Riepilogo
Questa lezione deduce dalle formule del seno e del coseno della somma e della differenza quelle che trasformano prodotti di seni e coseni in somme e, viceversa, somme in prodotti, e interpreta queste ultime sulla circonferenza goniometrica mediante il punto medio di una corda. Dimostra che ogni espressione si scrive nella forma armonica , con e un angolo unico in , ne ricava l’insieme immagine per due vie, una delle quali è la disuguaglianza di Cauchy-Schwarz, e conclude che la sovrapposizione di due oscillazioni della stessa frequenza è un’altra oscillazione. Spiega i battimenti come il prodotto di un’oscillazione lenta per una rapida e, moltiplicando per un fattore che rende telescopica la somma, calcola in forma chiusa le somme di seni e di coseni di angoli in progressione aritmetica.
Obiettivi di apprendimento
- Dedurre le formule di Werner e le formule di prostaferesi dalle formule di addizione e sottrazione, e interpretare queste ultime sulla circonferenza goniometrica.
- Scrivere ogni espressione in forma armonica, dimostrare l’esistenza e l’unicità della sua ampiezza e del suo angolo, e usarla per trovare insiemi immagine, massimi e minimi.
- Riconoscere la sovrapposizione di due oscillazioni della stessa frequenza come un’oscillazione, e descrivere i battimenti mediante il loro inviluppo.
- Calcolare somme di seni e di coseni in progressione aritmetica mediante somme telescopiche, e applicare queste trasformazioni alla semplificazione di espressioni e alla dimostrazione di identità.
Dai prodotti alle somme
Nella lezione sulle formule di addizione e sottrazione si sono dimostrate, per tutti i reali e , le quattro uguaglianze seguenti:
Le due formule di ciascuna coppia contengono gli stessi due prodotti e differiscono solo nel segno del secondo. Se è così, sommandole o sottraendole uno dei prodotti si cancella e l’altro raddoppia: ogni prodotto di un seno o di un coseno per un altro si esprime come una semisomma o una semidifferenza di seni o di coseni. Queste formule, dette di prostaferesi (dal greco, «addizione e sottrazione»), servirono agli astronomi della fine del XVI secolo, fra i quali Tycho Brahe, per ridurre la moltiplicazione di numeri di molte cifre a somme e sottrazioni, consultando tavole dei seni, prima che John Napier pubblicasse nel 1614 le sue tavole dei logaritmi.
Per tutti i reali e , il prodotto è la semisomma di e ; il prodotto è la semidifferenza di quegli stessi seni; il prodotto è la semisomma di e , e il prodotto è la loro semidifferenza.
Ogni formula risulta dal sommare o sottrarre le due formule di una coppia. La figura le illustra con e : il prodotto, con linea spessa, coincide con la semisomma o la semidifferenza delle due oscillazioni di frequenze e , con linea sottile.
Dimostrazione
Sommiamo le formule del seno della somma e del seno della differenza: i termini si cancellano. Dividendo per si ottiene la prima formula.
Se invece di sommarle le sottraiamo, si cancellano i termini .
Con le formule del coseno si procede allo stesso modo. Sommandole si cancellano i prodotti di seni.
Sottraendo quella del coseno della somma da quella del coseno della differenza si cancellano i prodotti di coseni.
Con , e poiché e , si ritrovano la formula di duplicazione del seno e le formule di riduzione delle potenze della lezione sulle formule di addizione e sottrazione. Nella figura, oscilla con periodo attorno a .
Le formule permettono di calcolare prodotti che non si riducono a valori notevoli fattore per fattore. Per esempio, con e , la somma degli angoli è e la loro differenza è :
Ora, l’interesse principale di queste formule è un altro: un prodotto di due oscillazioni, difficile da immaginare, è la sovrapposizione di due oscillazioni le cui frequenze sono la somma e la differenza delle frequenze dei fattori. Così, .
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