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Relazioni fondamentali della goniometria

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By Pimath, 12 November, 2026

Le relazioni fondamentali della goniometria collegano seno, coseno, tangente, cotangente, secante e cosecante di uno stesso angolo. Permettono di ricavare il valore di una funzione conoscendone un’altra, semplificare espressioni e verificare identità.

Partiremo dall’identità \(\sin^2\alpha+\cos^2\alpha=1\) e ricaveremo le altre relazioni, precisando ogni volta le condizioni di validità. Quando una formula contiene una radice quadrata, il segno sarà determinato dalla posizione dell’angolo sulla circonferenza goniometrica.


Indice

  • L’identitĂ  fondamentale
  • Le relazioni di rapporto
  • Le relazioni di reciprocitĂ 
  • Le identitĂ  con tangente e cotangente
  • Ricavare seno e coseno da un valore assegnato
  • Esempi svolti
  • Come verificare un’identitĂ  goniometrica
  • Riepilogo

L’identità fondamentale

Sulla circonferenza goniometrica, il punto associato all’angolo \(\alpha\) ha coordinate:

\[ P=(\cos\alpha,\sin\alpha). \]

Poiché la circonferenza ha centro nell’origine e raggio \(1\), le coordinate di ogni suo punto soddisfano l’equazione \(x^2+y^2=1\). Pertanto:

\[ \sin^2\alpha+\cos^2\alpha=1. \]

Questa identitĂ  vale per ogni \(\alpha\in\mathbb R\). La notazione \(\sin^2\alpha\) indica \((\sin\alpha)^2\), e analogamente per le altre funzioni.

Isolando uno dei due quadrati, otteniamo:

\[ \sin^2\alpha=1-\cos^2\alpha, \qquad \cos^2\alpha=1-\sin^2\alpha. \]

Queste formule determinano il valore assoluto della funzione cercata:

\[ |\sin\alpha|=\sqrt{1-\cos^2\alpha}, \qquad |\cos\alpha|=\sqrt{1-\sin^2\alpha}. \]

Per determinare anche il segno occorre conoscere il quadrante, oppure disporre di un’altra informazione sull’angolo.

Le relazioni di rapporto

Tangente

La tangente è il rapporto tra seno e coseno:

\[ \tan\alpha=\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}, \qquad \cos\alpha\ne0. \]

La condizione sul denominatore equivale a:

\[ \alpha\ne\frac{\pi}{2}+k\pi, \qquad k\in\mathbb Z. \]

Moltiplicando per \(\cos\alpha\), ricaviamo:

\[ \sin\alpha=\tan\alpha\cos\alpha, \qquad \cos\alpha\ne0. \]

Cotangente

La cotangente è il rapporto tra coseno e seno:

\[ \cot\alpha=\frac{\cos\alpha}{\sin\alpha}, \qquad \sin\alpha\ne0. \]

In termini dell’angolo:

\[ \alpha\ne k\pi, \qquad k\in\mathbb Z. \]

Moltiplicando per \(\sin\alpha\), otteniamo:

\[ \cos\alpha=\cot\alpha\sin\alpha, \qquad \sin\alpha\ne0. \]

Anche nelle formule ottenute per moltiplicazione restano necessarie le condizioni iniziali: non possiamo utilizzare una tangente o una cotangente in un punto in cui non è definita.

Le relazioni di reciprocitĂ 

Secante e coseno

La secante è il reciproco del coseno:

\[ \sec\alpha=\frac1{\cos\alpha}, \qquad \cos\alpha\ne0. \]

Ne seguono:

\[ \cos\alpha\sec\alpha=1, \qquad \cos\alpha=\frac1{\sec\alpha}, \]

sempre negli angoli per i quali \(\cos\alpha\ne0\).

Cosecante e seno

La cosecante è il reciproco del seno:

\[ \csc\alpha=\frac1{\sin\alpha}, \qquad \sin\alpha\ne0. \]

Di conseguenza:

\[ \sin\alpha\csc\alpha=1, \qquad \sin\alpha=\frac1{\csc\alpha}, \]

negli angoli per i quali \(\sin\alpha\ne0\).

Tangente e cotangente

Quando seno e coseno sono entrambi diversi da zero, tangente e cotangente sono entrambe definite e il loro prodotto è:

\[ \tan\alpha\cot\alpha = \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha} \frac{\cos\alpha}{\sin\alpha} =1. \]

Quindi:

\[ \cot\alpha=\frac1{\tan\alpha}, \qquad \tan\alpha=\frac1{\cot\alpha}, \qquad \sin\alpha\cos\alpha\ne0. \]

La condizione equivale a escludere tutti gli angoli sugli assi:

\[ \alpha\ne\frac{k\pi}{2}, \qquad k\in\mathbb Z. \]

Questa precisazione è essenziale. Per esempio, per \(\alpha=0\) la tangente esiste e vale \(0\), ma la cotangente non è definita; per \(\displaystyle\alpha=\frac{\pi}{2}\) accade il contrario.

Le identitĂ  con tangente e cotangente

La relazione \(1+\tan^2\alpha=\sec^2\alpha\)

Supponiamo \(\cos\alpha\ne0\). Dividiamo l’identità fondamentale per \(\cos^2\alpha\):

\[ \frac{\sin^2\alpha}{\cos^2\alpha} + \frac{\cos^2\alpha}{\cos^2\alpha} = \frac1{\cos^2\alpha}. \]

Riconoscendo tangente e secante:

\[ 1+\tan^2\alpha = \frac1{\cos^2\alpha} = \sec^2\alpha. \]

Equivalentemente:

\[ \sec^2\alpha-\tan^2\alpha=1. \]

Tutte queste forme valgono per \(\displaystyle\alpha\ne\frac{\pi}{2}+k\pi\), con \(k\in\mathbb Z\).

La relazione \(1+\cot^2\alpha=\csc^2\alpha\)

Supponiamo invece \(\sin\alpha\ne0\) e dividiamo l’identità fondamentale per \(\sin^2\alpha\):

\[ \frac{\sin^2\alpha}{\sin^2\alpha} + \frac{\cos^2\alpha}{\sin^2\alpha} = \frac1{\sin^2\alpha}. \]

Otteniamo:

\[ 1+\cot^2\alpha = \frac1{\sin^2\alpha} = \csc^2\alpha. \]

Equivalentemente:

\[ \csc^2\alpha-\cot^2\alpha=1. \]

Queste identitĂ  valgono per \(\alpha\ne k\pi\), con \(k\in\mathbb Z\).

Ricavare seno e coseno da un valore assegnato

Se conosciamo il seno o il coseno

Dall’identità fondamentale:

\[ \cos\alpha=\pm\sqrt{1-\sin^2\alpha}, \qquad \sin\alpha=\pm\sqrt{1-\cos^2\alpha}. \]

Il simbolo \(\pm\) indica che il valore assegnato, da solo, può lasciare due possibilità. Il segno corretto dipende dal quadrante; se la radice vale zero, le due possibilità coincidono.

Se conosciamo la tangente

Dalla relazione \(\displaystyle 1+\tan^2\alpha=\frac1{\cos^2\alpha}\) ricaviamo:

\[ \cos^2\alpha=\frac1{1+\tan^2\alpha}. \]

Quindi:

\[ \cos\alpha = \pm\frac1{\sqrt{1+\tan^2\alpha}}. \]

Scelto il segno del coseno, il seno si calcola mediante:

\[ \sin\alpha=\tan\alpha\cos\alpha. \]

Questo procedimento mantiene automaticamente il rapporto corretto tra i segni di seno e coseno.

Se conosciamo la cotangente

Analogamente:

\[ \sin^2\alpha=\frac1{1+\cot^2\alpha}, \] \[ \sin\alpha = \pm\frac1{\sqrt{1+\cot^2\alpha}}. \]

Dopo aver scelto il segno del seno, calcoliamo:

\[ \cos\alpha=\cot\alpha\sin\alpha. \]

La scelta del segno

Quadrante\(\sin\alpha\)\(\cos\alpha\)\(\tan\alpha\), \(\cot\alpha\)
Primo\(+\)\(+\)\(+\)
Secondo\(+\)\(-\)\(-\)
Terzo\(-\)\(-\)\(+\)
Quarto\(-\)\(+\)\(-\)

La tabella riguarda gli angoli interni ai quadranti. Sugli assi occorre controllare direttamente i valori e le condizioni di esistenza.

Immagine
La retta y = 3/5 interseca la circonferenza goniometrica nei punti (4/5, 3/5) e (−4/5, 3/5). Il seno è uguale nei due punti, mentre il coseno vale 4/5 nel primo quadrante e −4/5 nel secondo.

Esempi svolti

Esempio 1. Dal seno alle altre funzioni

Supponiamo che:

\[ \sin\alpha=\frac35, \qquad \frac{\pi}{2}<\alpha<\pi. \]

L’angolo appartiene al secondo quadrante, quindi il coseno è negativo. Dall’identità fondamentale:

\[ \cos^2\alpha = 1-\frac9{25} = \frac{16}{25}. \]

Scegliendo il segno negativo:

\[ \cos\alpha=-\frac45. \]

Possiamo ora calcolare tutte le altre funzioni:

\[ \tan\alpha = \frac{3/5}{-4/5} = -\frac34, \qquad \cot\alpha=-\frac43; \] \[ \sec\alpha=-\frac54, \qquad \csc\alpha=\frac53. \]

Tutte sono definite perchĂŠ seno e coseno sono entrambi diversi da zero.

Esempio 2. Dalla tangente al seno e al coseno

Supponiamo che:

\[ \tan\alpha=2, \qquad \pi<\alpha<\frac{3\pi}{2}. \]

Nel terzo quadrante seno e coseno sono entrambi negativi. Calcoliamo prima il coseno:

\[ \cos\alpha = -\frac1{\sqrt{1+2^2}} = -\frac1{\sqrt5} = -\frac{\sqrt5}{5}. \]

Poi:

\[ \sin\alpha = \tan\alpha\cos\alpha = -\frac{2\sqrt5}{5}. \]

Verifichiamo l’identità fondamentale:

\[ \sin^2\alpha+\cos^2\alpha = \frac45+\frac15 = 1. \]

Esempio 3. Dalla cotangente al seno e al coseno

Supponiamo che:

\[ \cot\alpha=-\frac34, \qquad \frac{3\pi}{2}<\alpha<2\pi. \]

Nel quarto quadrante il seno è negativo e il coseno è positivo. Pertanto:

\[ \sin\alpha = -\frac1{\sqrt{1+\frac9{16}}} = -\frac1{\sqrt{\frac{25}{16}}} = -\frac45. \]

Da cui:

\[ \cos\alpha = \cot\alpha\sin\alpha = \left(-\frac34\right)\left(-\frac45\right) = \frac35. \]

Come verificare un’identità goniometrica

Un’identità goniometrica è un’uguaglianza valida per tutti gli angoli del dominio considerato. Per verificarla, conviene stabilire prima dove i due membri sono definiti e poi trasformarne uno fino a ottenere l’altro.

Un procedimento utile consiste nell’esprimere tangente, cotangente, secante e cosecante mediante seno e coseno, ridurre le frazioni e applicare l’identità fondamentale.

Esempio 4. Semplificare un’espressione

Verifichiamo:

\[ \frac{1-\cos^2\alpha}{\sin\alpha} = \sin\alpha. \]

Il primo membro richiede \(\sin\alpha\ne0\). In questo dominio:

\[ \frac{1-\cos^2\alpha}{\sin\alpha} = \frac{\sin^2\alpha}{\sin\alpha} = \sin\alpha. \]

L’identità è quindi verificata per \(\alpha\ne k\pi\), con \(k\in\mathbb Z\). Il secondo membro esiste anche negli angoli esclusi, ma questo non rende definita la frazione iniziale.

Esempio 5. Un’identità con la tangente

Verifichiamo:

\[ \frac{\tan\alpha}{1+\tan^2\alpha} = \sin\alpha\cos\alpha. \]

Il primo membro è definito per \(\cos\alpha\ne0\); il suo denominatore è sempre positivo. Utilizzando le relazioni fondamentali:

\[ \frac{\tan\alpha}{1+\tan^2\alpha} = \frac{\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}} {\frac1{\cos^2\alpha}} = \sin\alpha\cos\alpha. \]

L’identità vale dunque per \(\displaystyle\alpha\ne\frac{\pi}{2}+k\pi\), con \(k\in\mathbb Z\).

Errori comuni

  • Scegliere sempre la radice positiva. Da \(\cos^2\alpha=m\) segue \(\cos\alpha=\pm\sqrt m\): il quadrante determina il segno.
  • Dimenticare il valore assoluto. Si ha \(\sqrt{\sin^2\alpha}=|\sin\alpha|\), non sempre \(\sin\alpha\).
  • Dividere senza controllare il denominatore. Le divisioni per seno e coseno richiedono che siano diversi da zero.
  • Estendere il dominio dopo una semplificazione. Una forma semplificata può esistere in piĂš punti dell’espressione iniziale; l’uguaglianza resta limitata al dominio di partenza.
  • Confondere reciproco e funzione inversa. La secante è il reciproco del coseno; l’arcocoseno è una funzione inversa ottenuta restringendo il dominio del coseno. Sono concetti diversi.

Riepilogo

Le principali relazioni tra le funzioni goniometriche di uno stesso angolo sono:

RelazioneCondizione di validitĂ 
\(\sin^2\alpha+\cos^2\alpha=1\)\(\alpha\in\mathbb R\)
\(\displaystyle\tan\alpha=\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}\)\(\cos\alpha\ne0\)
\(\displaystyle\cot\alpha=\frac{\cos\alpha}{\sin\alpha}\)\(\sin\alpha\ne0\)
\(\displaystyle\sec\alpha=\frac1{\cos\alpha}\)\(\cos\alpha\ne0\)
\(\displaystyle\csc\alpha=\frac1{\sin\alpha}\)\(\sin\alpha\ne0\)
\(\tan\alpha\cot\alpha=1\)\(\sin\alpha\cos\alpha\ne0\)
\(1+\tan^2\alpha=\sec^2\alpha\)\(\cos\alpha\ne0\)
\(1+\cot^2\alpha=\csc^2\alpha\)\(\sin\alpha\ne0\)

Per ricavare le funzioni da un valore assegnato, utilizziamo prima le identità per determinare i valori assoluti e poi le informazioni sull’angolo per scegliere i segni. Nelle semplificazioni e nelle verifiche di identità manteniamo sempre le condizioni di esistenza delle espressioni iniziali.

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  • Trigonometria

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