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Capitolo 3: Le prime proprietà delle funzioni goniometriche

Dopo aver definito le funzioni goniometriche, è fondamentale comprenderne le proprietà principali. Queste proprietà derivano direttamente dalla loro definizione sulla circonferenza goniometrica e sono cruciali per la risoluzione di equazioni e la semplificazione di espressioni.

1. Relazione Fondamentale della Goniometria

La relazione fondamentale della goniometria, nota anche come identità pitagorica, lega il seno e il coseno di qualsiasi angolo. Essa afferma che:

$$ \sin^2 \alpha + \cos^2 \alpha = 1 $$

Questa identità deriva direttamente dal teorema di Pitagora applicato al triangolo rettangolo formato dal raggio, l'ascissa ($ \cos \alpha $) e l'ordinata ($ \sin \alpha $) di un punto sulla circonferenza goniometrica di raggio unitario.

[Image of a unit circle with a right triangle showing sin, cos, and radius 1]

2. Periodicità delle Funzioni Goniometriche

Le funzioni seno, coseno, tangente e cotangente sono funzioni periodiche, il che significa che i loro valori si ripetono a intervalli regolari. Questo è dovuto al fatto che un giro completo sulla circonferenza goniometrica ($360^\circ$ o $2\pi$ radianti) riporta al punto di partenza.

  • La funzione seno è periodica con periodo $2\pi$: $$ \sin(\alpha + 2k\pi) = \sin \alpha \quad \forall k \in \mathbb{Z} $$
  • La funzione coseno è periodica con periodo $2\pi$: $$ \cos(\alpha + 2k\pi) = \cos \alpha \quad \forall k \in \mathbb{Z} $$
  • Le funzioni tangente e cotangente sono periodiche con periodo $ \pi $: $$ \tan(\alpha + k\pi) = \tan \alpha \quad \forall k \in \mathbb{Z} $$ $$ \cot(\alpha + k\pi) = \cot \alpha \quad \forall k \in \mathbb{Z} $$

3. Segno delle Funzioni nei Quadranti

Il segno delle funzioni goniometriche dipende dal quadrante in cui si trova l'angolo $ \alpha $.

[Image of the unit circle showing signs of sine, cosine, tangent in each quadrant]

Funzione I Quadrante ($0 < \alpha < \frac{\pi}{2}$) II Quadrante ($\frac{\pi}{2} < \alpha < \pi$) III Quadrante ($\pi < \alpha < \frac{3\pi}{2}$) IV Quadrante ($\frac{3\pi}{2} < \alpha < 2\pi$)
$ \sin \alpha $ Positivo (+) Positivo (+) Negativo (-) Negativo (-)
$ \cos \alpha $ Positivo (+) Negativo (-) Negativo (-) Positivo (+)
$ \tan \alpha $ Positivo (+) Negativo (-) Positivo (+) Negativo (-)
$ \cot \alpha $ Positivo (+) Negativo (-) Positivo (+) Negativo (-)

Esercizi Guidati

Esercizio 1: Se $ \sin \alpha = 0.6 $ e $ \alpha $ è nel primo quadrante, calcola $ \cos \alpha $.

Soluzione: Usiamo la relazione fondamentale: $ \sin^2 \alpha + \cos^2 \alpha = 1 $.

$$ (0.6)^2 + \cos^2 \alpha = 1 $$

$$ 0.36 + \cos^2 \alpha = 1 $$

$$ \cos^2 \alpha = 1 - 0.36 = 0.64 $$

$$ \cos \alpha = \pm \sqrt{0.64} = \pm 0.8 $$

Poiché $ \alpha $ è nel primo quadrante, $ \cos \alpha $ deve essere positivo. Quindi, $ \cos \alpha = 0.8 $.

Esercizio 2: Se $ \cos \alpha = -\frac{3}{5} $ e $ \alpha $ è nel secondo quadrante, calcola $ \sin \alpha $.

Soluzione: Usiamo la relazione fondamentale: $ \sin^2 \alpha + \cos^2 \alpha = 1 $.

$$ \sin^2 \alpha + \left(-\frac{3}{5}\right)^2 = 1 $$

$$ \sin^2 \alpha + \frac{9}{25} = 1 $$

$$ \sin^2 \alpha = 1 - \frac{9}{25} = \frac{16}{25} $$

$$ \sin \alpha = \pm \sqrt{\frac{16}{25}} = \pm \frac{4}{5} $$

Poiché $ \alpha $ è nel secondo quadrante, $ \sin \alpha $ deve essere positivo. Quindi, $ \sin \alpha = \frac{4}{5} $.

Esercizio 3: Determina il segno di $ \tan 200^\circ $.

Soluzione: L'angolo $200^\circ$ si trova nel terzo quadrante ($180^\circ < 200^\circ < 270^\circ$).

Nel terzo quadrante, $ \sin \alpha $ è negativo e $ \cos \alpha $ è negativo.

Poiché $ \tan \alpha = \frac{\sin \alpha}{\cos \alpha} $, un rapporto tra due numeri negativi è positivo.

Quindi, $ \tan 200^\circ $ è positivo.

Esercizio 4: Senza calcolare il valore, spiega perché $ \sin(5\pi) = \sin(\pi) $.

Soluzione: La funzione seno è periodica con periodo $2\pi$.

Possiamo scrivere $ 5\pi $ come $ \pi + 2 \times 2\pi $. In questo caso, $ k=2 $.

Per la proprietà di periodicità, $ \sin(\alpha + 2k\pi) = \sin \alpha $.

Quindi, $ \sin(5\pi) = \sin(\pi + 4\pi) = \sin(\pi) $.

Esercizio 5: Se $ \tan \alpha = -2 $, in quali quadranti potrebbe trovarsi $ \alpha $?

Soluzione: Sappiamo che $ \tan \alpha $ è negativo nel secondo e nel quarto quadrante.

Pertanto, $ \alpha $ potrebbe trovarsi nel II quadrante ($ \frac{\pi}{2} < \alpha < \pi $) o nel IV quadrante ($ \frac{3\pi}{2} < \alpha < 2\pi $).

Esercizi da Svolgere

  1. Se $ \cos \alpha = -\frac{1}{2} $ e $ \alpha $ è nel terzo quadrante, calcola $ \sin \alpha $.
  2. Se $ \sin \alpha = \frac{1}{\sqrt{5}} $ e $ \alpha $ è nel secondo quadrante, calcola $ \cos \alpha $.
  3. Determina il segno di $ \cos 310^\circ $.
  4. Determina il segno di $ \sin \frac{7\pi}{6} $.
  5. Se $ \tan \alpha = 3 $ e $ \alpha $ è nel terzo quadrante, calcola $ \sin \alpha $ e $ \cos \alpha $.
  6. Spiega perché $ \cos(10\pi) = 1 $.
  7. In quale quadrante $ \sin \alpha $ è negativo e $ \cos \alpha $ è positivo?
  8. Se $ \cot \alpha $ è positivo, in quali quadranti può trovarsi $ \alpha $?
  9. Se $ \sin \alpha = 1 $, qual è il valore di $ \cos \alpha $?
  10. Spiega cosa significa che la funzione tangente ha periodo $ \pi $.

Domande a Risposta Multipla

Domanda 1: Qual è la relazione fondamentale della goniometria?

a) $ \sin \alpha + \cos \alpha = 1 $
b) $ \tan \alpha = \frac{\cos \alpha}{\sin \alpha} $
c) $ \sin^2 \alpha + \cos^2 \alpha = 1 $
d) $ \sin \alpha \cos \alpha = 1 $

Domanda 2: Il periodo della funzione $ \cos x $ è:

a) $ 2\pi $
b) $ \pi $
c) $ \frac{\pi}{2} $
d) $ 360^\circ $

Domanda 3: In quale quadrante il seno è negativo e il coseno è negativo?

a) I
b) III
c) II
d) IV

Domanda 4: Se $ \sin \alpha = 0.8 $ e $ \alpha $ è nel II quadrante, quanto vale $ \cos \alpha $?

a) $ -0.6 $
b) $ 0.6 $
c) $ 0.8 $
d) $ -0.8 $

Domanda 5: La funzione $ \tan x $ è periodica con periodo:

a) $ 2\pi $
b) $ \frac{\pi}{2} $
c) $ \pi $
d) $ 4\pi $

Domanda 6: In quale quadrante la tangente è negativa?

a) I e III
b) II e IV
c) Solo II
d) Solo IV

Domanda 7: Se $ \cos \alpha = 0 $, allora $ \sin \alpha $ può essere:

a) $ 0 $
b) $ \frac{1}{2} $
c) $ \pm 1 $
d) Indefinito

Domanda 8: Quale dei seguenti valori non è possibile per $ \sin \alpha $?

a) $ 0.5 $
b) $ -0.9 $
c) $ 1 $
d) $ 1.2 $

Domanda 9: Un angolo $ \alpha = 400^\circ $ ha le stesse funzioni goniometriche di un angolo di:

a) $ 40^\circ $
b) $ -40^\circ $
c) $ 0^\circ $
d) $ 80^\circ $

Domanda 10: Se $ \alpha $ è nel IV quadrante, quale delle seguenti affermazioni è vera?

a) $ \sin \alpha > 0 $
b) $ \cos \alpha > 0 $
c) $ \tan \alpha > 0 $
d) Tutte le precedenti