mateinfo.roANDREI OCTAVIAN DOBRE20 ani20ANI

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: \[\dfrac{\alpha^\circ}{180^\circ}=\dfrac{\alpha_{\text{rad}}}{\pi}\qquad\left(180^\circ=\pi\ \text{rad}\right)\]

\(x\) \(0\) \(\frac{\pi}{6}\) \(\frac{\pi}{4}\) \(\frac{\pi}{3}\) \(\frac{\pi}{2}\) \(\pi\) \(\frac{3\pi}{2}\)
\(\sin x\) \(0\) \(\frac{1}{2}\) \(\frac{\sqrt{2}}{2}\) \(\frac{\sqrt{3}}{2}\) \(1\) \(0\) \(-1\)
\(\cos x\) \(1\) \(\frac{\sqrt{3}}{2}\) \(\frac{\sqrt{2}}{2}\) \(\frac{1}{2}\) \(0\) \(-1\) \(0\)
\(\operatorname{tg}x\) \(0\) \(\frac{\sqrt{3}}{3}\) \(1\) \(\sqrt{3}\) \(\nexists\) \(0\) \(\nexists\)
\(\operatorname{ctg}x\) \(\nexists\) \(\sqrt{3}\) \(1\) \(\frac{\sqrt{3}}{3}\) \(0\) \(\nexists\) \(0\)
π/6π/4π/3π/2π03π/2 cos xsin xx IIIIIIIV cossinO

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:

\(\sin(\pi-x)=\sin x\)\(\cos(\pi-x)=-\cos x\)\(\sin\left(\dfrac{\pi}{2}-x\right)=\cos x\)

↑ Cuprins

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

Știind că \(\sin x=\dfrac{3}{5}\) și \(x\in\left(0,\dfrac{\pi}{2}\right)\), calculați \(\cos x\) și \(\operatorname{tg}x\).
Rezolvare
\(\cos^2x=1-\dfrac{9}{25}=\dfrac{16}{25}\); cum \(x\) este în cadranul I, \(\cos x=\dfrac{4}{5}\). Atunci \(\operatorname{tg}x=\dfrac{3/5}{4/5}=\dfrac{3}{4}\).

Exemplul 10.2

Calculați \(\sin75^\circ\).
Rezolvare
\(\sin75^\circ=\sin(45^\circ+30^\circ)=\dfrac{\sqrt{2}}{2}\cdot\dfrac{\sqrt{3}}{2}+\dfrac{\sqrt{2}}{2}\cdot\dfrac{1}{2}=\dfrac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4}\).

Exemplul 10.3

Arătați că \(E=\sin^4x+\cos^4x+2\sin^2x\cos^2x=1\).
Rezolvare
\(E=(\sin^2x+\cos^2x)^2=1^2=1\).

Exemplul 10.4

Calculați \(\cos\dfrac{2\pi}{3}\).
Rezolvare
\(\cos\dfrac{2\pi}{3}=\cos\left(\pi-\dfrac{\pi}{3}\right)=-\cos\dfrac{\pi}{3}=-\dfrac{1}{2}\).

↑ Cuprins

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

Calculați \(\arcsin\dfrac{\sqrt{2}}{2}+\arccos\dfrac{\sqrt{2}}{2}\).
Rezolvare
\(=\dfrac{\pi}{4}+\dfrac{\pi}{4}=\dfrac{\pi}{2}\) (conform formulei \(\arcsin x+\arccos x=\frac{\pi}{2}\)).

↑ Cuprins

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: \[\dfrac{a}{\sin A}=\dfrac{b}{\sin B}=\dfrac{c}{\sin C}=2R\quad(R=\text{raza cercului circumscris})\]

ABC abc

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),\(\mathcal{A}=\dfrac{c_1c_2}{2}\),\(h=\dfrac{c_1c_2}{ip}\),\(m_{ip}=\dfrac{ip}{2}\),\(R=\dfrac{ip}{2}\)

\[\sin\alpha=\dfrac{\text{cateta opusă}}{ip},\qquad\cos\alpha=\dfrac{\text{cateta alăturată}}{ip}\]

\[\operatorname{tg}\alpha=\dfrac{\text{cateta opusă}}{\text{cateta alăturată}},\qquad\operatorname{ctg}\alpha=\dfrac{\text{cateta alăturată}}{\text{cateta opusă}}\]

c1c2ip α

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

În \(\triangle ABC\) avem \(b=3\), \(c=5\) și \(A=60^\circ\). Calculați \(a\) și aria.
Rezolvare

\(a^2=9+25-2\cdot3\cdot5\cdot\dfrac{1}{2}=34-15=19\Rightarrow a=\sqrt{19}\).\(\mathcal{A}=\dfrac{3\cdot5\cdot\sin60^\circ}{2}=\dfrac{15\sqrt{3}}{4}\).

ABC c = 5b = 3a = √1960°

Exemplul 10.7

În \(\triangle ABC\), \(a=6\) și \(A=30^\circ\). Calculați raza cercului circumscris.
Rezolvare

\(2R=\dfrac{a}{\sin A}=\dfrac{6}{1/2}=12\Rightarrow R=6\).

ABCO a = 630°R

Exemplul 10.8

Calculați aria unui triunghi echilateral cu latura \(4\).
Rezolvare

\(\mathcal{A}=\dfrac{4^2\sqrt{3}}{4}=4\sqrt{3}\).

ABCD 44h

↑ Cuprins

Capitol din culegerea Formule esențiale – clasele IX–XII, Bacalaureat, autor prof. Andrei Dobre (Math Academy®).