Gli archi associati permettono di collegare i valori delle funzioni goniometriche di angoli legati da simmetrie o rotazioni sulla circonferenza goniometrica. Usando queste relazioni, possiamo ricondurre il calcolo di seno, coseno, tangente e cotangente ai valori di un angolo del primo quadrante.
Ricaveremo le formule dalle coordinate dei punti sulla circonferenza e costruiremo un procedimento per scegliere il segno corretto. Gli angoli sono espressi in radianti, con alcune equivalenze in gradi negli esempi.
Indice
- Archi associati e angolo di riferimento
- Angoli opposti e supplementari
- Angoli che differiscono di mezzo giro
- Angoli complementari e rotazioni di un quarto di giro
- Come ridurre al primo quadrante
- Esempi svolti
- Errori comuni e riepilogo
Archi associati e angolo di riferimento
Sulla circonferenza goniometrica, all’angolo \(\alpha\) corrisponde il punto
\[ P=(\cos\alpha,\sin\alpha). \]
Gli angoli \(-\alpha\), \(\pi-\alpha\), \(\pi+\alpha\) e \(\displaystyle\frac{\pi}{2}-\alpha\) individuano punti le cui coordinate si ricavano da quelle di \(P\) mediante cambi di segno o scambi di coordinate. Da queste trasformazioni seguono le formule degli archi associati.
Per un angolo il cui lato finale non giace su un asse, l’angolo di riferimento è l’angolo acuto compreso tra il lato finale e il semiasse orizzontale più vicino. La sua misura appartiene a \(\left(0,\displaystyle\frac{\pi}{2}\right)\).
Le relazioni per seno e coseno che ricaveremo valgono per ogni \(\alpha\in\mathbb{R}\). Per tangente e cotangente occorre invece controllare che i rispettivi denominatori siano diversi da zero.
Angoli opposti e supplementari
Angoli opposti
Gli angoli \(\alpha\) e \(-\alpha\) individuano punti simmetrici rispetto all’asse delle ascisse. L’ascissa resta invariata e l’ordinata cambia segno. Pertanto
\[ \cos(-\alpha)=\cos\alpha, \qquad \sin(-\alpha)=-\sin\alpha. \]
Passando ai quozienti tra seno e coseno, otteniamo
\[ \tan(-\alpha)=-\tan\alpha \quad\text{se }\cos\alpha\ne 0, \]
\[ \cot(-\alpha)=-\cot\alpha \quad\text{se }\sin\alpha\ne 0. \]
Angoli supplementari
Gli angoli \(\alpha\) e \(\pi-\alpha\) individuano punti simmetrici rispetto all’asse delle ordinate. L’ascissa cambia segno e l’ordinata resta invariata. Quindi
\[ \cos(\pi-\alpha)=-\cos\alpha, \qquad \sin(\pi-\alpha)=\sin\alpha. \]
Di conseguenza,
\[ \tan(\pi-\alpha)=-\tan\alpha \quad\text{se }\cos\alpha\ne 0, \]
\[ \cot(\pi-\alpha)=-\cot\alpha \quad\text{se }\sin\alpha\ne 0. \]
Angoli che differiscono di mezzo giro
Aggiungendo \(\pi\) all’angolo \(\alpha\), il punto associato compie una rotazione di mezzo giro e raggiunge il punto diametralmente opposto. Entrambe le coordinate cambiano segno.
\[ \cos(\pi+\alpha)=-\cos\alpha, \qquad \sin(\pi+\alpha)=-\sin\alpha. \]
Nei quozienti, i due cambi di segno si compensano. Si ottiene quindi
\[ \tan(\pi+\alpha)=\tan\alpha \quad\text{se }\cos\alpha\ne 0, \]
\[ \cot(\pi+\alpha)=\cot\alpha \quad\text{se }\sin\alpha\ne 0. \]
Un giro completo riporta invece il punto nella posizione di partenza. Per ogni \(k\in\mathbb{Z}\),
\[ \sin(\alpha+2k\pi)=\sin\alpha, \qquad \cos(\alpha+2k\pi)=\cos\alpha. \]
Tangente e cotangente riprendono già lo stesso valore dopo mezzo giro. Nei rispettivi domini,
\[ \tan(\alpha+k\pi)=\tan\alpha, \qquad \cot(\alpha+k\pi)=\cot\alpha. \]
Angoli complementari e rotazioni di un quarto di giro
Angoli complementari
I punti associati ad \(\alpha\) e a \(\displaystyle\frac{\pi}{2}-\alpha\) sono simmetrici rispetto alla retta \(y=x\). Le coordinate si scambiano, quindi
\[ \cos\left(\frac{\pi}{2}-\alpha\right)=\sin\alpha, \qquad \sin\left(\frac{\pi}{2}-\alpha\right)=\cos\alpha. \]
Dalle definizioni di tangente e cotangente segue
\[ \tan\left(\frac{\pi}{2}-\alpha\right)=\cot\alpha \quad\text{se }\sin\alpha\ne 0, \]
\[ \cot\left(\frac{\pi}{2}-\alpha\right)=\tan\alpha \quad\text{se }\cos\alpha\ne 0. \]
Aggiungere un quarto di giro
Una rotazione antioraria di \(\displaystyle\frac{\pi}{2}\) trasforma il punto \((\cos\alpha,\sin\alpha)\) nel punto \((-\sin\alpha,\cos\alpha)\). Pertanto
\[ \cos\left(\frac{\pi}{2}+\alpha\right)=-\sin\alpha, \qquad \sin\left(\frac{\pi}{2}+\alpha\right)=\cos\alpha. \]
Per i due quozienti,
\[ \tan\left(\frac{\pi}{2}+\alpha\right)=-\cot\alpha \quad\text{se }\sin\alpha\ne 0, \]
\[ \cot\left(\frac{\pi}{2}+\alpha\right)=-\tan\alpha \quad\text{se }\cos\alpha\ne 0. \]
Come ridurre al primo quadrante
Per ricondurre un angolo a un angolo di riferimento del primo quadrante, procediamo in tre passaggi.
- Sottraiamo o aggiungiamo un multiplo intero di \(2\pi\), ottenendo una misura \(\theta\) con \(0\leq\theta<2\pi\).
- Individuiamo il quadrante e determiniamo l’angolo di riferimento \(\beta\).
- Usiamo il valore della funzione in \(\beta\) e scegliamo il segno in base al quadrante di \(\theta\).
Se \(\theta\) non corrisponde a un punto sugli assi, l’angolo di riferimento è dato dalla tabella seguente.
| Quadrante | Intervallo di \(\theta\) | Angolo \(\beta\) | Seno | Coseno | Tangente e cotangente |
|---|---|---|---|---|---|
| Primo | \(0<\theta<\displaystyle\frac{\pi}{2}\) | \(\beta=\theta\) | Positivo | Positivo | Positive |
| Secondo | \(\displaystyle\frac{\pi}{2}<\theta<\pi\) | \(\beta=\pi-\theta\) | Positivo | Negativo | Negative |
| Terzo | \(\pi<\theta<\displaystyle\frac{3\pi}{2}\) | \(\beta=\theta-\pi\) | Negativo | Negativo | Positive |
| Quarto | \(\displaystyle\frac{3\pi}{2}<\theta<2\pi\) | \(\beta=2\pi-\theta\) | Negativo | Positivo | Negative |
Per esempio, se \(\theta\) appartiene al secondo quadrante, allora \(\theta=\pi-\beta\). Le formule degli angoli supplementari danno \(\sin\theta=\sin\beta\), \(\cos\theta=-\cos\beta\), \(\tan\theta=-\tan\beta\) e \(\cot\theta=-\cot\beta\). Negli altri quadranti si procede con le relazioni corrispondenti.
Se \(\theta\) è \(0\), \(\displaystyle\frac{\pi}{2}\), \(\pi\) oppure \(\displaystyle\frac{3\pi}{2}\), il punto associato si trova su un asse. In questi casi si leggono direttamente le coordinate e si controlla l’esistenza di tangente e cotangente.
Esempi svolti
1. Un angolo del secondo quadrante
Calcoliamo seno, coseno e tangente di \(\displaystyle\frac{5\pi}{6}\), pari a \(150^\circ\). L’angolo di riferimento è \(\beta=\pi-\displaystyle\frac{5\pi}{6}=\displaystyle\frac{\pi}{6}\). Il seno è positivo, il coseno e la tangente sono negativi. Dalla tabella dei valori notevoli segue
\[ \sin\frac{5\pi}{6}=\frac12,\qquad \cos\frac{5\pi}{6}=-\frac{\sqrt3}{2},\qquad \tan\frac{5\pi}{6}=-\frac{\sqrt3}{3}. \]
2. Un angolo negativo
Consideriamo \(-\displaystyle\frac{7\pi}{4}\). Aggiungendo \(2\pi\), otteniamo \(\displaystyle\frac{\pi}{4}\), che appartiene al primo quadrante. Pertanto
\[ \sin\left(-\frac{7\pi}{4}\right)=\frac{\sqrt2}{2}, \qquad \cos\left(-\frac{7\pi}{4}\right)=\frac{\sqrt2}{2}, \qquad \tan\left(-\frac{7\pi}{4}\right)=1. \]
3. Un angolo maggiore di un giro
Riduciamo \(\displaystyle\frac{17\pi}{6}\) al primo giro. Sottraendo \(2\pi\), otteniamo \(\displaystyle\frac{5\pi}{6}\). Di conseguenza,
\[ \sin\frac{17\pi}{6}=\frac12, \qquad \cos\frac{17\pi}{6}=-\frac{\sqrt3}{2}. \]
4. Usare gli angoli complementari
Poiché \(\displaystyle\frac{\pi}{6}+\displaystyle\frac{\pi}{3}=\displaystyle\frac{\pi}{2}\), si ha
\[ \sin\frac{\pi}{6}=\cos\frac{\pi}{3}=\frac12, \qquad \tan\frac{\pi}{6}=\cot\frac{\pi}{3}=\frac{\sqrt3}{3}. \]
Errori comuni e riepilogo
L’angolo di riferimento determina i valori assoluti delle funzioni. Il segno si ricava dal quadrante dell’angolo iniziale. Per esempio, \(\sin(\pi+\beta)=-\sin\beta\), perché nel terzo quadrante il seno è negativo.
Nelle formule che coinvolgono \(\displaystyle\frac{\pi}{2}\), occorre controllare anche lo scambio tra le funzioni. Per esempio, \(\sin\left(\displaystyle\frac{\pi}{2}+\alpha\right)=\cos\alpha\) e \(\tan\left(\displaystyle\frac{\pi}{2}+\alpha\right)=-\cot\alpha\), quest’ultima quando \(\sin\alpha\ne 0\).
| Angolo | Seno | Coseno | Tangente | Cotangente |
|---|---|---|---|---|
| \(-\alpha\) | \(-\sin\alpha\) | \(\cos\alpha\) | \(-\tan\alpha\) | \(-\cot\alpha\) |
| \(\pi-\alpha\) | \(\sin\alpha\) | \(-\cos\alpha\) | \(-\tan\alpha\) | \(-\cot\alpha\) |
| \(\pi+\alpha\) | \(-\sin\alpha\) | \(-\cos\alpha\) | \(\tan\alpha\) | \(\cot\alpha\) |
| \(2\pi-\alpha\) | \(-\sin\alpha\) | \(\cos\alpha\) | \(-\tan\alpha\) | \(-\cot\alpha\) |
| \(\displaystyle\frac{\pi}{2}-\alpha\) | \(\cos\alpha\) | \(\sin\alpha\) | \(\cot\alpha\) | \(\tan\alpha\) |
| \(\displaystyle\frac{\pi}{2}+\alpha\) | \(\cos\alpha\) | \(-\sin\alpha\) | \(-\cot\alpha\) | \(-\tan\alpha\) |
Le formule di seno e coseno valgono per ogni \(\alpha\in\mathbb{R}\). Nelle colonne della tangente e della cotangente, ciascuna uguaglianza vale quando le espressioni sono definite. In particolare, \(\tan\left(\displaystyle\frac{\pi}{2}\pm\alpha\right)\) richiede \(\sin\alpha\ne 0\), mentre \(\cot\left(\displaystyle\frac{\pi}{2}\pm\alpha\right)\) richiede \(\cos\alpha\ne 0\).