Goniometria (superiori)

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La goniometria, dal greco γωνία (Gonia: angolo) e μέτρον (Metron: misura), studia la misurazione degli angoli mettendoli in relazione con gli archi corrispondenti.

Di solito comprende la trigonometria analitica, ovvero lo studio delle funzioni trigonometriche. Le origini della goniometria si possono trovare nelle opere di François Viète e Lagni.

Nel piano cartesiano si dice circonferenza goniometrica una circonferenza che ha il centro nell'origine degli assi cartesiani e il raggio uguale a 1, ovvero la circonferenza che ha equazione x2+y2=1.

Si considera positivo il verso di rotazione antiorario.

Gli angoli

Descrizione di angolo orientato

Un angolo è una parte di piano compresa tra due semirette.

Definiscesi angolo orientato un angolo per il quale si è stabilito qual è il primo lato e quale il secondo.

Se il primo lato, nel descrivere l'angolo, si muove in senso antiorario l'angolo è orientato positivamente, in caso contrario, quando si descrive un angolo in senso orario, l'angolo è orientato negativamente.

I sistemi di misura degli angoli

Un grado costituisce la trecentosessantesima parte (1360) dell'angolo giro.

Il sistema sessagesimale

Nel sistema sessagesimale, l'unità di misura è il grado, da cui si definiscono i primi e i secondi:

  • Il primo è la sessantesima parte (160) del grado;
  • Il secondo è la sessantesima parte (160) del primo e la tremilaseicentesima parte (1/3600) del grado.
Circonferenza goniometrica

Il sistema sessadecimale

L'unità di misura del sistema sessadecimale è sempre il grado, ma differisce dal sistema sessagesimale in quanto i sottomultipli del grado sono espressi in forma decimale (con la virgola).

Il sistema matematico

L'unità di misura all'interno del sistema matematico è il radiante (rad). esso è definito come il rapporto tra la lunghezza della circonferenza o dell'arco dall'angolo circoscritto e il raggio:

α=lR dove α è l'angolo, l la lunghezza dell'arco sotteso e R il raggio della circonferenza.

2π rad = 360°, π rad = 180°, π2 rad = 90°

Per convertire l'ampiezza di un angolo da gradi a radianti, o viceversa, si può usare la proporzione:

α:αrad=180:π

La circonferenza goniometrica

La circonferenza goniometrica è una circonferenza che ha centro in C (0,0) e raggio pari a 1 (R = 1).

I quadrante : angoli da 0° a 90° o da -271° a -360°

Seno e coseno di un angolo

II quadrante : angoli da 91° a 180° o da -181° a -270°

III quadrante : angoli da 181° a 270° o da -91° a -180°

IV quadrante : angoli da 271° a 360° o da -90° a 0°

Seno e coseno di un angolo

  • Si definisce seno di un angolo (sin α) l'ordinata dello stesso (il segmento AB);
  • Si definisce coseno di un angolo (cos α) l'ascissa dell'angolo (il segmento OB).

I grafici di seno e coseno

Grafici delle funzioni seno e coseno.

Il grafico della funzione seno è definito sinusoide.

Il grafico della funzione coseno è definito cosinusoide.

Le funzioni sono entrambe funzioni periodiche di T=2π

Relazioni fondamentali della goniometria

Prima relazione fondamentale

cos2α+sin2α=1.

Da questa si ricavano

cosα=±1sin2α,
sinα=±1cos2α.

Ricordare di valutare la posizione di α per la scelta opportuna del segno.

Seconda relazione fondamentale

tanα=sinαcosα,

che vale solo per απ2+kπ con k.

Dalle due precedenti relazioni si ricava che

cos2α=11+tan2α,

che vale solo per απ2+kπ con k.

Da questa si ricava

cosα=±11+tan2α.

Ricordare di valutare la posizione di α per la scelta opportuna dei segni.

Terza relazione fondamentale

cotα=cosαsinα,

che vale solo per αkπ con k.

Quarta relazione fondamentale

secα=1cosα,

che vale solo per απ2+kπ con k.

Quinta relazione fondamentale

cscα=1sinα,

che vale solo per αkπ con k.

Formule goniometriche

In trigonometria, le formule di addizione e sottrazione permettono di trasformare le funzioni trigonometriche della somma o differenza di due angoli in un'espressione composta da funzioni trigonometriche dei due angoli.

Formule di addizione

  • sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ
  • cos(α+β)=cosαcosβsinαsinβ
  • tan(α+β)=tanα+tanβ1tanαtanβ
  • cot(α+β)=cotαcotβ1cotα+cotβ

La formula della tangente vale per α,β,α+βπ2+kπ con k

La formula della cotangente vale per α,β,α+βkπ con k

Formule di sottrazione

  • sin(αβ)=sinαcosβcosαsinβ
  • cos(αβ)=cosαcosβ+sinαsinβ
  • tan(αβ)=tanαtanβ1+tanαtanβ
  • cot(αβ)=cotαcotβ+1cotβcotα

La formula della tangente vale per α,β,αβπ2+kπ con k

La formula della cotangente vale per α,β,αβkπ con k

Formule di duplicazione

  • sin(2α)=2sinαcosα
  • cos(2α)=cos2αsin2α=12sin2α=2cos2α1
  • tan(2α)=2tanα1tan2α

L'ultima formula vale per απ2+kπ e α±π4+kπ con k

Formule di linearità

  • cos2α=1+cos(2α)2
  • sin2α=1cos(2α)2
  • tan2α=sin2αcos2α=1cos(2α)1+cos(2α)

L'ultima formula vale per απ2+kπ con k

Formule di bisezione

Attenzione: è necessario valutare in quale quadrante cade α2 per poter scegliere i segni opportuni delle seguenti formule

  • cos(α2)=±1+cosα2
  • sin(α2)=±1cosα2
  • tan(α2)=±1cosα1+cosα

L'ultima formula vale per απ+2kπ.

Formule parametriche

  • cosα=1t21+t2
  • sinα=2t1+t2
  • tanα=2t1t2

dove t=tan(α2) con απ+2kπ.

Formule di prostaferesi

  • sinp+sinq=2sin(p+q2)cos(pq2)
  • sinpsinq=2cos(p+q2)sin(pq2)
  • cosp+cosq=2cos(p+q2)cos(pq2)
  • cospcosq=2sin(p+q2)sin(pq2)

Le formule di prostaferesi trasformano somme di funzioni goniometriche in prodotti.

Formule di Werner (inverse delle formule di prostaferesi)

  • sinαcosβ=12[sin(α+β)+sin(αβ)]
  • cosαcosβ=12[cos(α+β)+cos(αβ)]
  • sinαsinβ=12[cos(α+β)cos(αβ)]
  • cosαsinβ=12[sin(α+β)sin(αβ)]

Le formule di Werner trasformano prodotti di funzioni goniometriche in somme.

Formule dell'angolo aggiunto

  • asinx+bcosx=Asin(x+ϕ)

La seguente uguaglianza è verificata sotto le seguenti condizioni

A=a2+b2

{cosϕ=aa2+b2sinϕ=ba2+b2
tanϕ=ba

Fare attenzione che la tangente goniometrica è periodica di 180° e dunque bisogna valutare preventivamente la posizione di ϕ dunque

ϕ={arctan(ba)se a>0arctan(ba)+πse a<0