lo raffiguriamo nel disegno qui a fianco, piazzando un
estremo del bastone (rosso) nell'origine di un
sistema di coordinate cartesiane e riportando "le ombre" (o meglio
proiezioni) lungo gli assi cartesiani. L'angolo a si misura relativamente all'asse orizzontale (delle
ascisse) in
senso antiorario.
Vediamo che si può aumentare l' angolo a ruotando il bastone rosso come una lancetta di orologio (ma in senso antiorario). La punta della lancetta descrive un cerchio (di raggio 1) detto "circonferenza goniometrica". Possiamo ruotare la
lancetta, cioè il raggio rosso della circonferenza goniometrica, anche oltre la linea verticale. In tal caso la posizione
del raggio è descritta,
come nella figura a fianco a sinistra, da un angolo ottuso. Anche in questo caso
possiamo, come sopra, riportare le proiezioni sugli assi cartesiani e definire così
Seno e Coseno per un angolo ottuso.
Qui adotteremo la seguente convenzione: Un segmento orientato verso sinistra
oppure verso il basso rispetto all'origine sarà considerato negativo. L'angolo rappresentato
nell'esempio a sinistra è 131°. La lunghezza del segmento verde è circa 0.656. Il Coseno di questo angolo è quindi circa
-0.656, perciò negativo!
Provate voi stessi con l'aiuto del nostro calcolatore!
sin(131°) invece è positivo (circa 0.755),
poiché il segmento blu è orientato verso l'alto rispetto
all'origine.
Se continuiamo a ruotare il raggio rosso, possiamo rappresentare qualsiasi angolo fra 0° e 360°, e in tutti questi casi il nostro procedimento ci fornirà un valore univocamente determinato per il Seno e per il Coseno indicandoci anche il loro segno. Cliccando a fianco a destra otterrete una rassegna sulle varie combinazioni di segno. Il segno di Seno e Coseno dipende dal quadrante in cui si trova il raggio che rappresenta l'angolo α (i quadranti dividono il piano cartesiano in quattro parti delimitate dagli assi che vengono numerate in senso antiorario da 1: " in alto a destra", 2: "in alto a sinistra" e 3: "in basso a sinistra" fino a 4: "in basso a destra"). Possiamo anche continuare a ruotare il raggio, ma non otterremo niente di nuovo: Un angolo di 370° non è diverso da 10° - per cui anche le funzioni trigonometriche coincidono, ad es. sin(370°) = sin(10°). Anche ruotando il raggio in senso inverso e riducendo α fino a raggiungere i numeri negativi non troveremo niente di nuovo: Un angolo di -10° non è diverso da 350°, per cui anche le funzioni trigonometriche coincidono, ad es. sin(-10°) = sin(350°). Il nostro calcolatore ve lo confermerà! |
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Come mai vogliamo definire
Seno e Coseno per qualsiasi angolo, e perché lo facciamo così?
Soprattutto per scopi pratici. Angoli fra 90° e 180° (cosiddetti ottusi,
mentre quelli fra 0° e 90° sono detti acuti) sono presenti in molte
applicazioni. E se il raggio rosso
è orientato verso destra e inclinato di 1° verso il basso,
è molto più semplice indicare l'angolo con -1°
piuttosto che con 359°. Questa convenzione però ha anche delle conseguenze teoriche.
Ad esempio la somma di due angoli è un angolo. Se α
e b sono due angoli (cioè descrivono due posizioni del
nostro raggio),
anche a + b sarà un
angolo, poiché abbiamo ammesso qualsiasi valore. Basterà ricordare che
consideriamo identici gli angoli che differiscono di 360° (o di un multiplo di 360°). Come vedremo nel prossimo paragrafo, con l'ausilio della circonferenza goniometrica possiamo dimostrare una serie di proprietà basilari delle funzioni trigonometriche. La circonferenza goniometrica è uno strumento importante per la comprensione di Seno e Coseno . Nell' Applet qui a fianco a destra potete modificare l'angolo e studiare il fenomeno interattivamente. La parte destra dell' Applet mostra la raffigurazione grafica delle funzioni trigonometriche (per il concetto di grafico di una funzione si veda il capitolo "Funzioni"). Una delle proprietà che si ricavano dalla circonferenza goniometrica riguarda il codominio di Seno e Coseno: I valori di queste funzioni non possono mai essere minori di -1 o maggiori di 1. Questo si deduce immediatamente dal fatto che le proiezioni del nostro raggio (di lunghezza 1) sugli assi non possono essere più lunghe del raggio stesso. Concludiamo quindi che per qualsiasi angolo a si ha
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I grafici di sin, cos e tan |
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Le funzioni Seno e Coseno sono fra le più importanti funzioni matematiche. Possiedono varie proprietà che vengono utilizzate sia nelle applicazioni sia nella matematica pura. Parleremo adesso di alcune di queste proprietà. Il Teorema di Pitagora Forse vi stupirete di ritrovarlo qui.
Consideriamo - come all'inizio di questo capitolo -
un triangolo rettangolo, la cui ipotenusa ha lunghezza 1. Qui a fianco abbiamo riportato una delle figure
usate più sopra. (Tali triangoli si trovano anche all'interno della circonferenza goniometrica
del paragrafo precedente).
Il Teorema di Pitagora ci dice che in un triangolo rettangolo la somma dei quadrati (delle lunghezze) dei due cateti
coincide con il quadrato (della lunghezza) dell'ipotenusa. Applicandolo al triangolo qui a fianco,
otteniamo per qualsiasi angolo a l'identità
Qui sin2α è un'abbreviazione per (sin a)2, in parole: "Seno quadrato di a". Questa formula non è altro che una maniera - forse inizialmente poco usuale - di esprimere il Teorema di Pitagora. Ci fornisce una semplice relazione fra Seno e Coseno. Se ad esempio - per un certo angolo a - conosciamo sin a, possiamo dedurre |
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Periodicità e (Anti-)simmetria La circonferenza goniometrica ci mostra che Seno e Coseno sono funzioni periodiche: Quando a un angolo α sommiamo 360°, il raggio ritorna nella stessa posizione di a. Quindi abbiamo
Possiamo dire: Il periodo di entrambi le funzioni è 360°. Inoltre abbiamo
per cui Seno è una funzione antisimmetrica, mentre Coseno è una funzione simmetrica (per il significato esatto di questi due concetti si clicchi qui a fianco oppure si veda il capitolo "Funzioni"). |
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Identità con angoli supplementari e complementari Possiamo anche dedurre identità che riguardano gli angoli la cui somma è pari a 90° (angoli complementari) oppure a 180° (angoli supplementari) e anche gli angoli, la cui differenza è pari a 90° oppure 180°:
I valori di Seno e Coseno per angoli arbitrari possono quindi essere dedotti dai valori per gli angoli compresi fra 0° e 90°. |
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Angoli doppi Se conosciamo il valore delle nostre funzioni trigonometriche per un angolo a, possiamo dedurre il valore per l' angolo doppio da
Queste formule sono casi particolari di quelle che discutiamo nel prossimo punto. |
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Teoremi di Addizione per Seno e Coseno Oltre alle relazioni fra Seno e Coseno discusse sopra, esistono altre identità che riguardano due angoli arbitrari. Sono note come formule per l'addizione o teoremi di addizione. Ve le presentiamo senza dimostrazione (la dimostrazione più elegante usa i numeri complessi). Per due angoli arbitrari α e b si ha sempre
Se poniamo b = a, otteniamo (12) e (13). |
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Altre proprietà di Seno e Coseno si trovano cliccando qui a fianco. |
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Oltre a Seno e Coseno si usano anche altre funzioni da loro derivate. In particolare i quozienti di Seno e Coseno hanno un nome proprio: Tangente e Cotangente: Ecco la definizione:
Si noti che queste due espressioni sono reciproche e quindi strettamente legate: il loro prodotto è 1. (Su alcuni calcolatori tascabili manca il tasto per Cotangente, che può essere calcolata come 1/Tangente). A volte invece di tan e cot si usano le abbreviazioni tg e ctg. Ecco un piccolo calcolatore per queste due funzioni trigonometriche: A differenza di Seno e Coseno, per certi angoli Tangente e Cotangente non sono definite: Si provi ad esempio a calcolare tan(90°) oppure cot(0°). Il nostro calcolatore ci da "Infinity", avvertendoci che è stata tentata una divisione per zero . Dalle definizioni (16) e (17) infatti deduciamo:
Tangente e Cotangente in un triangolo rettangolo |
Applet Definizione delle funzioni trigonometriche |
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Anche
Tangente e Cotangente possono essere interpretate come rapporti fra i lati in un
triangolo rettangolo. Per le definizioni (16)
e (17)
deduciamo da (1)
e (2)
Come esempio applicativo consideriamo il seguente problema geodetico: La vetta di un monte alto 1.24 km viene osservata sotto un angolo di 19.5°. A che distanza si trova l'osservatore
dalla proiezione sul piano della vetta del monte?
Soluzione: Avete trovato il triangolo rettangolo nello schizzo? Usiamo la relazione (18):
Quindi d = 1.24 km/tan(19.5°). Usando il calcolatore per Tangente e Cotangente otteniamo tan(19.5°) = 0.3541, dunque d = 1.24 km/0.3541 = 3.502 km (dove per scopi pratici in genere sarà sufficiente il valore approssimato d = 3.50 km). Tangente e coefficiente angolare. |
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La Tangente ha un ruolo molto particolare poiché esprime la relazione fra
il coefficiente angolare e l'angolo di pendenza di una retta.
Per determinare il coefficiente angolare di una retta, si raffigura , come nello schizzo qui a fianco, il suo
"triangolo di pendenza". Il quoziente
k = Dy/Dx si chiama coefficiente angolare - ed ha il medesimo valore in ciascun triangolo di pendenza,
indipendentemente dalla sua grandezza. La Definizione (18)
ci dice che il coefficiente angolare è uguale alla tangente dell'angolo di
pendenza che l'asse delle ascisse forma con la retta stessa:
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Se ad esempio l'angolo di pendenza di una strada misura 12°, il coefficiente angolare è tan(12°), che è circa pari a 0 .21. Sul cartello stradale che indica la pendenza della strada troveremo scritto "21%" (che possiamo leggere come "21 metri di dislivello per 100 metri di distanza percorsi secondo la carta stradale"). Per una retta perpendicolare non ha senso parlare di coefficiente angolare, e ciò corrisponde al fatto che tan(90°) e tan(-90°) non sono definite. |
Il coefficiente angolare (slope) di una retta |
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Proprietà di Tangente e Cotangente Le relazioni elencate sopra
per Seno e Coseno implicano una serie di proprietà utili per Tangente e Cotangente. Come per Seno e Coseno
possiamo utilizzare la circonferenza goniometrica, come raffigurata qui a fianco. L'angolo a è individuato dal raggio (rosso). La Tangente di questo angolo corrisponde alla lunghezza del
segmento riportato sulla retta azzurra g. Per la relazione (20)
essa è pari alla pendenza del raggio, che nello schizzo è stato prolungato
con una linea tratteggiata fino a intersecare la retta g. Anche per un
angolo ottuso oppure negativo possiamo individuare la tangente sulla
stessa retta g. Con questo metodo possiamo anche
determinare facilmente il segno per un tale angolo. Nei casi α = 90°
e α = -90° il raggio è parallelo alla retta g. Questa è la spiegazione geometrica del fatto che la
tangente non è definita per questi angoli.
A questo proposito si veda anche la parte sinistra dell'Applet qui a fianco. Per la Cotangente
valgono proprietà analoghe, scambiando i ruoli degli assi cartesiani.
Esercizio: Si riportino Seno, Coseno e Tangente in un'unica circonferenza goniometrica. Si usi questo diagramma per dimostrare che il segmento sulla retta g è la grandezza definita in (16). (Si notino i due triangoli simili). |
I grafici di sin, cos e tan |
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Per certi angoli i valori delle funzioni trigonometriche possono essere espressi con le operazioni di calcolo usuali, in particolare con radici quadrate. Riportiamo nella seguente tabella alcuni di questi angoli con i rispettivi valori:
In tutte le frazioni che contengono radici quadrate abbiamo reso razionale il denominatore. Il simbolo ±∞ sta a indicare che il valore corrispondente non è definito. |
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Ci sono varie misure angolari, cioè sistemi per misurare un angolo. Il Torniamo adesso alle funzioni trigonometriche. Alcune delle formule che abbiamo visto si riferivano alla misura in gradi e possono ora essere tradotte in radianti. La periodicità di Seno e Coseno (6) in radianti è data dalla formula
e le relazioni (8)-(11) si traducono in
Anche le relazioni riguardanti Tangente e Cotangente e la tabella riportata sopra con i valori delle funzioni trigonometriche per alcuni angoli speciali hanno una versione analoga in radianti (da consultare cliccando qui a fianco). |
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