Resumo
Esta aula constrói as inversas do seno, do cosseno e da tangente. Como essas funções são periódicas, não são injetoras, e para invertê-las é preciso restringi-las a um intervalo em que tomem cada valor uma única vez: o seno a , o cosseno a e a tangente a . Deduz do axioma do percurso por comprimento de arco, que afirma que a abscissa do ponto percorrido decresce estritamente ao longo da primeira meia volta, que o cosseno é estritamente decrescente em ; disso e das simetrias demonstra que o seno e a tangente são estritamente crescentes em seus intervalos, e que as três restrições são bijetoras; define o arco-seno, o arco-cosseno e o arco-tangente, e obtém seus gráficos como reflexos em relação à reta . Demonstra depois as identidades que os relacionam, distingue com cuidado , sempre verdadeira, de , verdadeira só no intervalo principal, e resolve as equações , e numa volta completa.
Objetivos de aprendizagem
- Deduzir do axioma do percurso a monotonia estrita do cosseno e do seno em seus intervalos principais, demonstrar com ela a da tangente, e definir as três inversas com seus domínios e conjuntos imagem.
- Construir os gráficos do arco-seno, do arco-cosseno e do arco-tangente como reflexos em relação à reta , e calcular seus valores nos pontos notáveis.
- Demonstrar as identidades de composição, de simetria e de ângulos complementares das funções inversas, e simplificar expressões que combinam funções trigonométricas com suas inversas.
- Resolver as equações trigonométricas elementares no intervalo por meio das funções inversas e das simetrias da circunferência unitária.
A restrição das funções trigonométricas
Segundo a aula do curso I sobre as operações com funções, uma função tem inversa se e somente se é bijetora, e então o gráfico da inversa é o reflexo do seu em relação à reta . Ora, as funções trigonométricas estudadas na aula sobre as funções trigonométricas e seus gráficos não são injetoras: o seno e o cosseno têm período , e a tangente, período , de modo que cada valor se repete infinitas vezes. Mais ainda, dentro de um mesmo período os valores se repetem: pela simetria dos ângulos suplementares, demonstrada na aula sobre as razões trigonométricas, vale . Se isso é assim, para inverter essas funções é preciso restringi-las a um intervalo em que sejam injetoras e em que tomem todos os seus valores. Escolhem-se intervalos que contenham os ângulos agudos e em que a função seja estritamente monótona.
O cosseno é estritamente decrescente em ; o seno é estritamente crescente em , e a tangente é estritamente crescente em .
Usa-se a definição do seno e do cosseno por meio do ponto da circunferência unitária, da aula sobre as razões trigonométricas, e o axioma do percurso por comprimento de arco, admitido na aula sobre os ângulos e sua medida. A monotonia do cosseno é a tradução da propriedade da meia volta desse axioma; a do seno e a da tangente demonstram-se a partir dela.
Demonstração
Sejam e com . Os pontos e são as extremidades dos arcos de comprimentos e que partem de no sentido anti-horário, e ambos estão na primeira meia volta do percurso, que cobre a semicircunferência superior.
Pela propriedade da meia volta do axioma, durante a primeira meia volta a abscissa do ponto percorrido decresce estritamente: a de é maior que a de . Como o cosseno é, por definição, a abscissa de , a desigualdade entre as abscissas é uma desigualdade entre cossenos.
Sejam agora . Seus complementares satisfazem e estão em ; pela simetria dos ângulos complementares, o seno de um ângulo é o cosseno do seu complementar, e como o cosseno decresce em , o seno cresce em .
Para a tangente, sejam . Pelos passos precedentes, e . Ao aumentar primeiro o numerador e diminuir depois o denominador, ambos positivos, o quociente aumenta.
A tangente é ímpar, porque é o quociente do seno, ímpar, pelo cosseno, par. Se , os opostos satisfazem , e ao mudar de sinal inverte-se a desigualdade do passo precedente; se , a tangente é negativa em e positiva em . Portanto, a tangente cresce em todo o intervalo .
As restrições bijetoras
Toda função estritamente monótona é injetora, segundo o teorema das funções monótonas da aula sobre as operações com funções. Falta que cada restrição tome todos os valores do seu conjunto imagem.
O seno, restrito a , é uma bijeção sobre ; o cosseno, restrito a , é uma bijeção sobre , e a tangente, restrita a , é uma bijeção sobre .
A injetividade segue-se do teorema precedente. Que cada restrição tome todos os seus valores segue-se da propriedade de recobrimento do axioma do percurso, segundo a qual todo ponto da circunferência unitária é a extremidade de um arco que começa em , e do lema segundo o qual uma volta não repete pontos, ambos da aula sobre os ângulos e sua medida.
Demonstração
Pelo teorema precedente, as três restrições são estritamente monótonas, e toda função estritamente monótona é injetora: dois ângulos distintos da semicircunferência superior têm abscissas distintas.
Seja com . O ponto seguinte está na circunferência unitária; pelo recobrimento e porque uma volta não repete pontos, é para um único em .
A ordenada de não é negativa, e o seno é negativo em , segundo os sinais por quadrantes da aula sobre as razões trigonométricas: esse está em , e seu cosseno é . O cosseno restrito toma todos os valores de .
Pela simetria dos ângulos complementares, o seno de é o cosseno de , e quando percorre , seu complementar percorre : o seno restrito também toma todos os valores de .
Para a tangente, o teorema de suas propriedades, da aula sobre as funções trigonométricas e seus gráficos, diz que seu conjunto imagem é : dado , a reta de coeficiente angular pela origem corta a semicircunferência direita num ponto com entre e . Também se vê pela periodicidade: se , subtraindo de um múltiplo inteiro de , como na redução à primeira volta, obtém-se um número desse intervalo com a mesma tangente.
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