Riepilogo
Questa lezione definisce gli angoli orientati, che misurano una rotazione insieme al suo verso e possono superare il giro completo, e le loro due misure usuali: il grado sessagesimale, fissato da una convenzione antica, e il radiante, che è la lunghezza dell’arco su cui l’angolo insiste nella circonferenza goniometrica. Ammette la lunghezza della circonferenza, la proporzionalità degli archi ai raggi e la conservazione delle lunghezze per simmetria, definisce il numero come la metà della lunghezza della circonferenza goniometrica ed enuncia l’assioma del percorso per lunghezza d’arco, che associa a ogni numero reale un punto di quella circonferenza; ne deduce il comportamento del percorso nel suo secondo mezzo giro, la regola di conversione tra gradi e radianti, la lunghezza di un arco, l’area di un settore e il teorema dell’angolo alla circonferenza. Colloca poi gli angoli in posizione standard, dimostra che ogni angolo si riduce in un solo modo a un angolo del primo giro e che un giro non passa due volte per lo stesso punto, caratterizza gli angoli coterminali e mette in relazione la velocità angolare con quella lineare. I problemi misurano la Terra come Eratostene, calcolano un segmento circolare, trasmettono una rotazione mediante una catena, massimizzano l’area di un settore di perimetro fissato e contano le volte in cui le lancette di un orologio si sovrappongono.
Obiettivi di apprendimento
- Distinguere il lato iniziale e il lato terminale di un angolo orientato, misurarlo in gradi, primi e secondi, e riconoscerne il segno in base al verso della rotazione.
- Enunciare l’assioma del percorso per lunghezza d’arco, definire con esso il radiante e convertire misure tra gradi e radianti, in particolare quelle degli angoli notevoli.
- Dimostrare e applicare le formule della lunghezza di un arco e dell’area di un settore, il teorema dell’angolo alla circonferenza e la relazione tra la velocità angolare e quella lineare.
- Ridurre qualsiasi angolo a un angolo del primo giro, dimostrando l’esistenza e l’unicità della riduzione, e decidere se due angoli sono coterminali.
Angoli orientati
Nella geometria elementare, un angolo è la figura formata da due semirette con l’origine in comune, e la sua misura è compresa tra e . Per studiare le rotazioni, come quella di una ruota, quella delle lancette di un orologio o quella della Terra attorno al suo asse, questa nozione non basta: interessa quanto si è ruotato e in quale verso, e una rotazione può compiere vari giri. Per questo si considera l’angolo come il risultato di una rotazione.
Un angolo orientato è determinato da una semiretta, detta lato iniziale, che ruota attorno alla sua origine, detta vertice, fino a occupare una posizione finale, detta lato terminale, insieme alla rotazione effettuata. L’angolo è positivo se la rotazione avviene nel verso contrario a quello delle lancette dell’orologio (senso antiorario), e negativo se avviene nel verso delle lancette dell’orologio (senso orario). L’angolo nullo è quello che non ruota.
Una stessa coppia di lati può corrispondere a molti angoli orientati: il lato terminale occupa la stessa posizione se si ruota di un quarto di giro in senso antiorario, di tre quarti di giro in senso orario o di un quarto di giro più un giro completo. Questi angoli sono distinti, perché descrivono rotazioni distinte, anche se terminano sullo stesso lato; la terza sezione precisa come sono legati.
Il sistema sessagesimale
La misura più antica degli angoli divide il giro completo in archi uguali, e chiama grado l’angolo che insiste su ciascuno di essi: un angolo misura gradi se il suo arco è volte l’arco di un grado, sicché la misura in gradi è proporzionale alla lunghezza dell’arco. Ogni grado si divide in primi, e ogni primo in secondi. Il sistema proviene dall’astronomia babilonese, che contava in base sessanta, come si spiega nella lezione del corso I sui sistemi di numerazione posizionale; il numero ha il vantaggio di essere divisibile per , , , , , , , e , tra gli altri. Un angolo retto misura , un angolo piatto misura e un giro completo ; un angolo negativo si misura con il segno meno, sicché un quarto di giro in senso orario misura . L’angolo di 40 gradi, 15 primi e 36 secondi, che si abbrevia scrivendo dopo ciascun numero il simbolo di grado, un apice per i primi e due per i secondi, misura in gradi quanto segue, cioè 40,26 gradi:
Il numero è tuttavia una convenzione: nulla nella geometria della circonferenza lo distingue da un altro numero. Le formule della lunghezza di un arco e dell’area di un settore, e più avanti quelle delle funzioni trigonometriche, si semplificano se gli angoli si misurano in un modo che nasce dalla circonferenza stessa.
Il radiante
L’idea è misurare un angolo mediante la lunghezza dell’arco su cui insiste in una circonferenza di raggio centrata nel suo vertice. Ciò richiede di sapere che cos’è la lunghezza di un arco, e qui sorge una difficoltà: un arco non è un’unione di segmenti, e la sua lunghezza si definisce come il valore a cui si avvicinano le lunghezze delle poligonali inscritte in esso quando i loro lati diventano sempre più corti, cioè mediante un limite. Il suo studio spetta al corso di Analisi II, dove si calcolano lunghezze di curve e aree di regioni delimitate da curve. Qui si ammettono i fatti che seguono.
Fatto ammesso (lunghezze e aree nel cerchio). Ogni arco di circonferenza ha una lunghezza, e ogni regione delimitata da segmenti e archi ha un’area. Le figure congruenti hanno la stessa lunghezza o la stessa area; se una figura si scompone in due che non si sovrappongono, la sua misura è la somma delle misure dei pezzi; e se una regione ne contiene un’altra, la sua area non è minore, ed è maggiore se la differenza contiene qualche cerchio. Inoltre, se due circonferenze hanno raggi e , gli archi su cui insiste in esse uno stesso angolo al centro sono proporzionali ai raggi, e l’area di un cerchio di raggio è .
Questo fatto si ammette senza dimostrazione, perché le lunghezze degli archi e le aree delle regioni curve si definiscono mediante limiti e si calcolano con l’integrale, nel corso di Analisi II. La sua ultima clausola presuppone noto il numero , che si definisce ora: il numero è la metà della lunghezza della circonferenza goniometrica, cioè della circonferenza di raggio . Per la proporzionalità degli archi ai raggi, applicata all’angolo di un giro completo, la circonferenza di raggio ha lunghezza , e il quoziente tra la lunghezza di una circonferenza qualsiasi e il suo diametro è sempre . Si ammette anche che è irrazionale, e che la sua rappresentazione decimale comincia con 3,14159; in particolare, .
Per misurare gli angoli occorre, inoltre, percorrere la circonferenza per lunghezza d’arco: partire da un punto e avanzare su di essa di una lunghezza data, in un verso o nell’altro, e sapere a quale punto si arriva. Tutto ciò che questa unità dice degli angoli e delle funzioni trigonometriche poggia su questo percorso, sicché conviene enunciare con precisione ciò che se ne ammette. Lo si enuncia nel piano cartesiano, per la circonferenza goniometrica e il suo punto ; poiché le lunghezze non cambiano quando si spostano le figure, vale allo stesso modo per qualsiasi circonferenza di raggio e qualsiasi punto di partenza.
Assioma (percorso per lunghezza d’arco). Per ogni numero reale esiste un unico punto della circonferenza goniometrica a cui si arriva partendo da e percorrendo su di essa una lunghezza , in senso antiorario se e in senso orario se , compiendo tutti i giri necessari; per è . Questo percorso ha le quattro proprietà che seguono.
- Giustapposizione: se dal punto si percorre una lunghezza in senso antiorario, si arriva a ; se la si percorre in senso orario, si arriva a .
- Periodicità: un giro completo, in qualsiasi verso, percorre la lunghezza della circonferenza e riporta al punto di partenza; cioè, per ogni numero reale .
- Mezzo giro: il percorso antiorario passa prima per la semicirconferenza superiore, da destra a sinistra. Precisamente, , e se , i punti e hanno ordinata non negativa e l’ascissa di è maggiore di quella di .
- Ricoprimento: ogni punto della circonferenza goniometrica è per qualche numero reale .
L’assioma si ammette senza dimostrazione per la stessa ragione del fatto enunciato prima di esso: la lunghezza di un arco si definisce mediante un limite, e le sue proprietà si dimostrano nel corso di Analisi II; il ricoprimento, che afferma che percorrendo la circonferenza non si salta alcun punto, poggia inoltre sulla proprietà dei valori intermedi delle funzioni continue, che si dimostra nel corso di Analisi I. La proprietà del mezzo giro ha una lettura geometrica semplice. Se sta sulla circonferenza goniometrica, il quadrato della sua distanza dal punto è quello che segue:
Ne viene che dire che l’ascissa decresce strettamente lungo la semicirconferenza superiore equivale a dire che la corda che unisce al punto raggiunto cresce strettamente con l’arco, fino a diventare un diametro dopo mezzo giro. Quando, nella lezione sui rapporti trigonometrici, il coseno di sarà definito come l’ascissa di , questa proprietà dirà che il coseno è strettamente decrescente in : questa monotonia non si deduce, ma è la clausola stessa del mezzo giro letta in coordinate. Ora, da questo assioma, dai fatti sulle lunghezze e sulle aree e dal fatto sulle simmetrie che si ammette più sotto si deduce tutto il resto che si usa del percorso: in questa lezione, il comportamento del secondo mezzo giro e il fatto che un giro non passa due volte per lo stesso punto; nella lezione sulle funzioni trigonometriche inverse, la monotonia del seno e della tangente.
Fatto ammesso (simmetrie e rotazione di mezzo giro). Una simmetria assiale rispetto a una retta conserva le distanze e, con esse, le lunghezze degli archi, ma inverte il verso di rotazione: trasforma un percorso antiorario di una circonferenza centrata in un punto di quella retta in un percorso orario della stessa lunghezza, e viceversa. La rotazione di mezzo giro attorno a un punto, che è la composizione delle simmetrie rispetto a due rette perpendicolari passanti per esso, conserva le distanze, le lunghezze e anche il verso di rotazione.
Questo fatto appartiene alla geometria elementare dei movimenti del piano, che questo corso non sviluppa. In coordinate, la simmetria rispetto all’asse è la trasformazione ; porta la circonferenza goniometrica in sé stessa, perché , e lascia fisso il punto . Con essa, il secondo mezzo giro del percorso si ottiene dal primo.
Per ogni numero reale , il punto è il simmetrico di rispetto all’asse . Inoltre, se , i punti e hanno ordinata non positiva e l’ascissa di è minore di quella di : nel suo secondo mezzo giro, il percorso antiorario passa per la semicirconferenza inferiore, da sinistra a destra.
Si applica al percorso la simmetria rispetto all’asse , e la periodicità trasporta il primo mezzo giro, percorso all’indietro, sul secondo. Si scrive per le coordinate di , e per la simmetria rispetto all’asse .
Dimostrazione
La simmetria cambia il segno dell’ordinata, porta la circonferenza goniometrica in sé stessa e lascia fisso il punto .
Sia . Per il fatto ammesso, trasforma il percorso antiorario di lunghezza che parte da e termina in in un percorso orario della stessa lunghezza che parte da ; per l’unicità del punto nell’assioma, quel percorso termina in . Se , si applica quanto detto a e si prende di nuovo il simmetrico, perché applicata due volte lascia ogni punto al suo posto.
Siano , e siano e , che soddisfano . Per la periodicità, , che è il simmetrico di ; allo stesso modo, è il simmetrico di .
Per la proprietà del mezzo giro, applicata a in , le ordinate di e di non sono negative e l’ascissa di è maggiore di quella di . La simmetria conserva le ascisse e cambia il segno delle ordinate: si ottiene l’enunciato.
Sia dato un angolo orientato con vertice nel centro della circonferenza goniometrica, e sia il punto in cui il lato iniziale taglia quella circonferenza. Quando il lato ruota, il punto percorre un arco della circonferenza, come nell’assioma enunciato sopra. La misura in radianti dell’angolo è la lunghezza di quell’arco, con segno positivo se la rotazione è antioraria e negativo se è oraria; se la rotazione compie vari giri, ogni giro completo apporta la lunghezza della circonferenza.
La definizione permette di misurare subito gli angoli che sono frazioni semplici del giro.
Dimostrazione
La circonferenza goniometrica ha centro nel vertice e raggio ; per la definizione di , la sua lunghezza è . Il lato iniziale la taglia nel punto .
Quando il lato ruota in senso antiorario, il punto percorre un arco; la lunghezza di quell’arco è la misura dell’angolo.
Un radiante è l’angolo il cui arco misura quanto il raggio. Poiché è un po’ più grande di , un radiante è un po’ meno della sesta parte del giro.
Un quarto di giro percorre la quarta parte della circonferenza: l’angolo retto misura radianti.
Mezzo giro percorre la metà della circonferenza, la cui lunghezza è per definizione; il giro completo misura .
Se il lato ruota di un quarto di giro in senso orario, l’arco percorso misura lo stesso, ma l’angolo è negativo.
Un angolo misurato in radianti è un numero reale adimensionale: è il quoziente tra una lunghezza d’arco e la lunghezza del raggio, che vale . Per questo si scrive semplicemente per un angolo di due radianti; quando si vuole insistere sull’unità di misura, si scrive 2 rad. Invece, la misura in gradi si indica sempre con il suo simbolo, come in . Reciprocamente, ogni numero reale è la misura di qualche angolo orientato: per l’assioma del percorso, per ogni il punto può percorrere la circonferenza per una lunghezza nel verso indicato dal segno di , compiendo tutti i giri completi necessari, e la semiretta che va dal vertice al punto raggiunto è il lato terminale.
La conversione tra gradi e radianti
Poiché il giro completo misura e anche radianti, e poiché le due misure sono proporzionali alla lunghezza dell’arco su cui l’angolo insiste nella circonferenza goniometrica (quella in gradi per la definizione del grado, e quella in radianti perché è quella lunghezza), le due misure di un angolo sono proporzionali.
Se un angolo misura gradi e radianti, allora e .
La regola si ottiene dalla proporzione tra l’angolo e il giro completo, e si applica poi ai segni notevoli della circonferenza, gli angoli che compaiono nelle figure elementari.
Dimostrazione
Un giro completo misura gradi e radianti.
Il quoziente tra un angolo e il giro completo è lo stesso nelle due misure, perché entrambe sono proporzionali alla lunghezza dell’arco; ogni giro aggiuntivo somma nell’una e nell’altra. Isolando si ottiene la regola.
Con e con : un grado è una piccola frazione del radiante, e un radiante misura un po’ più di gradi, perché è circa 57,3.
Gli angoli di , e gradi, che compaiono nel triangolo equilatero e nel quadrato, si convertono semplificando la frazione.
L’angolo retto, quello piatto e tre quarti di giro segnano i semiassi.
Gli altri angoli notevoli del giro si ottengono sommando o sottraendo; per esempio, è meno .
In pratica, per passare dai gradi ai radianti si moltiplica per , e per passare dai radianti ai gradi, per . Così, , e ; l’angolo di radianti misura gradi, circa 114,6 gradi.
Lunghezza d’arco e area di un settore
In una circonferenza di raggio , un angolo al centro insiste su un arco, e i due lati dell’angolo, insieme a quell’arco, delimitano un settore circolare. La misura in radianti dà alle loro formule una forma particolarmente semplice.
In una circonferenza di raggio , un angolo al centro di radianti, con , insiste su un arco di lunghezza , e il settore che determina ha area .
La lunghezza dell’arco segue dalla proporzionalità ammessa. Per l’area si dimostra prima la formula quando l’angolo è una frazione razionale del giro, e poi la si estende a ogni angolo con la densità dei razionali, dimostrata nella lezione del corso I sulla retta reale.
Dimostrazione
Nella circonferenza goniometrica con lo stesso centro, l’angolo insiste su un arco di lunghezza , per la definizione del radiante.
Per la proporzionalità degli archi ai raggi, l’arco corrispondente nella circonferenza di raggio è volte più grande.
Se , con e naturali e , il cerchio si divide in settori congruenti di angolo , ciascuno di area , e il settore di angolo è l’unione di di essi.
Sia ora qualsiasi, e supponiamo che l’area del suo settore sia minore di . Per la densità dei razionali esiste un angolo , frazione razionale del giro, compreso tra e . Il suo settore è contenuto in quello di , e la sua area ha la formula del passo appena visto: si giunge a una contraddizione.
Allo stesso modo, con un compreso tra e , che non supera il giro perché il settore non supera il cerchio, si esclude che sia maggiore di . Pertanto l’area è quella indicata, e con risulta una formula analoga a quella dell’area di un triangolo di base e altezza .
Se l’angolo si misurasse in gradi, le formule porterebbero il fattore di conversione: l’arco sarebbe e l’area del settore . La semplicità di è la ragione principale per preferire il radiante. Inoltre, la formula dà la misura di un angolo in qualsiasi circonferenza, non solo in quella goniometrica: è il quoziente tra l’arco e il raggio, e non dipende dal raggio scelto.
L’angolo alla circonferenza
Un angolo con il vertice nel centro di una circonferenza si chiama angolo al centro. Se , e sono tre punti distinti di una circonferenza, l’angolo che formano in le corde e si chiama angolo alla circonferenza, e si dice che insiste sull’arco di estremi e che non contiene . Per il teorema dimostrato sopra, a un arco di lunghezza di una circonferenza di raggio corrisponde l’angolo al centro di radianti, anche se quel numero supera . Per confrontare l’angolo alla circonferenza con quello al centro si ammettono i fatti della geometria elementare che seguono, che questo corso non dimostra perché non sviluppa la geometria sintetica. I primi due misurano gli angoli di un triangolo; gli ultimi due sono fatti di posizione, che dicono come si ripartiscono gli angoli e gli archi quando una semiretta passa per l’interno di un angolo.
Fatto ammesso (angoli del triangolo e posizioni sulla circonferenza). Si ammettono le quattro affermazioni che seguono, nelle quali gli angoli non orientati si misurano in radianti, tra e .
- Somma degli angoli: i tre angoli di un triangolo hanno per somma un angolo piatto, cioè radianti.
- Triangolo isoscele: in un triangolo con due lati uguali, gli angoli opposti a quei lati sono uguali.
- Somma di angoli adiacenti: se una semiretta che parte dal vertice di un angolo passa per il suo interno, lo divide in due angoli le cui misure hanno per somma quella dell’angolo dato.
- Posizione del centro: siano , e tre punti distinti di una circonferenza di centro , e sia l’altro estremo del diametro che parte da . Se non sta né sulla corda né sulla corda , accade una di due cose. O sta all’interno dell’angolo che formano in quelle corde, e allora la semiretta che va da a passa per quell’interno e sta sull’arco di estremi e che non contiene . Oppure sta fuori da quell’angolo, e allora uno dei punti e , che si può chiamare , sta sull’arco di estremi e che non contiene , e la semiretta che va da a passa per l’interno dell’angolo che formano in le corde e .
Siano , e tre punti distinti di una circonferenza di centro e raggio , e sia la lunghezza dell’arco di estremi e che non contiene . L’angolo alla circonferenza che formano in le corde e è la metà dell’angolo al centro corrispondente a quell’arco.
La dimostrazione tratta prima il caso in cui un lato dell’angolo alla circonferenza passa per il centro, e riconduce a esso gli altri due casi del fatto ammesso sulla posizione del centro mediante il diametro che parte da .
Dimostrazione
Supponiamo dapprima che il centro stia sulla corda , che è allora un diametro (il caso in cui sta sulla corda è uguale). Sia l’angolo in del triangolo di vertici , e , che è un vero triangolo perché , distinto da e da , non sta sulla retta che li unisce; quel triangolo è isoscele, perché e sono raggi, e i suoi angoli in e in sono uguali.
Sia l’angolo al centro che formano i raggi e . Poiché , e sono allineati, e l’angolo in del triangolo hanno per somma ; poiché anche i tre angoli del triangolo hanno per somma , è la somma degli altri due. Inoltre, l’angolo in è positivo, sicché è minore di , e lo è anche .
I raggi e dividono la circonferenza in due archi; poiché , per il teorema dell’arco, quello su cui insiste misura , meno della semicirconferenza, e l’altro di più. Il punto , estremo del diametro opposto a , dista una semicirconferenza da nei due versi, sicché non sta sull’arco minore: questo è l’arco su cui insiste , e .
Se il centro sta all’interno dell’angolo, sia l’altro estremo del diametro che parte da . Per il fatto ammesso sulla posizione del centro, la semiretta da a divide l’angolo in due, ciascuno con un lato che passa per il centro, le cui misure hanno per somma per la somma di angoli adiacenti; e divide l’arco su cui l’angolo insiste in due archi, di lunghezze e , che hanno per somma . Per il caso già trattato, applicato a ciascuno dei due angoli, si ottiene quanto segue.
Se il centro sta fuori dall’angolo, sia di nuovo l’altro estremo del diametro che parte da . Per il fatto ammesso sulla posizione del centro, si può supporre che stia sull’arco che va da a senza passare per , e che la semiretta da a divida l’angolo di lati e in quello di lati e e in . Quell’arco, di lunghezza , si compone dell’arco che va da a , di lunghezza , e dell’arco su cui insiste ; e è la differenza di due angoli con un lato che passa per il centro.
Due angoli alla circonferenza con gli stessi estremi e sono uguali se i loro vertici stanno sullo stesso dei due archi che la corda determina, e supplementari se stanno su archi distinti. In particolare, ogni angolo alla circonferenza che insiste su una semicirconferenza, cioè i cui estremi e sono quelli di un diametro, è retto.
Basta leggere, in ciascun caso, su quale arco insiste ciascun angolo, e applicare il teorema. Siano e i vertici, e gli angoli, e la lunghezza dell’arco di estremi e che non contiene .
Dimostrazione
Se sta sullo stesso arco di , i due angoli insistono sull’altro arco, di lunghezza , e per il teorema misurano lo stesso.
Se sta sull’altro arco, insiste sull’arco che contiene , la cui lunghezza è ciò che manca a per completare la circonferenza; le due misure hanno per somma un angolo piatto.
Se è un diametro, i due archi sono semicirconferenze, di lunghezza , e l’angolo è retto; questo caso particolare è noto come teorema di Talete.
I punti che non stanno sulla circonferenza vedono la corda sotto altri angoli. Il risultato che segue si ammette anch’esso dalla geometria elementare: si ottiene dal teorema dimostrato sopra e dalla proposizione 21 del libro I degli Elementi di Euclide, secondo la quale un punto interno a un triangolo vede uno dei suoi lati sotto un angolo maggiore di quello del vertice opposto; ma la sua dimostrazione richiede di sapere dove i segmenti che partono dal punto tagliano la circonferenza, una questione di posizione che questo corso non sviluppa. Sarà usato nell’ultimo problema risolto della lezione sulle funzioni trigonometriche inverse.
Fatto ammesso (angoli da punti interni ed esterni). Siano e due punti di una circonferenza, e la misura comune degli angoli alla circonferenza con estremi e il cui vertice sta su uno dei due archi che questi punti determinano. Se è un punto che non sta sulla circonferenza, situato dalla stessa banda della retta di quell’arco, l’angolo che formano in i segmenti e è minore di se è esterno al cerchio, e maggiore di se è interno.
Posizione standard e angoli coterminali
Nel piano cartesiano, studiato nella lezione del corso I sull’equazione della retta e i sistemi cartesiani, ogni angolo ha una posizione privilegiata.
Un angolo orientato è in posizione standard se il suo vertice è l’origine e il suo lato iniziale è il semiasse positivo. Il suo lato terminale è allora la semiretta che parte dall’origine e passa per il punto dell’assioma del percorso, cioè il punto della circonferenza goniometrica a cui si arriva percorrendo, a partire da , un arco di lunghezza nel verso indicato dal segno di . Due angoli sono coterminali se, in posizione standard, hanno lo stesso lato terminale.
Gli assi dividono il piano in quattro quadranti, numerati in senso antiorario a partire da quello che contiene i punti di coordinate positive. Un angolo in posizione standard sta nel quadrante che contiene il suo lato terminale; se questo cade su un asse, l’angolo si dice quadrantale. Le coordinate del punto sono il coseno e il seno di , che si studieranno nella prossima lezione, quella sui rapporti trigonometrici.
Un giro completo, in qualsiasi verso, riporta il lato nella sua posizione, per la periodicità del percorso: l’angolo è coterminale con , e così pure , e, in generale, con intero. Per sapere dove termina un angolo qualsiasi basta, quindi, scontare i giri completi, come si scontano i multipli del divisore nella lezione del corso I sulla divisibilità e la divisione con resto. Il teorema che segue è la versione reale di quella divisione: il divisore è , il quoziente è il numero di giri e il resto è l’angolo che rimane.
Per ogni numero reale esistono un unico intero e un unico reale tali che e .
L’esistenza poggia sulla proprietà archimedea, dimostrata nella lezione del corso I sulla rappresentazione decimale dei numeri razionali, e l’unicità sul fatto che un intero compreso strettamente tra e è nullo.
Dimostrazione
Sia un numero reale. Per la proprietà archimedea e il principio del buon ordinamento, come nella dimostrazione della densità dei razionali della lezione sulla retta reale, esiste il minimo intero maggiore di ; sia , che non è più maggiore di quel numero.
Moltiplichiamo per , che è positivo, e sottraiamo ai tre membri.
Sia . Allora consiste di giri completi seguiti dall’angolo , che sta nel primo giro: e sono coterminali.
Per l’unicità, supponiamo che sia anche , con intero e . Sottraendo le due scritture, la differenza è un multiplo intero di ; e poiché i due numeri stanno nell’intervallo , quella differenza è compresa tra e .
Dividendo per , l’intero è compreso strettamente tra e : è nullo. Pertanto e, per l’uguaglianza ottenuta sopra, .
Per esempio, per si ha , che è compreso tra e : è , e l’angolo compie quasi due giri in senso orario per terminare sul lato di .
Il numero si chiama la riduzione di al primo giro. In gradi, lo stesso ragionamento, con al posto di , riduce qualsiasi angolo a uno compreso tra e , quest’ultimo escluso: per esempio, . Con la riduzione si riconoscono tutti gli angoli che terminano su uno stesso lato; prima occorre sapere che un giro non passa due volte per lo stesso punto, il che si deduce dall’assioma del percorso.
Se , allora .
Si separano i casi a seconda del mezzo giro in cui stanno e : in ciascuno, l’ascissa è strettamente monotona; dall’uno all’altro, cambia il segno dell’ordinata. Si scrive per le coordinate di .
Dimostrazione
Per la proprietà del mezzo giro, quando cresce da a l’ascissa di decresce strettamente da a ; per la proposizione sul secondo mezzo giro, quando cresce da a essa cresce strettamente da fino all’ascissa di , che per la periodicità è .
In quei casi l’ordinata non è nulla, perché il suo quadrato è : è positiva nel primo mezzo giro, perché non è negativa, e negativa nel secondo, perché non è positiva.
Se e stanno entrambi in , o entrambi in , i due punti hanno ascisse distinte, per la monotonia stretta in ciascun mezzo giro.
Se , il punto ha ordinata negativa, mentre quella di , nel primo mezzo giro, non è negativa. In tutti i casi i due punti sono distinti.
Due angoli e sono coterminali se e solo se la loro differenza è un multiplo intero di , cioè se esiste un intero tale che . In particolare, sono coterminali se e solo se hanno la stessa riduzione al primo giro.
Si sostituisce ciascun angolo con la sua riduzione, e il lemma appena dimostrato confronta le riduzioni.
Dimostrazione
Per il teorema di riduzione, e , con e in ; per la periodicità del percorso, i giri completi non cambiano il punto, e il lato terminale di ciascun angolo è quello della sua riduzione.
Se , per il lemma appena dimostrato i punti e sono distinti, e lo sono anche i lati terminali; se sono uguali, i lati coincidono. Pertanto gli angoli sono coterminali se e solo se hanno la stessa riduzione.
Se le riduzioni sono uguali, la differenza è un multiplo intero di . Viceversa, se , allora , e per l’unicità della riduzione, .
Ne segue che gli angoli coterminali con sono esattamente quelli della forma , con intero, e che il quadrante di un angolo è deciso dalla sua riduzione: sta nel primo quadrante se , nel secondo se , nel terzo se e nel quarto se ; è quadrantale se è , , o . Così, sta nel primo quadrante, e , la cui riduzione è , nel quarto.
Infine, ogni punto della circonferenza goniometrica è il punto di qualche angolo: è la proprietà di ricoprimento dell’assioma del percorso, che dice che percorrendo la circonferenza a partire da si passa per tutti i suoi punti. Se è così, per la riduzione al primo giro, la periodicità e il lemma degli angoli coterminali, ogni punto della circonferenza goniometrica è per un unico in , e gli angoli che gli corrispondono sono esattamente quelli coterminali con quel .
Velocità angolare e velocità lineare
Quando un corpo ruota attorno a un asse, tutti i suoi punti descrivono archi di circonferenza centrati sull’asse, e tutti ruotano dello stesso angolo nello stesso tempo. Se in un tempo il corpo ruota, a ritmo costante, di un angolo , la sua velocità angolare è il quoziente , che si misura in radianti al secondo; si esprime anche in giri al minuto, e poiché un giro è radianti e un minuto secondi, un giro al minuto equivale a radianti al secondo.
Un punto situato a distanza dall’asse percorre, in quel tempo, un arco di lunghezza , per il teorema della lunghezza d’arco. La sua velocità lineare, quoziente tra la distanza percorsa e il tempo, è quindi il prodotto del raggio per la velocità angolare:
Ne segue che, in un corpo che ruota, la velocità angolare è la stessa per tutti i punti, mentre quella lineare cresce in proporzione alla distanza dall’asse: il bordo di un disco che ruota si muove più in fretta dei punti vicini al centro. Questa relazione, valida solo se gli angoli si misurano in radianti, è il punto di partenza dello studio del moto circolare nel corso di Fondamenti di Meccanica. Due ruote collegate da una cinghia o da una catena che non slitta, o che ingranano tra loro, hanno nel punto di contatto la stessa velocità lineare; pertanto , e la ruota minore gira più in fretta, come si vedrà nel problema risolto 3.
Problemi risolti
I problemi misurano la Terra a partire da un angolo, calcolano l’area di un segmento circolare, trasmettono una rotazione mediante una catena, cercano il settore di area massima con un perimetro dato e contano le sovrapposizioni delle lancette di un orologio. Ciascuno richiede un’idea propria, che conviene cercare prima di leggere la soluzione.
Verso l’anno 240 prima della nostra era, Eratostene osservò che a mezzogiorno del solstizio d’estate il Sole illuminava il fondo dei pozzi di Siene, mentre ad Alessandria, situata a nord e, come egli suppose, sullo stesso meridiano, i raggi formavano con la verticale un angolo di 7 gradi e 12 primi. Prendendo 800 km come distanza tra le due città, calcolare il raggio della Terra e la lunghezza del meridiano, la lunghezza dell’arco di meridiano che corrisponde a un primo e la distanza, lungo il meridiano, dall’equatore fino a un punto di latitudine .
Soluzione
L’angolo, espresso in gradi, è più dodici sessantesimi; è la cinquantesima parte del giro, perché .
Poiché i raggi del Sole arrivano paralleli e a Siene cadono nella direzione del raggio terrestre, l’angolo ad Alessandria tra il raggio di luce e la verticale è uguale a quello che formano nel centro della Terra i raggi terrestri delle due città: sono angoli alterni tra parallele. In radianti, per la regola di conversione, è quello che segue.
Gli 800 km sono l’arco di meridiano su cui insiste quell’angolo al centro. Da si ricava il raggio, circa 6366 km.
La lunghezza del meridiano è quella della circonferenza di raggio ; è anche volte la distanza tra le due città.
Un primo è la sessantesima parte di un grado, cioè radianti. Il suo arco misura circa 1,852 km: è il miglio nautico, che fu definito proprio così.
La latitudine di un punto è l’angolo che il suo raggio forma con il piano dell’equatore; sono radianti. La distanza richiesta è di circa 3667 km.
Eratostene espresse la distanza in stadi, il cui valore esatto è discusso; con la cifra adottata qui, il meridiano misura 40000 km, e non per caso: alla fine del XVIII secolo il metro fu definito come la decimilionesima parte del quarto di meridiano. D’altra parte, Alessandria non sta esattamente a nord di Siene, ma circa tre gradi più a ovest, sicché l’arco che le unisce non è del tutto un arco di meridiano.
Una corda di estremi e , in una circonferenza di centro e raggio , sottende un angolo al centro di . Calcolare l’area del segmento circolare delimitato dalla corda e dall’arco minore di estremi e , e la frazione del cerchio che esso occupa.
Soluzione
Il segmento circolare è ciò che resta del settore di vertice ed estremi e quando gli si toglie il triangolo di vertici , e . L’area del settore è data dal teorema del settore.
Quel triangolo ha due lati uguali al raggio: è isoscele, e i suoi angoli in e in sono uguali. Poiché i tre angoli di un triangolo hanno per somma , per il fatto ammesso in questa lezione, ciascuno di essi misura , e il triangolo è equilatero, di lato .
L’altezza da taglia la base nel suo punto medio; per il teorema di Pitagora, il suo quadrato è . L’area del triangolo è la metà della base per l’altezza.
L’area del segmento circolare è la differenza, con denominatore comune ; è positiva, perché .
Dividendo per l’area del cerchio, il segmento circolare occupa circa il 2,9 per cento del cerchio; il settore ne occupa la sesta parte, e il triangolo riempie circa l’83 per cento del settore.
In una bicicletta, la catena collega la corona, di raggio cm, mossa dai pedali, con il pignone, di raggio cm, fissato all’asse della ruota posteriore, il cui raggio è cm. Se chi pedala compie un giro di pedale al secondo, calcolare la velocità angolare della ruota e la velocità della bicicletta, supponendo che la catena non slitti e che la ruota rotoli senza strisciare.
Soluzione
Un giro al secondo sono radianti al secondo: questa è la velocità angolare della corona.
Tutte le maglie della catena si muovono con la stessa velocità scalare, che è la velocità lineare del bordo della corona, in centimetri al secondo.
La catena trascina il bordo del pignone con la stessa velocità lineare; da si ottiene la velocità angolare del pignone: due giri e mezzo al secondo.
La ruota è fissata all’asse del pignone e gira con la sua stessa velocità angolare, ma il suo bordo è molto più lontano dall’asse, e la sua velocità lineare è molto maggiore, in centimetri al secondo.
Se la ruota non striscia, a ogni giro la bicicletta avanza quanto misura la circonferenza della ruota, che si va appoggiando sul suolo: la sua velocità è quella del bordo della ruota. Un centimetro al secondo sono chilometri all’ora, sicché la bicicletta avanza a circa 19,8 chilometri all’ora.
Con un filo di ferro di lunghezza si forma il contorno di un settore circolare: due raggi e l’arco che li unisce. Trovare il raggio e l’angolo del settore di area massima, e il valore di quest’area.
Soluzione
Se il raggio è e l’angolo , il contorno consta di due raggi e di un arco di lunghezza .
Per il teorema del settore, l’area è la metà del raggio per l’arco: è una funzione quadratica del raggio.
L’arco deve essere positivo e non maggiore dell’intera circonferenza, cioè ; da e risulta l’intervallo dei raggi possibili.
Completando il quadrato, l’area è un numero fisso meno un quadrato. Il suo grafico, in funzione di , è la parabola , che ha la concavità rivolta verso il basso; per il teorema del vertice della lezione del corso I sulla caratterizzazione delle parabole, il suo punto più alto è il vertice.
L’ascissa del vertice, , appartiene all’intervallo dei raggi possibili, perché . Pertanto l’area massima si raggiunge esattamente con quel raggio.
L’arco corrispondente misura , e l’angolo è il quoziente tra l’arco e il raggio: radianti, circa 114,6 gradi, qualunque sia . Curiosamente, l’area massima è quella del quadrato di perimetro .
Calcolare l’angolo che formano le lancette di un orologio alle 3:40. Dimostrare poi che, tra le 12:00 e le 12:00 seguenti (escluse queste ultime), le lancette si sovrappongono esattamente undici volte, separate da intervalli uguali di ore.
Soluzione
Misuriamo la posizione di ciascuna lancetta mediante l’angolo, in gradi e in senso orario, di cui ha ruotato dalle 12:00. Dopo ore, la lancetta dei minuti ha compiuto giri, e la lancetta delle ore, che compie un giro ogni 12 ore, ha ruotato di all’ora.
Alle 3:40 sono trascorse ore. La lancetta dei minuti ha compiuto tre giri completi, che non cambiano la sua posizione, e si trova nella riduzione del suo angolo.
La lancetta delle ore non ha completato alcun giro.
La differenza delle posizioni ridotte è minore di , sicché è l’angolo che formano le lancette, in gradi e in radianti.
Le lancette si sovrappongono quando i loro angoli sono coterminali, cioè, per il lemma degli angoli coterminali, quando la loro differenza è un multiplo intero di un giro.
La condizione equivale a : ci sono esattamente undici sovrapposizioni, per , e due consecutive distano ore, circa un’ora, 5 minuti e 27 secondi. Le posizioni della lancetta delle ore, gradi, sono i vertici di un endecagono regolare.
Problemi proposti
I problemi seguono le idee della lezione: trasformare un settore in un cono, stimare la lunghezza di una spirale sommando circonferenze, scomporre un nastro in parti rettilinee e archi i cui angoli al centro si sommano, e ridurre gli angoli al primo giro mediante gli angoli coterminali per contare posizioni e istanti. Ciascuno ha un suggerimento, che conviene aprire solo dopo averlo tentato; quelli di dimostrazione hanno, inoltre, una soluzione svolta.
Si ritaglia da un foglio un settore circolare di raggio cm e angolo , e se ne incollano i due raggi per formare la superficie laterale di un cono. Calcolare il raggio di base e l’altezza del cono.
Suggerimento
L’arco del settore diventa la circonferenza di base, e il raggio del settore la distanza del vertice del cono da qualsiasi punto di quella circonferenza. L’altezza si ottiene poi con il teorema di Pitagora.
Risposta
Il raggio di base è cm e l’altezza cm.
In un compact disc, l’informazione è registrata lungo un’unica traccia a spirale, che comincia a 2,3 cm dal centro e termina a 5,8 cm; due spire consecutive della spirale distano 1,6 micrometri. Il lettore percorre la traccia con una velocità lineare costante di 1,2 metri al secondo. Stimare la lunghezza della traccia e la durata di una lettura completa, approssimando ciascuna spira con una circonferenza centrata sull’asse del disco.
Suggerimento
Se e sono i raggi iniziale e finale e è la distanza tra le spire, ci sono spire, di raggi , , , e così via. Le loro lunghezze formano una progressione aritmetica, la cui somma si è calcolata nella lezione del corso I su sommatorie, progressioni e induzione; il risultato è molto vicino all’area della corona circolare divisa per la distanza tra le spire. Attenzione alle unità di misura.
Risposta
La spirale compie giri, e la sua lunghezza è approssimativamente quella che segue, circa 5,57 km; la lettura completa dura circa 4640 secondi, cioè circa 77 minuti.
Tre tubi cilindrici uguali, di raggio , si collocano paralleli, ciascuno appoggiato agli altri due, e si legano con un nastro teso che li circonda. Dimostrare che il nastro misura , e calcolarne la lunghezza per tubi di 5 cm di raggio.
Suggerimento
In una sezione perpendicolare ai tubi, ciascuna parte rettilinea del nastro forma un rettangolo con i raggi condotti ai suoi punti di tangenza e con un lato del triangolo dei centri. Per gli archi, calcola l’angolo al centro che il nastro abbraccia su ciascun tubo, e usa la somma degli angoli di un triangolo.
Risposta
Il nastro consta di tre parti rettilinee di lunghezza e di tre archi che insieme formano una circonferenza completa. Per misura cm, circa 61,4 cm.
Soluzione svolta
Soluzione
Si taglia il fascio con un piano perpendicolare ai tubi: si vedono tre circonferenze di raggio , di centri , e . Due circonferenze tangenti esternamente hanno i centri a una distanza uguale alla somma dei raggi, sicché il triangolo dei centri è equilatero, di lato .
Ciascuna parte rettilinea del nastro tocca due tubi, per esempio quelli di centri e , in due punti e . Il raggio condotto al punto di tangenza è perpendicolare alla tangente, secondo la lezione del corso I sulla circonferenza; i raggi e sono perpendicolari alla stessa retta, uguali e dalla stessa banda di essa, e il quadrilatero di vertici , , e è un rettangolo. Ciascuna parte rettilinea misura quanto un lato del triangolo.
Nel tubo di centro , il nastro abbraccia l’arco compreso tra i punti di tangenza delle due parti rettilinee che vi arrivano. I raggi condotti a quei punti formano angoli retti con i lati e ; con l’angolo del triangolo in e l’angolo al centro dell’arco, completano un giro attorno a , per la somma di angoli adiacenti.
Lo stesso accade negli altri due tubi, con gli angoli e del triangolo. Per il teorema della lunghezza d’arco, i tre archi hanno per somma quanto segue, e poiché gli angoli del triangolo hanno per somma , formano insieme una circonferenza completa; qui ciascuno è la terza parte, perché .
Il nastro misura la somma delle parti rettilinee e degli archi. Il calcolo degli archi non usa che il triangolo sia equilatero: la parte curva di un nastro teso attorno a tre tubi uguali ha sempre per somma una circonferenza completa. Per , il nastro misura circa 61,4 cm.
Una ruota dentata ruota, a ogni scatto, di un angolo di in senso antiorario. Dimostrare che torna per la prima volta alla sua posizione iniziale dopo scatti, e che in quegli scatti occupa posizioni distinte. Generalizzare: se ogni scatto è una frazione del giro, con e coprimi, quante posizioni distinte occupa?
Suggerimento
Per il lemma degli angoli coterminali, gli scatti e lasciano la ruota nella stessa posizione se e solo se è multiplo di , cioè se divide . Usa il fatto che e sono coprimi, come nella lezione del corso I sul massimo comune divisore e il minimo comune multiplo.
Risposta
Due scatti danno la stessa posizione se e solo se la loro differenza è multiplo di ; in generale, la ruota occupa posizioni distinte, e torna a quella iniziale per la prima volta allo scatto .
Soluzione svolta
Soluzione
Dopo scatti, la ruota ha ruotato di gradi. Per il lemma degli angoli coterminali, gli scatti e la lasciano nella stessa posizione se e solo se la differenza degli angoli è un multiplo intero di un giro; dividendo per , la condizione è che sia multiplo di .
L’intero è allora multiplo di e di , che sono coprimi; per il lemma dei multipli comuni della lezione del corso I sul massimo comune divisore, è multiplo di , e è multiplo di . Viceversa, se , gli angoli differiscono di giri.
Tra gli scatti e , nessuna differenza è multiplo di : la ruota occupa posizioni distinte. Allo scatto ha ruotato di , cinque giri completi, e torna per la prima volta alla posizione iniziale; da lì ripete le stesse posizioni nello stesso ordine.
In generale, se ogni scatto è la frazione del giro, gli scatti e danno la stessa posizione se e solo se è intero, cioè se divide . Con e coprimi, lo stesso lemma dà che divide , e divide : la ruota occupa esattamente posizioni e torna a quella iniziale per la prima volta allo scatto . La frazione dà il caso già trattato.
Dimostrare che, tra le 12:00 e le 12:00 seguenti (escluse queste ultime), le lancette di un orologio formano un angolo retto esattamente volte, e trovare quegli istanti.
Suggerimento
Con le notazioni del problema risolto 5, le lancette formano un angolo retto quando la differenza è coterminale con o con , cioè quando per qualche intero .
Risposta
Gli istanti sono quelli che seguono, in ore dopo le 12:00, con ; il primo è verso le 12:16 e tra essi ci sono le 3:00 e le 9:00.
Soluzione svolta
Soluzione
Come nel problema risolto 5, dopo ore la lancetta dei minuti ha ruotato di gradi e quella delle ore di , in senso orario dalle 12:00; la differenza delle loro posizioni è gradi.
Le lancette formano un angolo retto se e solo se quella differenza è coterminale con o con , cioè se è o per qualche intero . Le due famiglie insieme sono i numeri : i valori pari di danno la prima e quelli dispari la seconda.
Isolando e semplificando la frazione per si ottengono gli istanti.
La condizione equivale a , cioè a : ci sono esattamente istanti, distinti perché cresce con . Con si ottiene , circa 16 minuti e 22 secondi; con e , le 3:00 e le 9:00. Le posizioni corrispondenti della lancetta delle ore, gradi, sono distribuite con regolarità sul quadrante.
Con questa lezione gli angoli restano misurati e collocati nel piano. Nella prossima lezione, quella sui rapporti trigonometrici, le coordinate del punto della circonferenza goniometrica definiranno il coseno e il seno di qualsiasi angolo, e la riduzione al primo giro e gli angoli coterminali spiegheranno la loro periodicità.