Riepilogo
Questa lezione costruisce le inverse del seno, del coseno e della tangente. Poiché queste funzioni sono periodiche, non sono iniettive, e per invertirle bisogna restringerle a un intervallo in cui assumano ogni valore una sola volta: il seno a , il coseno a e la tangente a . Deduce dall’assioma del percorso per lunghezza d’arco, che afferma che l’ascissa del punto percorso decresce strettamente lungo il primo mezzo giro, che il coseno è strettamente decrescente in ; da ciò e dalle simmetrie dimostra che il seno e la tangente sono strettamente crescenti nei loro intervalli, e che le tre restrizioni sono biiettive; definisce l’arcoseno, l’arcocoseno e l’arcotangente, e ne ottiene i grafici come riflessi rispetto alla retta . Dimostra poi le identità che li collegano, distingue con cura , sempre vera, da , vera solo nell’intervallo principale, e risolve le equazioni , e in un giro completo.
Obiettivi di apprendimento
- Dedurre dall’assioma del percorso la monotonia stretta del coseno e del seno nei loro intervalli principali, dimostrare con essa quella della tangente, e definire le tre inverse con i loro domini e insiemi immagine.
- Costruire i grafici dell’arcoseno, dell’arcocoseno e dell’arcotangente come riflessi rispetto alla retta , e calcolarne i valori nei punti notevoli.
- Dimostrare le identità di composizione, di simmetria e degli angoli complementari delle funzioni inverse, e semplificare espressioni che combinano funzioni trigonometriche con le loro inverse.
- Risolvere le equazioni trigonometriche elementari nell’intervallo mediante le funzioni inverse e le simmetrie della circonferenza goniometrica.
La restrizione delle funzioni trigonometriche
Secondo la lezione del corso I sulle operazioni tra funzioni, una funzione ha inversa se e solo se è biiettiva, e allora il grafico dell’inversa è il riflesso del suo rispetto alla retta . Ora, le funzioni trigonometriche studiate nella lezione sulle funzioni trigonometriche e i loro grafici non sono iniettive: il seno e il coseno hanno periodo , e la tangente periodo , sicché ogni valore si ripete infinite volte. Di più, all’interno di uno stesso periodo i valori si ripetono: per la simmetria degli angoli supplementari, dimostrata nella lezione sui rapporti trigonometrici, vale . Se è così, per invertire queste funzioni bisogna restringerle a un intervallo in cui siano iniettive e in cui assumano tutti i loro valori. Si scelgono intervalli che contengano gli angoli acuti e in cui la funzione sia strettamente monotona.
Il coseno è strettamente decrescente in ; il seno è strettamente crescente in , e la tangente è strettamente crescente in .
Si usa la definizione del seno e del coseno mediante il punto della circonferenza goniometrica, dalla lezione sui rapporti trigonometrici, e l’assioma del percorso per lunghezza d’arco, ammesso nella lezione sugli angoli e la loro misura. La monotonia del coseno è la traduzione della proprietà del mezzo giro di quell’assioma; quella del seno e quella della tangente si dimostrano a partire da essa.
Dimostrazione
Siano e con . I punti e sono gli estremi degli archi di lunghezze e che partono da in senso antiorario, ed entrambi stanno nel primo mezzo giro del percorso, che copre la semicirconferenza superiore.
Per la proprietà del mezzo giro dell’assioma, durante il primo mezzo giro l’ascissa del punto percorso decresce strettamente: quella di è maggiore di quella di . Poiché il coseno è, per definizione, l’ascissa di , la disuguaglianza tra le ascisse è una disuguaglianza tra coseni.
Siano ora . I loro complementari soddisfano e stanno in ; per la simmetria degli angoli complementari, il seno di un angolo è il coseno del suo complementare, e poiché il coseno decresce in , il seno cresce in .
Per la tangente, siano . Per i passi già visti, e . Aumentando prima il numeratore e diminuendo poi il denominatore, entrambi positivi, il quoziente aumenta.
La tangente è dispari, perché è il quoziente del seno, dispari, per il coseno, pari. Se , gli opposti soddisfano , e cambiando segno si inverte la disuguaglianza del passo appena visto; se , la tangente è negativa in e positiva in . Pertanto, la tangente cresce in tutto l’intervallo .
Le restrizioni biiettive
Ogni funzione strettamente monotona è iniettiva, secondo il teorema delle funzioni monotone della lezione sulle operazioni tra funzioni. Resta da vedere che ogni restrizione assuma tutti i valori del suo insieme immagine.
Il seno, ristretto a , è una biiezione su ; il coseno, ristretto a , è una biiezione su , e la tangente, ristretta a , è una biiezione su .
L’iniettività segue dal teorema appena dimostrato. Che ogni restrizione assuma tutti i suoi valori segue dalla proprietà di ricoprimento dell’assioma del percorso, secondo cui ogni punto della circonferenza goniometrica è l’estremo di un arco che comincia in , e dal lemma secondo cui un giro non ripete punti, entrambi della lezione sugli angoli e la loro misura.
Dimostrazione
Per il teorema appena dimostrato, le tre restrizioni sono strettamente monotone, e ogni funzione strettamente monotona è iniettiva: due angoli distinti della semicirconferenza superiore hanno ascisse distinte.
Sia con . Il punto seguente sta sulla circonferenza goniometrica; per il ricoprimento e perché un giro non ripete punti, è per un unico in .
L’ordinata di non è negativa, e il seno è negativo in , secondo i segni nei quadranti della lezione sui rapporti trigonometrici: quel sta in , e il suo coseno è . Il coseno ristretto assume tutti i valori di .
Per la simmetria degli angoli complementari, il seno di è il coseno di , e quando percorre , il suo complementare percorre : anche il seno ristretto assume tutti i valori di .
Per la tangente, il teorema delle sue proprietà, della lezione sulle funzioni trigonometriche e i loro grafici, dice che il suo insieme immagine è : dato , la retta di coefficiente angolare per l’origine taglia la semicirconferenza destra in un punto con compreso tra e . Lo si vede anche dalla periodicità: se , sottraendo a un multiplo intero di , come nella riduzione al primo giro, si ottiene un numero di quell’intervallo con la stessa tangente.
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