Elemente de trigonometrie. Aplicații în geometrie – teorie, formule și exemple rezolvate
Bacalaureat – Subiectul I · Trigonometrie. Cercul trigonometric și valorile uzuale, formulele trigonometrice de bază, funcțiile trigonometrice inverse și aplicațiile trigonometriei în geometrie: teorema cosinusului, teorema sinusurilor și formulele de arie.
10.1Cercul trigonometric. Valori uzuale
Transformare grade \(\leftrightarrow\) radiani: \[\dfrac{\alpha^\circ}{180^\circ}=\dfrac{\alpha_{\text{rad}}}{\pi}\qquad\left(180^\circ=\pi\ \text{rad}\right)\]
| \(x\) | \(0\) | \(\frac{\pi}{6}\) | \(\frac{\pi}{4}\) | \(\frac{\pi}{3}\) | \(\frac{\pi}{2}\) | \(\pi\) | \(\frac{3\pi}{2}\) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| \(\sin x\) | \(0\) | \(\frac{1}{2}\) | \(\frac{\sqrt{2}}{2}\) | \(\frac{\sqrt{3}}{2}\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
| \(\cos x\) | \(1\) | \(\frac{\sqrt{3}}{2}\) | \(\frac{\sqrt{2}}{2}\) | \(\frac{1}{2}\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) |
| \(\operatorname{tg}x\) | \(0\) | \(\frac{\sqrt{3}}{3}\) | \(1\) | \(\sqrt{3}\) | \(\nexists\) | \(0\) | \(\nexists\) |
| \(\operatorname{ctg}x\) | \(\nexists\) | \(\sqrt{3}\) | \(1\) | \(\frac{\sqrt{3}}{3}\) | \(0\) | \(\nexists\) | \(0\) |
Semnul funcțiilor trigonometrice pe cadrane
| Cadran | I \(\left(0,\frac{\pi}{2}\right)\) | II \(\left(\frac{\pi}{2},\pi\right)\) | III \(\left(\pi,\frac{3\pi}{2}\right)\) | IV \(\left(\frac{3\pi}{2},2\pi\right)\) |
|---|---|---|---|---|
| \(\sin\) | \(+\) | \(+\) | \(-\) | \(-\) |
| \(\cos\) | \(+\) | \(-\) | \(-\) | \(+\) |
| \(\operatorname{tg},\ \operatorname{ctg}\) | \(+\) | \(-\) | \(+\) | \(-\) |
Proprietăți: \[\sin,\cos:\mathbb{R}\to[-1,1]\Rightarrow|\sin x|\le1,\ |\cos x|\le1\]
Paritate:
\(\cos(-x)=\cos x\) (pară);\(\sin(-x)=-\sin x\), \(\operatorname{tg}(-x)=-\operatorname{tg}x\), \(\operatorname{ctg}(-x)=-\operatorname{ctg}x\) (impare)
Periodicitate:
\(\sin(x+2k\pi)=\sin x\)\(\cos(x+2k\pi)=\cos x\)\(\operatorname{tg}(x+k\pi)=\operatorname{tg}x\)\(\operatorname{ctg}(x+k\pi)=\operatorname{ctg}x\)
Reducerea la primul cadran:
\(\sin(\pi-x)=\sin x\)\(\cos(\pi-x)=-\cos x\)\(\sin\left(\dfrac{\pi}{2}-x\right)=\cos x\)
10.2Formule trigonometrice
Formula fundamentală:
\(\boxed{\sin^2x+\cos^2x=1}\)\(\operatorname{tg}x=\dfrac{\sin x}{\cos x}\)\(\operatorname{ctg}x=\dfrac{\cos x}{\sin x}\)\(\operatorname{tg}x\cdot\operatorname{ctg}x=1\)
\[1+\operatorname{tg}^2x=\dfrac{1}{\cos^2x},\qquad1+\operatorname{ctg}^2x=\dfrac{1}{\sin^2x}\]
Suma și diferența:
\(\sin(a+b)=\sin a\cos b+\cos a\sin b\)\(\sin(a-b)=\sin a\cos b-\cos a\sin b\)
\(\cos(a+b)=\cos a\cos b-\sin a\sin b\)\(\cos(a-b)=\cos a\cos b+\sin a\sin b\)
\(\operatorname{tg}(a+b)=\dfrac{\operatorname{tg}a+\operatorname{tg}b}{1-\operatorname{tg}a\operatorname{tg}b}\)\(\operatorname{tg}(a-b)=\dfrac{\operatorname{tg}a-\operatorname{tg}b}{1+\operatorname{tg}a\operatorname{tg}b}\)
Unghiul dublu și unghiul pe jumătate:
\[\sin2x=2\sin x\cos x,\qquad\operatorname{tg}2x=\dfrac{2\operatorname{tg}x}{1-\operatorname{tg}^2x}\]
\[\cos2x=\cos^2x-\sin^2x=2\cos^2x-1=1-2\sin^2x\]
\[\sin^2x=\dfrac{1-\cos2x}{2},\qquad\cos^2x=\dfrac{1+\cos2x}{2}\]
Substituția universală \(\left(t=\operatorname{tg}\dfrac{x}{2}\right)\):
\[\sin x=\dfrac{2t}{1+t^2},\qquad\cos x=\dfrac{1-t^2}{1+t^2},\qquad\operatorname{tg}x=\dfrac{2t}{1-t^2}\]
Transformarea sumelor în produse:
\(\sin a+\sin b=2\sin\dfrac{a+b}{2}\cos\dfrac{a-b}{2}\)\(\sin a-\sin b=2\sin\dfrac{a-b}{2}\cos\dfrac{a+b}{2}\)
\(\cos a+\cos b=2\cos\dfrac{a+b}{2}\cos\dfrac{a-b}{2}\)\(\cos a-\cos b=-2\sin\dfrac{a+b}{2}\sin\dfrac{a-b}{2}\)
Exemplul 10.1
Rezolvare
Exemplul 10.2
Rezolvare
Exemplul 10.3
Rezolvare
Exemplul 10.4
Rezolvare
10.3Funcții trigonometrice inverse
\(\arcsin:[-1,1]\to\left[-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\right]\)\(\arccos:[-1,1]\to[0,\pi]\)
\(\operatorname{arctg}:\mathbb{R}\to\left(-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\right)\)\(\operatorname{arcctg}:\mathbb{R}\to(0,\pi)\)
\(\arcsin(-x)=-\arcsin x\)\(\arccos(-x)=\pi-\arccos x\)\(\arcsin x+\arccos x=\dfrac{\pi}{2}\)
\(\sin(\arcsin x)=x,\ x\in[-1,1]\)\(\operatorname{arctg}x+\operatorname{arcctg}x=\dfrac{\pi}{2}\)
Exemplul 10.5
Rezolvare
10.4Aplicații ale trigonometriei în geometrie
Teorema cosinusului (în \(\triangle ABC\)): \[a^2=b^2+c^2-2bc\cos A,\qquad\cos A=\dfrac{b^2+c^2-a^2}{2bc}\]
Teorema sinusurilor: \[\dfrac{a}{\sin A}=\dfrac{b}{\sin B}=\dfrac{c}{\sin C}=2R\quad(R=\text{raza cercului circumscris})\]
Cum aleg teorema?
Aplic teorema cosinusului când cunosc toate laturile (și caut un unghi) sau două laturi și unghiul dintre ele (și caut a treia latură). În celelalte situații aplic teorema sinusurilor.
Aria triunghiului oarecare:
\[\mathcal{A}=\dfrac{b\cdot h_b}{2}=\dfrac{a\cdot b\cdot\sin C}{2}=\dfrac{abc}{4R}=p\cdot r=\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)},\qquad p=\dfrac{a+b+c}{2}\]
\(R=\dfrac{abc}{4\mathcal{A}}\) (cerc circumscris),\(r=\dfrac{\mathcal{A}}{p}\) (cerc înscris)
Triunghiul dreptunghic (catete \(c_1,c_2\), ipotenuză \(ip\)):
\(ip^2=c_1^2+c_2^2\) (Pitagora),\(\mathcal{A}=\dfrac{c_1c_2}{2}\),\(h=\dfrac{c_1c_2}{ip}\),\(m_{ip}=\dfrac{ip}{2}\),\(R=\dfrac{ip}{2}\)
\[\sin\alpha=\dfrac{\text{cateta opusă}}{ip},\qquad\cos\alpha=\dfrac{\text{cateta alăturată}}{ip}\]
\[\operatorname{tg}\alpha=\dfrac{\text{cateta opusă}}{\text{cateta alăturată}},\qquad\operatorname{ctg}\alpha=\dfrac{\text{cateta alăturată}}{\text{cateta opusă}}\]
Triunghiul echilateral de latură \(l\):
\(P=3l\),\(\mathcal{A}=\dfrac{l^2\sqrt{3}}{4}\),\(h=\dfrac{l\sqrt{3}}{2}\),\(R=\dfrac{l\sqrt{3}}{3}\),\(r=\dfrac{l\sqrt{3}}{6}\)
Exemplul 10.6
Rezolvare
\(a^2=9+25-2\cdot3\cdot5\cdot\dfrac{1}{2}=34-15=19\Rightarrow a=\sqrt{19}\).\(\mathcal{A}=\dfrac{3\cdot5\cdot\sin60^\circ}{2}=\dfrac{15\sqrt{3}}{4}\).
Exemplul 10.7
Rezolvare
\(2R=\dfrac{a}{\sin A}=\dfrac{6}{1/2}=12\Rightarrow R=6\).
Exemplul 10.8
Rezolvare
\(\mathcal{A}=\dfrac{4^2\sqrt{3}}{4}=4\sqrt{3}\).
Capitol din culegerea Formule esențiale – clasele IX–XII, Bacalaureat, autor prof. Andrei Dobre (Math Academy®).