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Sistemi di Equazioni Goniometriche

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By Pimath, 12 November, 2026

Un sistema di equazioni goniometriche richiede di determinare i valori delle incognite che soddisfano contemporaneamente tutte le equazioni assegnate. In questa pagina consideriamo sistemi in una sola incognita reale, indicata con \(x\), e misuriamo gli angoli in radianti.

Il principio fondamentale è l’intersezione degli insiemi delle soluzioni: dopo aver risolto le singole equazioni, occorre conservare soltanto i valori comuni. In altri casi è più conveniente usare le identità goniometriche o combinare le equazioni, così da ottenere un sistema equivalente più semplice.

Vedremo come confrontare famiglie periodiche, riconoscere un sistema impossibile e usare le identità senza perdere soluzioni o introdurne di estranee.


Indice

  • Significato di un sistema e soluzioni comuni
  • Metodo risolutivo e condizioni di esistenza
  • Intersezione delle famiglie di soluzioni
  • Sistemi impossibili e identità fondamentale
  • Uso delle identità e combinazione delle equazioni
  • Sistemi con tangente e condizioni di esistenza
  • Famiglie con periodi diversi
  • Errori comuni e riepilogo

Significato di un sistema e soluzioni comuni

Consideriamo un sistema della forma

\[ \begin{cases} f(x)=0,\\ g(x)=0. \end{cases} \]

Se \(S_1\) è l’insieme delle soluzioni della prima equazione e \(S_2\) quello della seconda, l’insieme delle soluzioni del sistema è

\[ S=S_1\cap S_2. \]

Un valore appartiene a \(S\) se e solo se appartiene sia a \(S_1\) sia a \(S_2\). Se le due equazioni non hanno soluzioni comuni, il sistema è impossibile e si scrive \(S=\varnothing\).

Occorre distinguere due operazioni:

  • le diverse famiglie che risolvono una singola equazione si riuniscono mediante un’unione;
  • gli insiemi delle soluzioni delle equazioni di un sistema si confrontano mediante un’intersezione.

Per esempio, l’equazione \(\sin x=0\) è soddisfatta da \(x=0\), mentre \(\cos x=0\) è soddisfatta da \(\displaystyle x=\frac{\pi}{2}\). Nessuno di questi due valori soddisfa entrambe le equazioni: risolverle separatamente non basta a risolvere il sistema.

Metodo risolutivo e condizioni di esistenza

Un procedimento generale comprende i seguenti passaggi.

  1. Determinare il dominio comune. Tutte le espressioni del sistema devono essere definite.
  2. Semplificare le equazioni. Usare, quando opportuno, identità goniometriche e trasformazioni equivalenti.
  3. Determinare le soluzioni comuni. Intersecare gli insiemi delle soluzioni oppure risolvere il sistema equivalente ottenuto.
  4. Verificare i valori trovati. Controllare le equazioni originarie e le condizioni di esistenza.
  5. Applicare l’eventuale intervallo assegnato. Conservare soltanto le soluzioni che vi appartengono.

Per le funzioni goniometriche più comuni, le condizioni di esistenza sono:

EspressioneCondizione
\(\sin x\), \(\cos x\)\(x\in\mathbb R\)
\(\tan x\), \(\sec x\)\(\cos x\ne 0\)
\(\cot x\), \(\csc x\)\(\sin x\ne 0\)

Eventuali denominatori, radici o altre espressioni presenti nel sistema possono imporre ulteriori condizioni. Se l’argomento è, per esempio, \(2x\), le condizioni vanno applicate a quell’argomento: \(\tan(2x)\) richiede \(\cos(2x)\ne 0\).

Intersezione delle famiglie di soluzioni

Esempio 1. Seno e coseno assegnati

Risolviamo il sistema

\[ \begin{cases} \sin x=\dfrac12,\\ \cos x=\dfrac{\sqrt3}{2}. \end{cases} \]

La prima equazione ha soluzioni

\[ x=\frac{\pi}{6}+2k\pi \quad\text{oppure}\quad x=\frac{5\pi}{6}+2k\pi, \qquad k\in\mathbb Z. \]

La seconda ha soluzioni

\[ x=\frac{\pi}{6}+2m\pi \quad\text{oppure}\quad x=-\frac{\pi}{6}+2m\pi, \qquad m\in\mathbb Z. \]

Le lettere \(k\) e \(m\) sono parametri interi indipendenti: le due equazioni sono state risolte separatamente.

Per individuare i valori comuni possiamo sostituire nella seconda equazione le due famiglie della prima.

  • Se \(\displaystyle x=\frac{\pi}{6}+2k\pi\), allora \(\displaystyle\cos x=\frac{\sqrt3}{2}\): la seconda equazione è soddisfatta.
  • Se \(\displaystyle x=\frac{5\pi}{6}+2k\pi\), allora \(\displaystyle\cos x=-\frac{\sqrt3}{2}\): la seconda equazione non è soddisfatta.

Le soluzioni del sistema sono quindi

\[ x=\frac{\pi}{6}+2k\pi,\qquad k\in\mathbb Z. \]

Nell’intervallo \([0,2\pi)\) rimane la sola soluzione \(\displaystyle x=\frac{\pi}{6}\).

Interpretazione geometrica. Sulla circonferenza goniometrica, il seno è l’ordinata e il coseno è l’ascissa del punto associato all’angolo. Le due equazioni richiedono quindi il punto di coordinate \(\displaystyle\left(\frac{\sqrt3}{2},\frac12\right)\), che si trova nel primo quadrante.

Immagine
Circonferenza goniometrica: le condizioni seno di x uguale a un mezzo e coseno di x uguale a radice di tre su due selezionano il punto del primo quadrante corrispondente all’angolo pi greco sesti.

 

Sistemi impossibili e identità fondamentale

L’identità

\[ \sin^2x+\cos^2x=1 \]

consente di verificare rapidamente la compatibilità del sistema

\[ \begin{cases} \sin x=a,\\ \cos x=b, \end{cases} \qquad a,b\in\mathbb R. \]

Se il sistema ha una soluzione, necessariamente \(a^2+b^2=1\). Vale anche il viceversa: se \(a^2+b^2=1\), il punto \((b,a)\) appartiene alla circonferenza goniometrica e individua un angolo, a meno di multipli interi di \(2\pi\). Pertanto

\[ \text{Il sistema è risolubile se e solo se }a^2+b^2=1. \]

Esempio 2. Due equazioni risolubili, ma nessuna soluzione comune

Consideriamo

\[ \begin{cases} \sin x=\dfrac12,\\ \cos x=\dfrac12. \end{cases} \]

Se esistesse una soluzione, avremmo

\[ 1=\sin^2x+\cos^2x =\frac14+\frac14 =\frac12, \]

che è impossibile. Dunque

\[ S=\varnothing. \]

Ciascuna equazione, considerata da sola, ha infinite soluzioni, ma i due insiemi delle soluzioni non hanno elementi comuni.

Attenzione ai segni. Dalla sola equazione \(\displaystyle\sin x=\frac12\) segue \(\displaystyle\cos^2x=\frac34\), quindi

\[ \cos x=\pm\frac{\sqrt3}{2}. \]

Non è lecito scegliere il segno positivo senza un’ulteriore condizione sul coseno o sull’angolo.

Uso delle identità e combinazione delle equazioni

Esempio 3. Somma e differenza di seno e coseno

Risolviamo

\[ \begin{cases} \sin x+\cos x=1,\\ \sin x-\cos x=0. \end{cases} \]

Sommando le equazioni otteniamo \(2\sin x=1\); sottraendo la seconda dalla prima otteniamo \(2\cos x=1\). Queste operazioni conducono al sistema equivalente

\[ \begin{cases} \sin x=\dfrac12,\\ \cos x=\dfrac12. \end{cases} \]

Il sistema è impossibile, come mostrato nell’esempio precedente. La combinazione delle equazioni ha reso evidente una contraddizione che nelle equazioni iniziali era meno immediata.

Esempio 4. Identità dell’angolo doppio

Consideriamo

\[ \begin{cases} \sin x+\cos x=1,\\ \sin(2x)=0. \end{cases} \]

Usiamo l’identità \(\sin(2x)=2\sin x\cos x\). La seconda equazione equivale a

\[ \sin x\cos x=0. \]

Per la legge di annullamento del prodotto, almeno uno dei due fattori deve essere nullo.

  • Se \(\sin x=0\), la prima equazione impone \(\cos x=1\), dunque \(x=2k\pi\).
  • Se \(\cos x=0\), la prima equazione impone \(\sin x=1\), dunque \(\displaystyle x=\frac{\pi}{2}+2k\pi\).

Entrambe le famiglie soddisfano le equazioni originarie. Pertanto

\[  x=2k\pi \quad\text{oppure}\quad x=\frac{\pi}{2}+2k\pi, \qquad k\in\mathbb Z. \]

Una seconda lettura. Elevando al quadrato la prima equazione si ottiene

\[ (\sin x+\cos x)^2=1. \]

Sviluppando il quadrato e applicando l’identità fondamentale, troviamo

\[ \sin^2x+\cos^2x+2\sin x\cos x=1, \] \[ 1+\sin(2x)=1, \]

da cui \(\sin(2x)=0\).

La prima equazione implica quindi la seconda. Il viceversa non vale: per esempio \(x=\pi\) soddisfa \(\sin(2x)=0\), ma dà \(\sin x+\cos x=-1\).

La seconda equazione è una conseguenza della prima e non aggiunge vincoli. Sostituire l’intero sistema con la sola seconda equazione introdurrebbe soluzioni estranee.

Sistemi con tangente e condizioni di esistenza

Esempio 5. La seconda equazione seleziona una famiglia

Risolviamo

\[ \begin{cases} \tan x=1,\\ \sin x=\dfrac{\sqrt2}{2}. \end{cases} \]

La tangente richiede \(\cos x\ne 0\). La prima equazione ha soluzioni

\[ x=\frac{\pi}{4}+k\pi,\qquad k\in\mathbb Z, \]

che rispettano tutte la condizione di esistenza. Sostituendo nella seconda equazione, troviamo

\[ \sin\left(\frac{\pi}{4}+k\pi\right) =(-1)^k\frac{\sqrt2}{2}. \]

Il valore richiesto si ottiene esattamente quando \(k\) è pari. Ponendo \(k=2n\), con \(n\in\mathbb Z\), otteniamo

\[ x=\frac{\pi}{4}+2n\pi,\qquad n\in\mathbb Z. \]

La famiglia della tangente comprende angoli del primo e del terzo quadrante; la condizione sul seno conserva soltanto quelli del primo quadrante.

Le semplificazioni non cancellano il dominio originario

Consideriamo anche il sistema

\[ \begin{cases} \tan x\cos x=0,\\ \cos x=0. \end{cases} \]

La prima equazione è definita soltanto per \(\cos x\ne 0\), mentre la seconda impone \(\cos x=0\). Le condizioni sono incompatibili e il sistema è impossibile.

L’identità

\[ \tan x\cos x=\sin x \]

si può usare soltanto nel dominio in cui la tangente esiste. Una semplificazione algebrica non rende ammissibili i valori esclusi dalle espressioni originarie.

Famiglie con periodi diversi

Esempio 6. Confronto mediante parametri interi

Risolviamo

\[ \begin{cases} \sin(2x)=0,\\ \cos(3x)=1. \end{cases} \]

Dalla prima equazione segue \(2x=k\pi\), mentre dalla seconda segue \(3x=2m\pi\). Pertanto

\[ x=\frac{k\pi}{2}, \qquad x=\frac{2m\pi}{3}, \qquad k,m\in\mathbb Z. \]

Un valore è comune alle due famiglie se e solo se

\[ \frac{k\pi}{2}=\frac{2m\pi}{3} \quad\Longleftrightarrow\quad 3k=4m. \]

Poiché \(3\) e \(4\) sono coprimi, \(k\) deve essere multiplo di \(4\). Scrivendo \(k=4n\), l’uguaglianza impone \(m=3n\). Ne segue

\[ x=2n\pi,\qquad n\in\mathbb Z. \]

La verifica è immediata:

\[ \sin(2\cdot 2n\pi)=\sin(4n\pi)=0, \] \[ \cos(3\cdot 2n\pi)=\cos(6n\pi)=1. \]

Non bisogna imporre \(k=m\). I parametri delle due famiglie sono indipendenti e devono soddisfare la relazione \(3k=4m\). Imporre arbitrariamente che siano uguali farebbe perdere tutte le soluzioni diverse da zero.

Metodo alternativo: lavorare in un periodo comune

Le funzioni \(\sin(2x)\) e \(\cos(3x)\) hanno rispettivamente periodo fondamentale \(\pi\) e \(\displaystyle\frac{2\pi}{3}\). Un periodo comune è \(2\pi\).

Nell’intervallo \([0,2\pi)\), le soluzioni delle due equazioni sono

\[ S_1=\left\{0,\frac{\pi}{2},\pi,\frac{3\pi}{2}\right\}, \] \[ S_2=\left\{0,\frac{2\pi}{3},\frac{4\pi}{3}\right\}. \]

L’unico valore comune è \(0\), dunque

\[ S_1\cap S_2=\{0\}. \]

Ripetendo questa soluzione mediante traslazioni di \(2\pi\), ritroviamo \(x=2n\pi\).

Questo metodo è utile quando si conosce un periodo comune: si risolve il sistema in un intervallo che ne copre uno, evitando di contare due volte gli estremi, e poi si estendono le soluzioni per periodicità. Il periodo comune scelto non deve essere necessariamente il più piccolo.

Immagine
Soluzioni delle equazioni seno di 2x uguale a zero e coseno di 3x uguale a uno nell’intervallo da zero incluso a due pi greco escluso. L’unica ascissa comune è zero; le soluzioni reali del sistema sono i multipli interi di due pi greco.

Errori comuni e riepilogo

ErroreProcedimento corretto
Riunire tutte le soluzioni delle equazioni.Conservare soltanto le soluzioni comuni a tutte le equazioni.
Imporre lo stesso valore ai parametri di famiglie diverse.Usare parametri indipendenti e determinare la relazione che rende uguali le espressioni di \(x\).
Scegliere sempre il segno positivo estraendo una radice.Considerare entrambi i segni e usare le altre condizioni per selezionare quelli ammessi.
Dividere per \(\sin x\) o \(\cos x\) senza discuterne l’annullamento.Esaminare prima il caso in cui il divisore è nullo; dividere soltanto nel caso in cui è diverso da zero.
Trattare il passaggio al quadrato come sempre reversibile.Conservare le condizioni sui segni e verificare nelle equazioni originarie le eventuali soluzioni ottenute.
Dimenticare le condizioni di esistenza dopo una semplificazione.Mantenere il dominio delle espressioni originarie fino alla conclusione.
Risolvere in \([0,2\pi)\) e considerare automaticamente complete le soluzioni reali.Verificare che \(2\pi\) sia un periodo comune prima di estendere le soluzioni con quel passo.

Per risolvere un sistema di equazioni goniometriche bisogna rispettare il dominio, usare trasformazioni equivalenti e determinare l’intersezione degli insiemi delle soluzioni. Le identità possono semplificare il calcolo o rivelare subito un’incompatibilità; il controllo nelle equazioni originarie permette di confermare che ogni valore trovato soddisfa tutte le condizioni richieste.

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  • Trigonometria

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