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MODULO I ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA 1 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Definición de Ángulo: Un ángulo es la abertura comprendida entre dos segmentos, uno llamado lado inicial y el otro lado terminal y que tienen un punto en común llamado vértice. 2 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Medición de ángulos: Para el estudio de las funciones circulares, un ángulo además de medirse en los sistemas sexagesimal y centesimal se mide en el sistema de medida circular. Sistema sexagesimal: La rotación total de una circunferencia corresponde a un ángulo de 360°. La unidad básica para la medición de ángulos en el sistema sexagesimal es el grado, que se define como parte de la rotación total: Se tiene entonces que : 1° = 60´ y 1´= 60" 3 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Sistema Centesimal: En este sistema la unidad de medida es el grado centesimal. El mismo se define como la centésima parte de un ángulo recto. Es decir que : 1° = 1/100 Por lo tanto si dividimos al grado centesimal por 100 tendremos el minuto centesimal : 1´ =1°/100 Y el segundo centesimal : 1”=1’/100 4 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Sistema Circular En este sistema la unidad de medida es el radian. El radian se define como el ángulo en el cual la longitud del arco (s) es igual al radio (r): Esta condición se da (r=s) cuando el ángulo subtendido por el arco en el sistema Sexagesimal es de 57,3° 5 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Equivalencias entre los Sistemas de Medida La pregunta que podríamos hacernos es cuantos radianes tiene un ángulo que rota 360° sexagesimales? Entonces si dividimos 360 /57,3 ≈ 6.283 La mitad de este ángulo es lo que conocemos comúnmente como el Numero π≈3.1416 Por lo tanto 360°= 2π 6 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Tenemos que π radianes es igual a 180°. Y gracias a estos quebrados podremos obtener las siguientes equivalencias: Rad. 0 π/6 π/4 π/3 π/2 2π/3 3π/4 5π/6 Grados 0° 30° 45° 60° 90° 120° 135° 150° Rad. 7π/6 5π/4 4π/3 3π/2 5π/3 7π/4 Grados 210° 225° 240° 270° 300° 315° π 180° 11π/6 2π 330° 360° 7 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA En todo triángulo rectángulo, con independencia de las medidas de sus lados (catetos e hipotenusa) hay unas relaciones entre sus lados que se cumplen siempre, y que sólo dependen del valor de los ángulos agudos del triángulo. B Hipotenusa c B a A=90º C A b C 8 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA θ= L/R θ= L/1 ; R=1 ; θ=L (solo se cumple numéricamente) “Es decir que el numero de radianes del ángulo central es igual a la longitud del arco pero solo como arco numérico” 9 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA La circunferencia goniométrica (trigonométrica o unitaria) es una herramienta muy útil a la hora de visualizar y definir razones trigonométricas de ángulos cualesquiera. Se trata de una circunferencia de radio 1, situada en el origen de coordenadas. En ella se dibujan los ángulos de la siguiente forma: El vértice en el origen de coordenadas. Uno de sus lados en el eje de las x. El otro lado se sitúa con la amplitud deseada: se mide el ángulo en sentido contrario a las agujas del reloj. La circunferencia goniométrica se divide en cuatro partes, denominadas cada una de ellas cuadrantes. Los cuadrantes se numeran a partir del semieje positivo de las x, en sentido antihorario: primero, segundo, tercero y cuarto: 10 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA 11 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA La parte del plano comprendida entre el semieje positivo de las x y el semieje positivo de las y es el primer cuadrante. La parte del plano comprendida entre el semieje positivo de las y, y el semieje negativo de las x es el segundo cuadrante Y así sucesivamente. Tomando en cuenta los ángulos de la figura adjunta tenemos: Primer cuadrante: de 0 a 90º, x>0, y >0 Segundo cuadrante: de 90 a 180º, x<0, y>0 Tercer cuadrante: de 180º a 270º, x<0, y<0 Cuarto cuadrante: de 270º a 360º, x>0, y<0 Dependiendo del cuadrante considerado, las funciones trigonométricas seno, coseno y tangente tienen un valor positivo o negativo. 12 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Relaciones trigonométricas: seno Se representa por la perpendicular trazada desde el extremo del arco, hacia el diámetro horizontal: •En el ∆ OQP: senθ= QP/OP= Y/1 . Senθ = y * De la figura: 13 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Se representa por la perpendicular trazada desde el extremo del arco, hacia el diámetro vertical: En el ∆ PNO: cosθ= NP/OP= x/1 . cosθ = x De la figura: 14 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Es una parte de la tangente geométrica trazada por el origen de arcos A(1;0), se empieza a medir de este origen y termina en la intersección de la tangente geométrica con el radio prolongado que pasa por el extremo del arco. En el ∆ TAO: tgθ= AT/OA= y1/1 . tgθ = y1 De la figura: 15 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Es una parte de la tangente que pasa por el origen de complementos B(0;1), se empieza a medir a partir de ese origen y termina en la intersección de la tangente mencionada con radio prolongado que pasa por el extremo del arco. En el ∆ TOB: cotgθ= BT/BO= X1/1 cotgθ = X1 De la figura: 16 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Es una parte del diámetro prolongado que pasa por el origen del arco (A), se empieza a medir del centro de la circunferencia y termina en la intersección del diámetro prolongado con la tangente geométrica trazada por el extremo del arco: En el ∆TOB: secθ= OT/OP= X2/1 . secθ = X2 De la figura: 17 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Es una parte del diámetro prolongado que pasa por el origen de complementos, se empieza a medir en el centro de la circunferencia y termina en la intersección del diámetro prolongado con la tangente geométrica trazada por el extremo del arco. En el TOB: cosecθ= OT/OP= y2/1 . cosecθ = y2 De la figura: 18 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA 19 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA TEOREMA DE PITÁGORAS En un triángulo rectángulo, el cuadrado de la hipotenusa es igual a la suma de los cuadrados de los catetos. 20 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA 21 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA De la expresión anterior pueden derivarse las siguientes 22 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Relaciones fundamentales Fórmula fundamental Aplicando el teorema de Pitágoras Aplicando las siguientes definiciones 23 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA Relaciones a partir de la fundamental 24 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA 25 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA 26 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA 27 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA 28 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA 29 ELEMENTOS DE TRIGONOMETRIA 30 FUNCIONES TRIGONOMETRICAS INVERSAS En trigonometría, cuando el ángulo se expresa en radianes (dado que un radián es el arco de circunferencia de longitud igual al radio), suele denominarse arco a cualquier cantidad expresada en radianes; por eso las funciones recíproca se denominan con el prefijo arco. En las paginas siguientes se explicitara para mayor claridad las funciones inversas de algunas funciones trigonométricas y sus graficas : 31 FUNCIONES TRIGONOMETRICAS INVERSAS El arcoseno es la función inversa del seno. y = arcsen x , x = sen y y es el arco cuyo seno es el número x. arcsen (sen x) = x. El arcoseno también se puede escribir indistintamente como: sen-1 o sin-1 32 FUNCIONES TRIGONOMETRICAS INVERSAS El arco coseno es la función inversa o reciproca del coseno. y = arccos x, x = cos y y es el arco cuyo coseno es el número x. . arccos (cos x) = x. El arco coseno también se puede expresar como: cos-1. 33 FUNCIONES TRIGONOMETRICAS INVERSAS El arco tangente es la función inversa de la tangente. y = arctg x , x = tg y y es el arco cuya tangente es el ángulo x. arctg (tg x) = x. El arco tangente también se puede escribir como: tg-1 o tan-1. 34 APLICACIONES PRACTICAS RESOLUCION DE TRIANGULOS 35 APLICACIONES PRACTICAS Una de las aplicaciones practicas mas comunes en Trigonometría es la resolución de triángulos Resolver un triángulo es hallar sus lados, ángulos y área. Es necesario conocer dos lados del triángulo, o bien un lado y un ángulo distinto del recto. Primer caso: Se conocen la hipotenusa y un cateto 36 APLICACIONES PRACTICAS Segundo caso: se conocen 2 catetos 37 APLICACIONES PRACTICAS Tercer caso: se conocen la hipotenusa y un ángulo agudo 38 APLICACIONES PRACTICAS Cuarto caso: se conocen un cateto y un ángulo agudo 39 APLICACIONES PRACTICAS En el triangulo de la figura se cumple la siguiente relación, conocida como el Teorema del Seno: 40 APLICACIONES PRACTICAS Teorema del Coseno: Tomando como referencia el triángulo anterior, veremos que en el mismo se cumple la siguiente relación conocida como el Teorema del Coseno 41 APLICACIONES PRACTICAS Quinto caso: Resolver un triángulo conociendo un lado y dos ángulos adyacentes a él 42 APLICACIONES PRACTICAS Dado el triángulo cuyos datos son los siguientes: Lado c = 63 m Ángulo B = 42° Ángulo A = 83° Calcular los valores del ángulo C y de los lados a y b. Solución: Como sabemos que la suma de los tres ángulos interiores de todo triángulo es igual a 180°, podemos obtener el valor del ángulo C de la siguiente manera: C = 180° - (a + b) = 180° - (83° + 42°) = 55° 43 APLICACIONES PRACTICAS Conocido el valor de los ángulos y el lado c podemos aplicar el Teorema del seno para el cálculo de los lados: 44 REPRESENTACION GRAFICA Las funciones trigonométricas circulares e hiperbólicas: Denominamos funciones trigonométricas circulares a aquellas funciones trigonométricas referenciadas en la circunferencia. Las funciones trigonométricas construidas con referencia en la hipérbola se denominan funciones hiperbólicas. Por simplicidad, y puesto que lo permite el Teorema de Thales, usamos la circunferencia trigonométrica (de radio unidad) para el estudio de las funciones circulares, lo mismo que podríamos usar la hipérbola equilátera de parámetro unidad para el estudio de las funciones hiperbólicas. 45 REPRESENTACION GRAFICA 46 REPRESENTACION GRAFICA La función seno "generalizado" tiene la siguiente forma: A es la amplitud (la altura de cada máximo arriba de la línea base). C es el desplazamiento vertical (la altura le la línea base). P es el periodo o longitud de onda (el longitud de casa ciclo). ω es la frecuencia angular, y se expresa por ω= 2π/P o P = 2π/ω. 47 REPRESENTACION GRAFICA 48 REPRESENTACION GRAFICA Si graficamos el sonido producido por un diapasón afinado a 440 Hz. veríamos lo siguiente: Esta forma que se parece a las ondas que se producen en el agua cuando tiramos una piedra se llaman precisamente, función de onda asociada al sonido anterior. 49 REPRESENTACION GRAFICA Si escuchamos a una persona cuando emite el sonido de la vocal A y lo pudiéramos graficar obtendríamos lo siguiente: No es la misma de antes, debe de ser así ya que son sonidos distintos, pero tienen en común una forma con un patrón que se va repitiendo. Cuando eso ocurre en una función decimos que se trata de una función periódica. Se puede demostrar que dicha función se puede descomponer como suma de funciones parecidas a la anterior. 50 REPRESENTACION GRAFICA Periodo Una característica distintiva de las funciones trigonométricas es la periodicidad Vemos que la forma de la función muestra un patrón se va repitiendo. Cuando a una función le ocurre esto decimos que se trata de una función periódica. La longitud del patrón en el eje x le llamamos período, en este caso 360º o expresado en radianes 2π. 51 REPRESENTACION GRAFICA Amplitud Que ocurre si multiplicamos por 2 a la función seno, f(x) = 2sen(x) Todas las imágenes quedan multiplicadas por dos y la forma de la gráfica es la siguiente: 52 REPRESENTACION GRAFICA Volviendo a las matemáticas, llamamos amplitud de la función seno a la mitad de la distancia entre el valor máximo y el valor mínimo. Así en la primera gráfica sen(x) el valor máximo que tiene la función es 1 y el valor mínimo –1. La distancia entre ellos es 2. Así la amplitud será la mitad de este valor o sea 1. En la función 2sen(x) anteriormente representada vemos que el valor máximo y mínimo son respectivamente 2 y –2 así la amplitud es 2. En general si tenemos una función de la forma f(x) = A sen(x) su representación gráfica será parecida a las anteriores pero la amplitud será A, es decir el valor máximo será A y el valor mínimo –A. 53 REPRESENTACION GRAFICA Frecuencia La relación entre la frecuencia y el período es: Estas definiciones son de fundamental importancia en el análisis de la transmisión de señales telefónicas como se vera en Módulos posteriores de este Curso 54 IDENTIDADES TRIGONOMÉTRICAS B α D 90 sen AB OB AD DB OB C β α O A E 55 IDENTIDADES TRIGONOMÉTRICAS 56 IDENTIDADES TRIGONOMÉTRICAS B α D 90 C β α O A E 57 IDENTIDADES TRIGONOMÉTRICAS 58 IDENTIDADES TRIGONOMÉTRICAS Sustituyendo seno y el coseno del ángulo suma y dividiendo por (cos α · cos β), tenemos que: 59 IDENTIDADES TRIGONOMÉTRICAS sen ( ) sen cos cos sen cos( ) cos cos sen sen tan( ) 1 tan tan tan tan 60 IDENTIDADES TRIGONOMÉTRICAS Si ahora β=α 61 FUNCIONES HIPERBOLICAS Las funciones trigonométricas sen(t) y cos(t) pueden definirse a partir de las coordenadas cartesianas (x,y) de un punto P de la circunferencia unitaria centrada en el origen, siendo t el ángulo, medido en radianes, comprendido entre el semieje positivo x, y el segmento OP, según las siguientes igualdades: x(t) = cos(t) y(t) = sen(t) También puede interpretarse el parámetro t como la longitud del arco de circunferencia unitaria comprendido entre el punto (1,0) y el punto P, o como el doble del área del sector circular determinado por el semieje positivo x, el segmento OP y la circunferencia unitaria. 62 FUNCIONES HIPERBOLICAS De modo análogo, podemos definir las funciones hiperbólicas, como las coordenadas cartesianas (x,y) de un punto P de la hipérbola equilátera, centrada en el origen, cuya ecuación es: Siendo t el doble del área de la región comprendida entre el semieje positivo x, y el segmento OP y la hipérbola, según las siguientes igualdades: 63 FUNCIONES HIPERBOLICAS Se llaman funciones hiperbólicas al coseno hiperbólico (denotado cosh o ch), seno hiperbólico (seno o sh) y las funciones que se obtienen a partir de ellas, como la tangente (tanh o th), cotangente (coth), la secante (sech) y la cosecante (cosech) hiperbólicas: Coseno hiperbólico: es la parte par de la exponencial Seno hiperbólico : Es la parte impar de la exponencial 64 FUNCIONES HIPERBOLICAS Tangente hiperbólica: 65 FUNCIONES HIPERBOLICAS También puede probarse que es válida la siguiente descripción de la hipérbola: En razón que: 66 FUNCIONES HIPERBOLICAS La hipérbola es el lugar geométrico de los puntos del plano cuya diferencia de distancias a los puntos fijos llamados focos es constante. 67 FUNCIONES HIPERBOLICAS Focos Son los puntos fijos F y F'. Eje focal Es la recta que pasa por los focos. Eje secundario o imaginario Es la mediatriz del segmento . Centro Es el punto de intersección de los ejes. Vértices Los puntos A y A' son los puntos de intersección de la hipérbola con el eje focal. 68 FUNCIONES HIPERBOLICAS Los puntos B y B' se obtienen como intersección del eje imaginario con la circunferencia que tiene por centro uno de los vértices y de radio c. Radios vectores Son los segmentos que van desde un punto de la hipérbola a los focos: PF y PF'. Distancia focal Es el segmento FF` de longitud 2c. Eje mayor Es el segmento AA’ de longitud 2a. Eje menor Es el segmento BB’ de longitud 2b. Ejes de simetría Son las rectas que contienen al eje real o al eje imaginario. 69 DERIVADAS DE LAS FUNCIONES CIRCULARES A partir de la definición de la derivada de una función f(x): 70 DERIVADAS DE LAS FUNCIONES CIRCULARES Ahora, como sin(x) y cos(x) no varían al variar h, se pueden sacar fuera del límite para obtener El valor de los límites y 71 DERIVADAS DE LAS FUNCIONES CIRCULARES 72 FUNCIONES PERIODICAS El análisis de Fourier fue introducido en 1822 en la “Théorie analyitique de la chaleur” para tratar la solución de problemas de valores en la frontera en la conducción del calor. Más de siglo y medio después las aplicaciones de esta teoría son muy bastas: Sistemas Lineales, Comunicaciones, Física moderna, Electrónica, Óptica y por supuesto, Redes Eléctricas entre muchas otras. 73 FUNCIONES PERIODICAS Una Función Periódica f(t) cumple la siguiente propiedad para todo valor de t. f(t)=f(t+T) A la constante mínima para la cual se cumple lo anterior se le llama el periodo de la función Repitiendo la propiedad se puede obtener: f(t)=f(t+nT), donde n=0,1, 2, 3,.. 74 FUNCIONES PERIODICAS Ejemplo: ¿Cuál es el período de la función: f(t) cos( 3t ) cos( 4t )? Solución.- Si f(t) es periódica se debe cumplir: f(t T) cos( tT 3 ) cos( tT 4 ) f(t) cos( 3t ) cos( 4t ) Pero como se sabe cos(x+2kp)=cos(x) para cualquier entero k, entonces para que se cumpla la igualdad se requiere que: Es decir, T/3=2k1p, T/4=2k2p T = 6k1p = 8k2p Donde k1 y k2 son enteros, El valor mínimo de T se obtiene con k1=4, k2=3, es decir, T=24p 75 FUNCIONES PERIODICAS 76 FUNCIONES PERIODICAS Podríamos pensar que cualquier suma de funciones seno y coseno produce una función periódica. Esto no es así, por ejemplo, consideremos la función f(t) = cos(w1t)+cos(w2t). Para que sea periódica se requiere encontrar dos enteros m, n tales que w1T= 2pm, w2T=2pn De donde Es decir, la relación w1/ w2 debe ser un número racional. 77 FUNCIONES PERIODICAS la función cos(3t)+cos(p+3)t no es periódica, ya que no es un número racional. 1 2 3 3 f(t)=cos(3t)+cos((3+pi)t) 2 f(t) 1 0 -1 -2 0 5 10 15 t 20 25 30 78 FUNCIONES PERIODICAS Algunas funciones periódicas f(t) de periodo T pueden expresarse por la siguiente serie, llamada Serie Trigonométrica de Fourier f(t) = ½ a0 + a1cos(w0t)+a2cos(2w0t)+... + b1sen(w0t)+b2sen(2w0t)+... Donde w0=2p/T. Es decir, f (t) 1 2 a 0 [ a n cos( n 0 t ) b n sen ( n 0 t ) ] n 1 79 FUNCIONES PERIODICAS Es posible escribir de una manera ligeramente diferente la Serie de Fourier, si observamos que el término ancos(nw0t)+bnsen(nw0t) se puede escribir como: 2 an 2 bn an an bn 2 2 cos( n 0 t ) sen ( n 0 t ) 2 2 an bn bn Podemos encontrar una manera más compacta para expresar estos coeficientes pensando en un triángulo rectángulo: 80 FUNCIONES PERIODICAS an Cn an bn 2 bn 2 2 an 2 bn bn qn 2 an an 2 bn cos q n sen q n Con lo cual la expresión queda: C n cos q n cos( n 0 t ) sen q n sen ( n 0 t ) C n cos( n 0 t q n ) 81 FUNCIONES PERIODICAS Si además definimos C0=a0/2, la serie de Fourier se puede escribir como: f (t) C 0 C cos( n n 0 t q n ) n 1 Cn a b 2 n 2 n 1 bn q n tan an 82 FUNCIONES PERIODICAS Así, una función periódica f(t) se puede escribir como la suma de componentes sinusoidales de diferentes frecuencias wn=nw0. A la componente sinusoidal de frecuencia nw0: Cncos(nw0t+qn) se le llama la enésima armónica de f(t). A la primera armónica (n=1) se le llama la componente fundamental y su periodo es el mismo que el de f(t) A la frecuencia w0=2pf0=2p/T se le llama frecuencia angular fundamental. 83 FUNCIONES PERIODICAS A la componente de frecuencia cero C0, se le llama componente de corriente directa (cd) y corresponde al valor promedio de f(t) en cada periodo. Los coeficientes Cn y los ángulos qn son respectiva-mente las amplitudes y los ángulos de fase de las armónicas. 84