108 ´Algebra y Trigonomet - Departamento de Matemáticas
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por 360 ◦ . Un grado es la medida <strong>de</strong>l ángulo central que intercepta un arco iguala 1360<strong>de</strong> la circunferencia.Tenemos varios tipos <strong>de</strong> ángulos <strong>de</strong> acuerdo a su abertura, entre ellos tenemospor ejemplo, el ángulo llano, ángulo recto, ver figura 1(c), los cuales <strong>de</strong>finiremosa continuación y se encuentran en el cuadro abajo. Si los lados <strong>de</strong>l ángulo seencuentran sobre la misma recta pero se extien<strong>de</strong>n en direcciones opuestas <strong>de</strong> suvértice se tiene un ángulo llano, esto es, su medida es <strong>de</strong> 180 o . Un ángulo sellama ángulo cuadrantal, si su lado terminal está en el eje coor<strong>de</strong>nado, observe lafigura 1(c). Otros ángulos son:Terminología Definición EjemploÁngulo Recto θ = 90 ◦ 90 ◦Ángulo agudo 0 ◦ < θ < 90 ◦ 13 ◦ ; 23 ◦Ángulo obtuso 90 ◦ < θ < 180 ◦ 93 ◦ ; 145 ◦Ángulos complementarios α, β α + β = 90 ◦ 25 ◦ , 65 ◦ ; 80 ◦ , 10 ◦Ángulos suplementarios α, β α + β = 180 ◦ 25 ◦ , 155 ◦ ; 80 ◦ , 100 ◦En matemáticas la unidad más común para medir los ángulos es el radián.Para <strong>de</strong>finir el ángulo con medida <strong>de</strong> radián, consi<strong>de</strong>remos un círculo <strong>de</strong> radior. El ángulo central <strong>de</strong> un círculo es un ángulo cuyo vértice está en el centro<strong>de</strong>l círculo, figura 2(a). Si γ es el ángulo central, <strong>de</strong>cimos que el arco P 1 P 2 , que<strong>de</strong>notaremos s, <strong>de</strong> la circunferencia subtien<strong>de</strong> a γ por s. Ahora, si la longitud<strong>de</strong> s es igual al radio <strong>de</strong>l círculo, entonces el ángulo γ mi<strong>de</strong> 1 radián, ver figura2(b). Si γ = 0 revoluciones, llamaremos a γ <strong>de</strong> ángulo cero; éste es el ángulo enel cuál no hay rotación, el lado terminal y el lado inicial coinci<strong>de</strong>n, como se pue<strong>de</strong>ver en la figura 2(c); sin embargo, esto también se satisface para un ángulo <strong>de</strong> nrevoluciones, don<strong>de</strong> n es un entero. En la figura 2(d) se muestra un ángulo <strong>de</strong> 2revoluciones.Definición: Definimos un radián como la medida <strong>de</strong>l ángulo central que subtien<strong>de</strong>un arco <strong>de</strong> longitud igual al radio <strong>de</strong>l círculo. Ver figura 2(a).2
P 1P 2γγrrO P 1 , P 2P 1 , P 2(a)(b)(c)Figura 2(d)Es importante saber llevar radianes a grados y viceversa, para esto tenemoslas siguientes relaciones:1. 180 ◦ = π radianes2. 1 ◦ = π180 radianes3. 1 radian = 180◦πPara cambiar <strong>de</strong> grados a radianes se multiplica por π180 .Para cambiar <strong>de</strong> radianes a grados se multiplica por 180π .Ejemplo 1. Si α = 45 o , calcula α en radianes y si α = π , calcula α en grados.3Solución: Utilizando las relaciones anteriores tenemos:( ) π45 o = 45 o = π πy180 o 4 3 = π ( ) 180o= 60 o .3 πEsta técnica se pue<strong>de</strong> usar para obtener las medidas <strong>de</strong> ángulos más utilizados,los cuales se muestran en la siguiente tabla.π π π π 2π 3π 5π7πRadianes 0 π 2π6 4 3 2 3 4 6 6Grados 0 o 30 o 45 o 60 o 90 o 120 o 135 o 150 o 180 o 210 o 360 oEs convencional que, si no se <strong>de</strong>signa unidad <strong>de</strong> medida <strong>de</strong> un ángulo, entonceséste ésta es en radianes. Por lo tanto, po<strong>de</strong>mos escribimos la medida <strong>de</strong>l ángulocomoα = s , |α| ≤ 2π, (1)rdon<strong>de</strong> s es la longitud <strong>de</strong>l arco interceptado y r es la longitud <strong>de</strong>l radio <strong>de</strong>l círculo.Observemos que si s = r, entonces α = 1, figura 2(b). Es <strong>de</strong>cir que un radián esla medida <strong>de</strong> un ángulo central cuyo arco interceptado tiene la misma longitudque el radio <strong>de</strong>l círculo.3
De (1), tenemos que la fórmula para la longitud <strong>de</strong> un arco <strong>de</strong> circunferenciaes dada pors = rα.Demostración: Consi<strong>de</strong>re los arcos <strong>de</strong> longitu<strong>de</strong>s s, s 1 y los ángulos centralesα, α 1 respectivamente, figura 3(a) y 3(b), entonces por geometría euclidiana,tenemos ques= α .s 1 α 1En particular, consi<strong>de</strong>remos el caso don<strong>de</strong> α 1 = 1 rad, entonces s 1 = r y así seobtienesr= α o en forma equivalente s = rα.αrsα 1 s 1r(a)Figura 3Observación: Si α = 2π, la longitud <strong>de</strong> un arco circular se transforma ens = r(2π) que es la fórmula <strong>de</strong> la circunferencia <strong>de</strong> un círculo, C = 2πr.Proposición: Sea C una circunferencia <strong>de</strong> radio r. Si α y A son la medida enradianes <strong>de</strong> un ángulo central <strong>de</strong> C, y el área <strong>de</strong>l sector circular <strong>de</strong>terminado porα, respectivamente, entoncesA = 1 2 r2 α.Demostración: Sean α y α 1 ángulos centrales <strong>de</strong> una circunferencia <strong>de</strong> radior, llamela C, con α < α 1 y sean A y A 1 las áreas <strong>de</strong> los sectores correspondientesa los ángulos α y α 1 respectivamente. Entonces por geometría euclidiana,AA 1= α α 1o A = A 1α 1α.Si consi<strong>de</strong>ramos el caso en que α 1 = 2π, entonces A 1 = πr 2 yA = πr22π α = 1 2 r2 α.4(b)
Aquí, ya po<strong>de</strong>mos pensar en dos tipos <strong>de</strong> velocida<strong>de</strong>s que encontramos cuandoestamos estudiando los ángulos. Así, la velocidad lineal <strong>de</strong> un punto Q <strong>de</strong> lacircunferencia es la distancia que Q recorre por unidad <strong>de</strong> tiempo. La velocidadangular <strong>de</strong> una rueda que gira a razón constante es el ángulo generado, en unaunidad <strong>de</strong> tiempo, por un segmento <strong>de</strong> recta que va <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong> la rueda a unpunto cualquiera Q <strong>de</strong> la circunferencia.Ejemplo 2. Si un círculo tiene 2 pies <strong>de</strong> radio, <strong>de</strong>terminar la longitud s <strong>de</strong>l arco<strong>de</strong>l círculo interceptado por un ángulo central <strong>de</strong> − 8 radianes. 3Solución: Usando la fórmula para la longitud <strong>de</strong> un arco <strong>de</strong> circunferencia conr = 2 y α = − 8 , tenemos 3s = − 8 3 × 2 = −16 3 pies.Ejemplo 3. La rueda <strong>de</strong> una bicicleta tiene 100cm <strong>de</strong> diámetro.1. Calcular la distancia recorrida por la bicicleta cuando la rueda ha completado10 revoluciones.2. Suponga que un buen ciclista hace girar la rueda con una velocidad <strong>de</strong> 170revoluciones por minuto. Determina la velocidad (rapi<strong>de</strong>z) angular <strong>de</strong> larueda.3. Dado un punto Q sobre la circunferencia <strong>de</strong> la rueda. Hallar la rapi<strong>de</strong>z <strong>de</strong>lpunto Q cuando la rueda gira con una velocidad <strong>de</strong> 170 revoluciones porminuto.QOFigura 4Solución: 1. Como una revolución es igual a una vuelta y en la vuelta la ruedarecorre 2πr cm, siendo r el radio <strong>de</strong> la rueda. Con r = 50cm, tenemos que en unarevolución, la rueda recorre 2π × 50cm = 100π cm y en 10 revoluciones recorrerá1000π cm.5
2. Sea O el centro <strong>de</strong> la rueda y Q (figura 4) un punto sobre la circunferencia.Tenemos que el número <strong>de</strong> revoluciones por minuto es 170 y cada revolucióngenera un ángulo <strong>de</strong> 2π radianes, el ángulo generado por el segmento <strong>de</strong> rectaOQ en un minuto medirá 170 × 2π radianes, asívelocidad angular = 170 × 2π = 340π radianes por minuto.3. Tenemos que la velocidad <strong>de</strong> Q es la distancia que recorre por minuto,luego usando la fórmula s = rα, con α = 340π se tienes = 50 × 340π = 17000π cm,y, por tanto, la rapi<strong>de</strong>z lineal <strong>de</strong> Q es 17000π cm/minuto.6.2 Funciones trigonométricasDefiniremos las funciones trigonométricas <strong>de</strong> un ángulo agudo en un triángulorectángulo. Diremos que un triángulo es rectángulo si uno <strong>de</strong> sus ángulos es recto,(ver figura 5(a)).Definición: Sea α un ángulo en posición estándar, es <strong>de</strong>cir, su lado inicialcoinci<strong>de</strong> con el semieje positivo x, y el lado terminal en cualquier cuadrante<strong>de</strong>l plano cartesiano. Sobre el lado terminal <strong>de</strong>l ángulo, sea P(x, y), un puntocualquiera, distinto <strong>de</strong>l origen. Las seis funciones trigonométricas <strong>de</strong> α se <strong>de</strong>finen,en términos <strong>de</strong> la abscisa (x), la or<strong>de</strong>nada (y) y a distancia (r) <strong>de</strong>l punto P alorigen, así: (ver figura 5(b)),1. sen α = Or<strong>de</strong>nadaDistancia = y r2. cosα = AbscisaDistancia = x r3. tanα = Or<strong>de</strong>nadaAbscisa = y x , si x ≠ 04. cotα = AbscisaOr<strong>de</strong>nada = x y , si y ≠ 05. sec α = DistanciaAbscisa = r x , si x ≠ 06. csc α = DistanciaOr<strong>de</strong>nada = r y , si y ≠ 0. 6
BP(x, y)hβaryAα b(a)90 oCFigura 5Oα(b)xAqui d(O, P) = r = √ x 2 + y 2 y siendo α el ángulo agudo <strong>de</strong>l triángulo rectángulo<strong>de</strong> lados <strong>de</strong> longitu<strong>de</strong>s x, y y r, nos referimos es estos como lado adyacente, ladoopuesto y la hipotenusa, respectivamente. Por notación <strong>de</strong> algunos textos laslongitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> los lados utiliza los términos ady para lado adyacente, op para ladoopuesto e hip para hipotenusa. Así, por ejemplo, tenemossen α =Lado opuestoHipotenusa = ophip = y r .Observación: Para todo ángulo agudo α, sen α ≤ 1, cosα ≤ 1, csc α > 1,sec α > 1.Pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>mostrarse que las funciones trigonométricas no <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n <strong>de</strong> la elección<strong>de</strong>l punto P(x, y); es <strong>de</strong>cir, cualquier punto Q(x ′ , y ′ ) sobre el lado terminal, y distinto<strong>de</strong>l origen, arroja para cada función trigonométrica, el mismo valor.A partir <strong>de</strong> la <strong>de</strong>finición anterior, pue<strong>de</strong>n <strong>de</strong>ducirse las siguientes relacionesentre las funciones trigonométricas, siempre que las operaciones indicadas esténpermitidas en los reales:1. I<strong>de</strong>ntida<strong>de</strong>s reciprocas.2. Relaciones trigonométricas.i) sen α = 1 ii) cosα = 1 iii) tan α = 1csc α sec α cot αiv) csc α = sen 1 v) sec α = 1 vi) cot α = 1α cos α tan αi) tan α = sen αcos αii) cot α = sen cos ααiii) tanα cotα = 1iv) sen α csc α = 1 v) cosαsec α = 13. Para todo ángulo α, se tiene la i<strong>de</strong>ntidad.i) I<strong>de</strong>ntidad fundamental o pitagórica:sen 2 α + cos 2 α = 17
ii) Para todo ángulo α, se tiene:−1 ≤ sen α ≤ 1 y −1 ≤ cosα ≤ 14. El signo asociado con las funciones trigonométricas, <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong>l cuadrante enque esté situado el lado terminal <strong>de</strong>l ángulo.Teniendo en cuenta las funciones trigonométricas anteriores po<strong>de</strong>mos elaborar lasiguiente tabla que será <strong>de</strong> gran ayuda e invitamos a todos a continuar en suelaboración. Aquí, N.E se lee: No existe.α en grados α en rad. sen α cosα tan α cot α sec α csc α0 o 0 0 1 0 N.E 1 N.E30 o π √ √1 3 3√6 2 2 3 32 √ 32345 o π √ √2 2√ √1 14 2 2 2 260 o π √3√ √13 2 2 3 322 √ 33 390 o π 1 0 N.E 0 N.E 12180 o π 0 -1 0 N.E -1 N.E270 o 3π 2-1 0 N.E 0 N.E -1Ejemplo 4. Determinar las funciones trigonométricas <strong>de</strong> π 4<strong>de</strong> 45 o .o en otras palabrasSolución: Consi<strong>de</strong>remos el ángulo dado en posición estándar, teniendo comolado inicial, l 1 , el eje positivo <strong>de</strong> las coor<strong>de</strong>nadas x y lado final, l 2 , la semirrectaen el primer cuadrante <strong>de</strong> plano coor<strong>de</strong>nado formando el ángulo <strong>de</strong> 45 o (figura6(a)). Tomemos un punto P sobre l 2 con 1 como coor<strong>de</strong>nada x. Construimos elsegmento PM perpendicular al eje x y, observamos, que como ∠POM es 45 o y∠OMP es 90 o y el triángulo OMP es un triángulo isósceles con los lados OM yMP <strong>de</strong> longitud iguales. Así, el punto P tiene como coor<strong>de</strong>nadas (1,1) y por elTeorema Pitagórico tenemos que el radio r = |OP | = √ 2, luego,sen 45 o = √ 1 2= √ 2, 2 cot45o = 1 = 1, 1cos 45 o = √ 12= √ 2, sec 2 45o = √ 2= √ 2,1tan45 o = 1 = 1, csc 1 45o = √ 2= √ 2.18
OyP(1, 1)l 245 oBa1 MxC(a)Figura 6cαb(b)AEjemplo 5. Demostrar la i<strong>de</strong>ntidad Pitagórica sen 2 α + cos 2 α = 1.Demostración: Por el Teorema <strong>de</strong> Pitágoras tenemos que a 2 + b 2 = c 2 , don<strong>de</strong>c es la hipotenusa <strong>de</strong>l triángulo rectángulo ABC, (figura 6(b)) y a, b sus lados.Así, dividiendo esta igualdad por c 2 ,( ac( bc) 2+) 2 ( 2 c=c)y por la <strong>de</strong>finición <strong>de</strong> las funciones trigonométricas <strong>de</strong> seno y coseno,sen 2 α + cos 2 α = 1.Ejemplo 6. Demostrar la i<strong>de</strong>ntidad: sen 2 α(1 + cot 2 α) = 1.Demostración: De las i<strong>de</strong>ntida<strong>de</strong>s trigonométricas tenemos que 1 + cot 2 α =csc 2 α. Entoncessen 2 α(1 + cot 2 α) = sen 2 α csc 2 α= sen 2 α 1sen 2 α = 1.Ejemplo 7. Se coloca en el punto A un instrumento para medir en la noche laaltura <strong>de</strong> las nubes. Este aparato emite un rayo vertical <strong>de</strong> luz que hace una señalen las nubes. La señal se ve <strong>de</strong>s<strong>de</strong> un punto a 130 metros <strong>de</strong> distancia horizontalmedida <strong>de</strong>s<strong>de</strong> A. El ángulo entre el suelo y la señal en la nube es <strong>de</strong> 60 o . Hallarla altura <strong>de</strong> las nubes.9
Solución: Denotemos por h la altura <strong>de</strong> la nube AB. Así, <strong>de</strong>l triángulo ABC<strong>de</strong> la figura 7 tenemos quetan60 o = h130 , h = 130 tan60o = 130 × 1.73 = 224.9 metros.BhA60 o130mFigura 7Ejercicio 1. Determinar las funciones trigonométricas <strong>de</strong> los ángulos <strong>de</strong> 30 o ,60 o , 90 o .C6.3 Funciones trigonométricas <strong>de</strong> números realesPara funciones trigonométricas <strong>de</strong> números reales es importante observar quesi t es un número real y P(x, y) es el punto <strong>de</strong> la circunferencia unitaria U, estoes, la circunferencia <strong>de</strong> radio r = 1, que correspon<strong>de</strong> a t, tenemossen(t) = y cos(t) = x tan(t) = y , si x ≠ 0xcot(t) = x , si y ≠ 0 sec(t) = 1 , si x ≠ 0 csc(t) = 1 , si y ≠ 0y x yEjercicio 2. Encuentre los valores <strong>de</strong> las funciones trigonométricas cuando t,tome los valores <strong>de</strong> π, π.2 4Para lo que sigue es importante, saber si una función es periódica o aperiódica.No entraremos en mucho <strong>de</strong>talle, pero es importante enten<strong>de</strong>r el concepto fundamental<strong>de</strong> dichas funciones. A seguir daremos la <strong>de</strong>finición más formal.Definición: Sea f una función con dominio un subconjunto <strong>de</strong> los reales, siexiste un número real positivo k ≠ 0, tal que t + k pertenezca al dominio <strong>de</strong> f y,f(t + k) = f(t) (2)entonces <strong>de</strong>cimos que f es una función periódica, <strong>de</strong> período k.10
El menor k positivo para el cual la función es periódica se <strong>de</strong>nomina períodofundamental o simplemente período.De acuerdo a esta <strong>de</strong>finición, tenemos que las funciones seno y coseno tienenperíodo 2π, ya que para cualquier entero n se tienesen(t + 2πn) = sen(t) y cos(t + 2πn) = cos(t).Con esto po<strong>de</strong>mos realizar las gráficas <strong>de</strong> las funciones trigonométricas seno ycoseno correspondientes a un ángulo entre 0 y 2π que es un ciclo. Nos referimosa un ciclo como una onda senoidal u onda cosenoidal.Otro punto importante en las funciones trigonométricas es saber cual <strong>de</strong> ellases par o impar. Recordando, diremos que una función f es par si f(−t) = f(t) yes impar si f(−t) = −f(t). Así, po<strong>de</strong>mos enunciar el siguiente teorema.Teorema 1: 1. El coseno y secante son funciones pares.2. El seno, la tangente, la cotangente y cosecante son funcionesimpares.Demostración: Demostraremos este teorema sólo para las funciones secante ytangente y <strong>de</strong>jaremos las otras funciones como ejercicios.Tomemos los puntos P(x, y) y Q(x, −y) sobre la circunferencia C <strong>de</strong> centro enel origen <strong>de</strong>l plano cartesiano y radio r, (ver figura 8). Los puntos así tomados sonsimétricos, quedando P en el primer cuadrante y Q en el cuarto cuadrante. Sea α<strong>de</strong>terminado por el semieje positivo <strong>de</strong> las x y el radio OP en el sentido positivo(girando en sentido contrario <strong>de</strong> las manecillas el reloj) y −α <strong>de</strong>terminado por elpunto Q, recorriendo C en sentido <strong>de</strong> las manecillas <strong>de</strong>l reloj.Sea f(α) = sec α. De los triángulos POA y QOA, don<strong>de</strong> OP = OQ = r,vemos que,1f(−α) = sec(−α) =cos (−α) = 1 x= r = sec α = f(α),xrteniendo así que f(−α) = f(α), mostrando que la función secante es par.Si f(α) = tan α, entoncesf(−α) = tan(−α) = − sen α −ycos (−α) = r11xr= −yrxr= − tan α = f(α),
mostrando que la función tangente es impar.yP(x, y)COα−αA(1, 0)xQ(x, −y)Figura 8Ahora po<strong>de</strong>mos obtener las gráficas <strong>de</strong> las funciones seno y coseno. Como lafunción seno es periódica, la figura se repite en intervalos <strong>de</strong> 2π. Lo mismo ocurrecon la gráfica <strong>de</strong> la función coseno. Las gráficas <strong>de</strong> las funciones seno y coseno sedan a continuación.yy1−1π2π3π2 2πy = sen x, 0 ≤ x ≤ 2πx1−1Figura 9π2π3π22πy = cosx, 0 ≤ x ≤ 2πxEn la gráfica <strong>de</strong> tangente, se observa que a medida que el ángulo x se aproximaa π, tan x aumenta sin límite. Del mismo modo, si x se aproxima a 2 −π por valores2mayores a − π entonces tanx <strong>de</strong>crece sin límite. Las líneas x = π y x = 2 2 −π son 2llamadas asíntotas verticales <strong>de</strong> la gráfica, pero estas líneas no hacen parte <strong>de</strong>la gráfica <strong>de</strong> tangente. La Figura 10 nos muestra la función tangente, la cuál esperiódica con periodo π.1−2π −ππ 2π 3π−1Figura 1012
Invitamos al lector a realizar las gráficas <strong>de</strong> las funciones trigonométricas yobservar cuales son periódicas y aperiódicas.6.4 Valores <strong>de</strong> las funciones trigonométricasDe acuerdo a la posición <strong>de</strong>l ángulo en el plano coor<strong>de</strong>nado, tendremos elángulo <strong>de</strong> acuerdo al cuadrante.El ángulo <strong>de</strong> referencia es el ángulo agudo α R para el ángulo α que el ladoterminal <strong>de</strong> α forma con el eje x.OyααRxα ROyαxα RyαOxOyαα Rx(a)(b)Figura 11(c)(d)En la figura 11, se muestra el ángulo <strong>de</strong> referencia α R para el ángulo α no cuadrantal,con 0 o < α < 360 o , en los diferentes cuadrantes <strong>de</strong>l plano.Si el ángulo <strong>de</strong> referencia está en el primer cuadrante: α R = α.Si el ángulo <strong>de</strong> referencia está en el segundo cuadrante: α R = 180 o − α.Si el ángulo <strong>de</strong> referencia está en el tercer cuadrante: α R = α − 180 o .Si el ángulo <strong>de</strong> referencia está en el cuarto cuadrante: α R = 360 o − α.Ejemplo 8. Dado el ángulo α, hallar el ángulo <strong>de</strong> referencia α R para α, y trazardichos ángulos en posición estándar en el mismo plano coor<strong>de</strong>nado.a) α = 330 o , b) α = 315 o , c) α = π.2Solución: Realizamos el ítem a) <strong>de</strong>jando los <strong>de</strong>más al lector para practicar.El ángulo α = 330 o esta en el cuarto cuadrante, entonces el ángulo <strong>de</strong> referenciay su gráfica esta dado poryα = 330 oxOα R = 30 oα R = 360 o − 330 o = 30 o 13
Teorema 2. Si α es un ángulo no cuadrantal en su posición estándar, entonces,para encontrar el valor <strong>de</strong> una función trigonométrica en α, se <strong>de</strong>termina su valorpara el ángulo <strong>de</strong> referencia α R y se antepone el signo a<strong>de</strong>cuado.Veamos con un ejemplo la aplicación <strong>de</strong> este teorema.Ejemplo 9: Para el ángulo α = 225 o , encontrar los valores <strong>de</strong> las funciones sen α,cosα y tan α.Solución: Dibujando el ángulo dado, α = 225 o , vemos que se encuentra en eltercer cuadrante, don<strong>de</strong> las funciones seno y coseno son negativos y tangente espositivo. Aquí, el ángulo <strong>de</strong> referencia será <strong>de</strong> 45 o y los valores para las funcionesson:sen 225 o = − sen 45 o = − √ 22 ,cos 225 o = − cos 45 o = − √ 22 ,tan 225 o = + tan45 o = 1.α R = 45 oyOα = 225 ox6.5 Gráficas trigonométricasEntre las gráficas <strong>de</strong> las funciones trigonométricas encontramos tres aspectosimportantes para estudiar, como son la amplitud, el período y el <strong>de</strong>splazamiento<strong>de</strong> fase, los cueles po<strong>de</strong>mos resumir en el siguiente teorema.Teorema 3. Si y = a sen(bx + c) o y = a cos(bx + c) son funciones senoidal ycosenoidal respectivamente, con a, b, c reales diferentes <strong>de</strong> cero, entonces1. La amplitud es dado por |a|, el periodo es 2π|b|y el <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> fase es− c b .2. Se pue<strong>de</strong> encontrar un intervalo que contenga exactamente un ciclo resolviendola <strong>de</strong>sigualdad0 ≤ bx + c ≤ 2π.Ejemplo 10. Determinar la amplitud, el periodo, el <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> fase yrealizar la gráfica <strong>de</strong> la función:y = 2 sen(2x + π ).214
Solución: Usando el Teorema 3, tenemos que la ecuación dada es <strong>de</strong> la formay = a sen(bx + c), don<strong>de</strong> a = 2, b = 2 y c = π . Así, tenemos que la amplitud es2|a| = 2, periodo es 2π|b|= 2π 2 = π.Por el Teorema 3, parte 2, es posible encontrar el <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> fase y unintervalo que contenga una onda senoidal al resolver la <strong>de</strong>sigualdad0 ≤ 2x + π 2 ≤ 2π.En esta <strong>de</strong>sigualdad, inicialmente restando a cada uno <strong>de</strong> sus miembros el valor<strong>de</strong> π 2y al resultado dividiendo por 2, realizando esto paso a paso así− π 2 ≤ 2x ≤ 3π 2 , −π 4 ≤ x ≤ 3π 4 .Luego, el <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> fase es − c = b −π y hay una onda senoidal <strong>de</strong> amplitud42 en el intervalo [ − π, ] 3π4 4 . Ahora, repitiendo la gráfica a <strong>de</strong>recha e izquierda,obtenemos la figura 12.−π6.6 Algunas Aplicaciones2−π4−2y3π4Figura 12y = 2 sen(2x + π 2 )La trigonometría tiene muchas aplicaciones en los cuales se encuentran involucradosángulos y triángulos. Cuando nos dicen que <strong>de</strong>bemos resolver un triángulosignifica que <strong>de</strong>bemos encontrar las medidas <strong>de</strong> algunos <strong>de</strong> sus elementos, dadoque se conoce las medidas <strong>de</strong> otros.Para las aplicaciones es conveniente recordar dos expresiones comunes en lasolución <strong>de</strong> triángulos. El ángulo que forma la visual <strong>de</strong> un observador con elplano horizontal que pasa por el ojo <strong>de</strong>l observador cuando el objeto observadoestá por encima <strong>de</strong> dicho plano es llamado <strong>de</strong> ángulo <strong>de</strong> elevación. Si el objetoqueda por <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong> dicho plano, entonces el ángulo formado es llamado <strong>de</strong> ánguloπ2πx15
<strong>de</strong> <strong>de</strong>presión (ver figura 13, don<strong>de</strong> Obs: se lee observador). Con esto ya po<strong>de</strong>mosentrar a realizar algunos ejemplos.ObsHorizontalVisualObsHorizontalÁngulo <strong>de</strong> elevaciónVisualÁngulo <strong>de</strong> <strong>de</strong>presiónFigura 13Ejemplo 11. Suponga que observa un globo a la distancia y se percata que ladistancia entre usted y el punto exactamente <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong>l globo está a una distancia<strong>de</strong> 120mt y que tiene que elevar su vista 56 o para observarlo, figura 14. ¿A quéaltura se encuentra el globo en ese instante?Solución: Determinemos por A el punto don<strong>de</strong> te encuentras observando, B elpunto exactamente <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong>l globo y sea C el punto don<strong>de</strong> se encuentra el globo.Entonces la distancia entre A, B es <strong>de</strong> 120mt. El ángulo CAB es <strong>de</strong> 56 o . Sea hla distancia entre B, C. Así,tan 56 o = h120entoncesh = 120 tan56 o = 177.6mtLuego, el globo se encuentra a una altura <strong>de</strong> 177.6mt <strong>de</strong>l piso.BC Globo h120mtyk56 oAαβxFigura 14Figura 15Observación: Es usual en este tipo <strong>de</strong> problemas no tener en cuenta la altura<strong>de</strong>l observador, a no ser que se especifique lo contrario.Ejemplo 12. Una escalera <strong>de</strong> longitud k está apoyada en una pared verticaly hace un ángulos α con el piso. El extremo que está sobre la pared se <strong>de</strong>sliza16
hacia abajo hasta que se <strong>de</strong>tiene formando un ángulo β en el piso. Encontrar el<strong>de</strong>slizamiento vertical <strong>de</strong> la escalera, (ver figura 15).Demostración: Sea x: <strong>de</strong>slizamiento horizontal, y: <strong>de</strong>slizamiento vertical. Asíse tienesen α = h , entonces h = k sen α (3)ksen β = h − y(4)kResolviendo este sistema, tenemos que sustituyendo (3) en (4):sen β = k sen α − y .kPor lo tanto, el <strong>de</strong>splazamiento vertical es <strong>de</strong> y = k(sen α − sen β).También tenemos que:Sustituyendo (5) en (6):cos β = b , entonces b = k cosβ (5)kcosα = b − xk . (6)cos α = k cosβ − x .kPor lo tanto, el <strong>de</strong>splazamiento horizontal es <strong>de</strong> x = k(cosβ − cosα)Ejemplo 13. Demostrar la i<strong>de</strong>ntidad: tanα + cotα = sec 2 α cotα.Solución Se aconseja llevar todo en términos <strong>de</strong> seno y coseno.tanα + cot α = sen αcosα + cosαsen α = sen2 α + cos 2 αcosαsen α=1cosαsen α = 1 1cosα sen α1 cosα=cos 2 α sen α = sec2 α cot α.Así queda mostrada la i<strong>de</strong>ntidad.17
BIBLIOGRAFIA[1] Earl W. Swokowski y Jeffery A. Cole, Álgebra y trigonometría con geometríaanalítica, Thomson, undécima edición.[2] Howard E. Taylor y Thomas L. Wa<strong>de</strong>, Matemáticas Básicas, Editorial Limusa-Wiley, S.A. México, 1969.[3] Jaime Chica E., Jesús <strong>de</strong>l Valle S., Clara Mejía L., Grimaldo Oleas L. y BlancaQuinceno R, Matemáticas, Colección Camino a la Universidad, Universidad <strong>de</strong>Antioquia. California, 1991.[4] Yu Takeuchi, Darío Wills y Hugo Guarín, Hacia la Matemática, un enfoqueestructurado, grado 10, Editorial temis S.A, Bogotá-Colombia, Sección textosescolares, 1985.“El fracaso es la única oportunidad que se nos presenta para comenzar todo nuevamente,con mayor inteligencia.” Henry Ford.18