Provas de identidades trigonométricas

demonstrações de relações trigonométricas fundamentais

As principais identidades trigonométricas entre funções trigonométricas são provadas, usando principalmente a geometria do triângulo retângulo. Para ângulos maiores e negativos ver funções trigonométricas.

Identidades trigonométricas elementares editar

Definições editar

 
Funções trigonométricas especificam as relações entre comprimentos laterais e ângulos internos de um triângulo retângulo. Por exemplo, o seno do ângulo θ é definido como sendo o comprimento do lado oposto dividido pelo comprimento da hipotenusa.

As seis funções trigonométricas são definidas para todo número real, exceto, para algumas delas, para ângulos que diferem de 0 por um múltiplo do ângulo reto (90°). Referindo-se ao diagrama na direita, as seis funções trigonométricas de θ são, para ângulos menores que o ângulo reto:

 
 
 
 
 
 

Identidades de proporção editar

No caso de ângulos menores que um ângulo reto, as seguintes identidades são conseqüências diretas das definições acima através da identidade da divisão

 

Elas permanecem válidas para ângulos superiores a 90° e para ângulos negativos.

 
 
 
 
 

Ou

 
 

Identidades de ângulos complementares editar

Dois ângulos cuja soma é π/2 radianos (90 graus) são complementares. No diagrama, os ângulos nos vértices A e B são complementares, assim podemos intercambiar a e b, mudando θ para π/2 − θ, obtendo:

 
 
 
 
 
 

Identidades pitagóricas editar

Identidade 1:

 

Os dois resultados a seguir seguem desta e das identidades de proporção. Para obter o primeiro, dividir ambos os lados de   por  ; para o segundo, dividir por  .

 
 

Similarmente

 
 

Identidade 2:

A identidade seguinte envolve todas as três funções recíprocas.

 

Prova 2:

Considerar o diagrama do triângulo acima. Notar que   pelo teorema de Pitágoras.

 

Substituindo com funções apropriadas

 

Rearranjando resulta:

 

Identidades de soma de ângulo editar

Seno editar

 
Ilustração da fórmula da soma.

Desenhar uma linha horizontal (o eixo x); marcar uma origem O. Desenhar uma linha de O com um ângulo   acima da linha horizontal e uma segunda linha com um ângulo   acima desta; o ângulo entre a segunda linha e o eixo x é  .

Colocar P na linha definida por   a uma distância unitária da origem.

Seja PQ uma linha perpendicular à linha OQ definida pelo ângulo  , desenhado a partir do ponto Q nesta linha até o ponto P.   OQP é um ângulo reto.

Seja QA uma perpendicular do ponto A no eixo x para Q e seja PB uma perpendicular do ponto B no eixo x até P.   OAQ e OBP são ângulos retos.

Desenhar R em PB tal que QR seja paralelo ao eixo x.

Agora o ângulo   (porque  , fazendo  , e finalmente  )

 
 
 
 
 , então  
 , então  
 

Substituindo   em lugar de   e usando simetria resulta

 
 

Outra prova rigorosa, e bem mais simples, pode ser obtida usando a fórmula de Euler, conhecida da análise complexa. A fórmula de Euler estabelece que

 

Segue que para ângulos   e   resulta:

 

Também, usando as seguintes propriedades de funções exponenciais:

 

Manipulando o produto:

 

Igualando as partes real e imaginária:

 
 

Cosseno editar

Observando a figura acima,

 
 
 
 , então  
 , então  
 

Substituindo   por   e usando simetria é obtido:

 
 

Usando as fórmulas para ângulos complementares,

 

Tangente e cotangente editar

Das fórmulas para seno e cosseno resulta

 

Dividindo numerador e denominador por  , resulta

 

Subtraindo   de  , usando  ,

 

Similarmente, das fórmulas para seno e cosseno resulta

 

Dividindo então numerador e denominador por  , resulta

 

Ou, usando  ,

 

Usando  ,

 

Identidades de ângulo duplo editar

Das identidades para soma de ângulos resulta

 

e

 

As identidades pitagóricas dão as duas formas alternativas para a último destes:

 
 

As identidades de soma dos ângulos também fornecem

 
 

Também pode ser provado usando a fórmula de Euler

 

Elevando ambos os lados ao quadrado

 

Substituindo o ângulo pela sua versão dupla, que fornece o mesmo resultado no lado esquerdo da equação, resulta

 

Segue que

 .

Expandindo o quadrado e simplificando no lado esquerdo da equação resulta

 .

Como as partes real e imaginária da equação devem ser iguais, resulta

 ,

e

 .

Identidades do ângulo metade editar

As duas identidades que fornecem as formas alternativas para cos(2θ) levam às seguintes equações:

 
 

O sinal da raiz quadrada deve ser escolhido adequadamente—notar que se 2π é adicionado a θ, as quantidades na raiz quadrada não são alteradas, mas os lados esquerdos das equações mudam de sinal. Assim, o sinal correto a usar depende do valor de θ.

Para a função tangente a equação é:

 

Multiplicando então o numerador e o denominador dentro da raiz quadrada por (1 + cos(θ)) e usando identidades pitagóricas leva a

 

Além disso, se o numerador e o denominador forem ambos multiplicados por (1 - cos(θ)), o resultado é

 

Isso também fornece

 

Manipulações similares para a função cot fornecem

 

Diversos - a identidade da tripla tangente editar

Se   meia circunferência (por exemplo,  ,   e   são os ângulos de um triângulo),

 

Prova:[1]

 

Diversos - a identidade da tripla cotangente editar

Se   um quarto de circunferência,

 .

Prova: Substituir cada um dos  ,   e   com seus ângulos complementares, então as cotangentes se transformam em tangentes e vice-versa.

Dado

 
 

então o resultado segue da identidade da tripla tangente.

Identidades soma para produto editar

  •  
  •  
  •  

Prova de identidades senoidais editar

Iniciar com as identidades da soma de ângulos

 
 

Adicionando ambas resulta

 

Similarmente, subtraindo as duas identidades de soma de ângulos

 

Sejam   e  ,

  e  

Substituindo   e  

 
 

Portanto,

 

Prova de identidades cossenoidais editar

Similarmente para cossenos, começando com as identidades de soma de ângulos

 
 

Novamente, adicionando e subtraindo

 
 

Substituindo   e   como antes

 
 

Desigualdades editar

 
Ilustração das desigualdades seno e tangente.

A figura na direita mostra um setor de um círculo com raio 1. O setor é θ/(2π) de todo o círculo, portanto sua área é θ/2. É assumido que θ < π/2.

 
 
 

A área do triângulo OAD é AB/2, ou sin(θ)/2. A área do triângulo OCD é CD/2, oo tan(θ)/2.

Como o triângulo OAD está completamente dentro do setor, que por sua vez fica completamente dentro do triângulo OCD, temos

 

Este argumento geométrico baseia-se nas definições de comprimento do arco e área, que atuam como premissas, portanto é mais uma condição imposta na construção de funções trigonométricas do que uma propriedade comprovável.[2] Para a função seno podemos lidar com outros valores. Se θ > π/2, então θ > 1. Mas sin θ ≤ 1 (por causa da identidade pitagórica), então sin θ < θ. Temos então

 

Para valores negativos de θ temos, pela simetria da função seno

 

Então

 

e

 

Identidades envolvendo cálculo editar

Preliminares editar

 
 

Identidade da razão seno e ângulo editar

 

Em outras palavras, a função seno é diferenciável em 0, e sua derivada é 1.

Prova: Das desigualdades prévias temos, para ângulos pequenos,

 ,

e portanto

 ,

e consideremos a desigualdade do lado direito. Como

 
 

Multiplicando por  

 

Combinando com a desigualdade do lado esquerdo:

 

Tomando   no limite  

 

Portanto,

 

Identidade da razão cosseno e ângulo editar

 

Prova:

 

Os limites destas três quantidades são 1, 0 e 1/2, então o limite resultante é zero.

Identidade da razão cosseno e quadrado do ângulo editar

 

Prova:

Como na prova precedente,

 

Os limites destas três quantidades são 1, 1 e 1/2, então o limite resultante é 1/2.

Prova de composições de funções trigonométricas e trigonométricas inversas editar

Todas estas funções seguem da identidade trigonométrica pitagórica. Podemos provar por exemplo a função

 

Prova:

Partindo de

 

dividimos esta equação por  

 

Então usando a substituição  , e também usando a identidade trigonométrica pitagórica:

 

Então usando a identidade  

 

Ver também editar

Referências

  1. «Archived copy». Consultado em 30 de outubro de 2013. Arquivado do original em 29 de outubro de 2013  dead link
  2. Richman, Fred (março de 1993). «A Circular Argument». The College Mathematics Journal. 24 (2): 160–162. JSTOR 2686787. doi:10.2307/2686787 

Bibliografia editar