Le Funzioni Circolari (superiori)

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Nel riferimento cartesiano ortogonale è assegnato il vettore u di modulo unitario (|u|=1), applicato nell’origine del riferimento e con direzione e verso coincidenti con quelle dell’asse x. Il suo estremo libero è il punto B(1;0).

Funzioni circolari
Funzioni circolari

Facciamo ruotare u intorno all’origine in senso antiorario finché torna ad occupare la posizione iniziale, cioè quando ha compiuto una rotazione di 360°. Muovendosi con continuità, l’estremo B descrive la circonferenza con centro nell’origine, quella tratteggiata nella figura a fianco; le componenti del vettore cambiano con continuità e dipendono dall’angolo che, per ogni posizione, il vettore stesso forma con l’asse delle x. Ad esempio, quando u ha descritto nella rotazione un angolo di 90°, l’estremo B si trova in B1(0;1); quando u ha descritto nella rotazione un angolo di 180°, l’estremo B si trova in B2(1;0); quando u ha descritto nella rotazione un angolo di 270°, l’estremo B si trova in B3(0;1); e dopo una rotazione completa (360°) torna a coincidere con la posizione iniziale B4B(1;0).

DEFINIZIONE 1. La componente orizzontale ux del vettore unitario inclinato dell’angolo α rispetto all’asse x, si chiama coseno dell’angolo α, in simboli ux=cos(α). Chiamiamo seno dell’angolo α la componente verticale uy del vettore unitario inclinato dell’angolo α rispetto all’asse x, in simboli uy=sin(α). Scriviamo u=(cos(α);sin(α)) o anche B(cos(α);sin(α)).

Confrontando questa definizione con quanto descritto sopra possiamo innanzitutto affermare che seno e coseno di un angolo sono numeri reali positivi, negativi o nulli a seconda dell’angolo formato dal vettore e quindi della posizione del punto B sulla circonferenza:

  • se α=0°B(1;0)u=(cos(0°);sin(0°))cos(0°)=1 e sin(0°)=0;
  • se α=90°B(0;1)u=(cos(90°);sin(90°))cos(90°)=0 e sin(90°)=1;
  • se α=180°B(1;0)u=(cos(180°);sin(180°))cos(180°)=1 e sin(180°)=0;
  • se α=270°B(0;1)u=(cos(270°);sin(270°))cos(270°)=0 e sin(270°)=1;
  • se α=360°B(1;0)u=(cos(360°);sin(360°))cos(360°)=1 e sin(360°)=0.

Per alcuni valori intermedi dell’angolo è possibile calcolare i relativi valori di seno e coseno usando metodi geometrici, per altri valori si può far uso della calcolatrice scientifica. Comunque, dai risultati sopra ottenuti, soprattutto riguardando la figura, possiamo affermare che qualunque sia l’angolo α sono sempre verificate le disuguaglianze: 1sin(α)1 e 1cos(α)1.

Ci proponiamo ora di tracciare il grafico della funzione y=sin(x). A questo scopo fermiamo la rotazione del vettore unitario ogni 30° (completate il disegno) e segniamo sulla circonferenza i punti B0, B1, B2, ecc.

Funzioni circolari
Funzioni circolari

Accanto alla rotazione del vettore unitario abbiamo tracciato un riferimento cartesiano dove sull’asse x riportiamo le misure in gradi degli angoli descritti dal vettore unitario e sull’asse y i valori assunti da sin(x), cioè dall’ordinata dell’estremo libero del vettore unitario che ruota in senso antiorario.

Per ogni angolo x descritto riporteremo nel riferimento cartesiano sin(x). Il punto B0 ha ordinata nulla dunque il primo punto che dobbiamo segnare nel riferimento cartesiano per costruire il grafico di y=sin(x) è l’origine; per segnare il punto di coordinate P1(30°; sin(30°)), da B1 tracciamo la parallela all’asse x fino ad incontrare la parallela all’asse y tracciata da 30°. Proseguite in questo modo per tutti gli altri punti Bi della circonferenza per determinare i rispettivi punti Pi. Unendo i punti Pi trovati si ha il grafico della funzione y=sin(x).

Noi l’abbiamo tracciato con GeoGebra[1]. Notiamo che il valore massimo 1 si ha per l’angolo di 90° mentre il minimo 1 si ha per l’angolo di 270°. Se il vettore unitario dopo un giro completo ricominciasse nuovamente a ruotare in senso antiorario (positivo), descrivendo angoli maggiori di 360°, il grafico si ripeterebbe identico al tratto compreso tra 0° e 360°. Per questo motivo diciamo che la funzione y=sin(x) ha un andamento periodico.

La funzione seno
La funzione seno

Abbiamo tracciato anche il grafico della funzione y=cos(x); sfruttando quanto fatto all’inizio del paragrafo; lasciamo al lettore di segnare sul grafico i valori dell’angolo per cui il coseno è nullo, il valore per cui il coseno assume il valore minimo 1, il punto del grafico di ascissa =360°. Per lo stesso discorso fatto sopra possiamo dire che la funzione y=cos(x) ha un andamento periodico.

La funzione coseno
La funzione coseno
  1. un particolare software di matematica dinamica per la didattica (http://www.geogebra.org).