PROGRESSÕES 1. PROGRESSÃO ARITMÉTICA

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1 PROGRESSÕES 1. PROGRESSÃO ARITMÉTICA Vamos considerar as seqüências numéricas a) (, 4, 6, 8, 10, 1). Veja que a partir do º termo a diferença entre cada termo e o seu antecessor, é constante: a - a 1 = 4 - = ; a 3 - a = 6-4 = ; a 5 - a 4 = 10-8 = ; a 6 - a 5 = 1-10 = b) (, 3/, 1, 1/, 0, -1/) a - a 1 = 3/ - = -1/; a 3 - a = 1-3/ =-1/; a 5 - a 4 = 0-1/ = -1/; a 6 - a 5 = -1/ - 0 = -1/ Quando observamos que essas diferenças entre cada termo e o seu antecessor, é constante, damos o nome de progressão aritmética (P.A.) À constante damos o nome de razão (r). Obs.: r = 0 => P.A. é constante. r > 0 => P.A. é crescente. r < 0 => P.A. é decrescente. De um modo geral temos: Chama-se de progressão aritmética (P.A.), toda sucessão de números que, a partir do segundo, a diferença entre cada termo e o seu antecessor é constante. Isto é: Sucessão: (a 1, a, a 3, a 4, a 5, a 6, a 7,..., a n,...) a - a 1 = a 3 - a = a 4 - a 3 =...= a n - a n -1 = r 1.1 FÓRMULA DO TERMO GERAL DE UMA P.A. Vamos considerar a seqüência (a 1, a, a 3, a 4, a 5, a 6, a 7,..., a n ) de razão r, podemos escrever: Somando membro a membro essas n - 1 igualdades, obtemos: a + a 3 + a a n -1 + a n = a 1 + a + a a n -1 + (n - 1).r Após a simplificação temos a fórmula do termo geral de uma P.A.: a n = a 1 + (n - 1).r Oliveira Nota Importante: Quando procuramos uma P.A. com 3, 4 ou 5 termos, podemos utilizar um recurso bastante útil. Para 3 termos: (x, x+r, x+r) ou (x-r, x, x+r) Para 4 termos: (x, x+r, x+r, x+3r) ou (x-3y, x-y, x+y, x+3y). Onde y = r/ Para 5 termos: (x, x+r, x+r, x+3r, x+4r) ou (x-r, x-r, x, x+r, x+r) Prof. Júlio Oliveira 1. INTERPOLAÇÃO ARITMÉTICA Interpolar ou inserir k meios aritméticos entre dois números a 1 e a n, significa obter uma P.A. de k+ termos, cujos os extremos são a 1 e a n. Pode-se dizer que todo problema que envolve interpolação se resume em calcularmos a razão da P.A. Exemplo 1.1 Veja esta P.A. (1,..., 10), vamos inserir 8 meios aritméticos, logo a P.A. terá 8+ termos, onde: Solução: 81

2 a 1 = 1; a n = 10 ; k = 8 e n = k + = 10 termos. a n = a 1 + (n-1).r => r = 1 a P.A. ficou assim: (1,, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) 1.3 SOMA DOS n TERMOS DE UMA P.A.(S n ) Vamos considerar a P.A. (a 1, a, a 3,..., a n-, a n-1, a n ) (1). Agora vamos escrevê-la de uma outra forma: (a n, a n-1, a n-,..., a 3, a, a 1 ) (). Vamos representar por S n a soma de todos os membros de (1) e também por S n a soma de todos os membros de (), já que são iguais. Somando (1) + (), vem: S n = a 1 + a + a a n- + an-1 + a n S n = a n + a n-1 + a n a 3 + a + a 1 S n = (a 1 + a n ) + (a + a n-1 ) + (a 3 + a n- )... + (a n-1 + a ) + (a n + a 1 ) Observe que cada parênteses representa a soma dos extremos da P.A., portanto representa a soma de quaisquer termos eqüidistantes dos extremos. Então: S n = (a 1 + a n ) + (a 1 + a n ) (a 1 + a n ) + (a 1 + a n ) S n = (a 1 + a n ). n => que é a soma dos n termos de uma P.A. Exemplo 1.: Calcular a soma dos 0 primeiros termos da P.A. ( 3, 7, 11,...). Solução: a 1 = 3; r = 4 => [ ] Exemplo 1.3: Calcule o 17: termo da P.A. ( 3, 8, 13, ) Solução: Temos que: a 1 3 e Logo, a a r 5 1r a 16r Exemplo 1.4: Calcule a soma dos doze primeiros números ímpares. Solução: Temos então: ( ) Donde,, logo 1, 3, 5, a 1 1 e a r a1 1 1r a1 11r a a S Exemplo 1.5: No depósito de uma firma de informática, costuma-se empilhar as caixas de um determinado equipamento em filas horizontais superpostas, conforme ilustrado na figura. Quantas dessas filas seriam necessárias para empilhar 171 dessas caixas? 8

3 Solução: Temos uma P.A. representada por ( ) 1,, 3, onde, a 1 1 e r 1 Desejamos saber o n para o qual temos Sabemos que: S n Fig. 1. S n 171 a a n a a n 1r n a n 1 1 n n Substituindo valores, n n, 1 n 1 1 n, n 1 n, 34 1 n n, n n 34 0 que é uma equação do º grau para a qual Assim sendo, b n 1 ' n 18 n " 19 b 4ac a r a 1, b 1 e 34 c 34 Como não existe número de fileiras negativo, só a 1ª raiz tem significado físico... PROGRESSÃO GEOMÉTRICA Chamamos Progressão Geométrica (P.G.) a uma seqüência de números reais, formada por termos, que a partir do º, é igual ao produto do anterior por uma constante q dada, chamada de razão da P.G. Dada uma seqüência (a 1, a, a 3, a 4,..., a n,...), então se ela for uma P.G. _a n = a n-1. q, com n e n ϵ IN, onde: 83

4 .1 CLASSIFICAÇÃO DAS P.G'S. 3. Alternante ou Oscilante: quando q < Constante: quando q = 1 5. Estacionária ou Singular: quando q = 0. FÓRMULA DO TERMO GERAL Vamos considerar uma P.G. (a 1, a, a 3, a 4,..., a n,...). Pela definição temos: Depois de multiplicarmos os dois membros das igualdades e simplificarmos, vem: a n = a 1.q.q.q...q.q => (n-1 fatores q) Termo Geral da P.G..3 INTERPOLAÇÃO GEOMÉTRICA Interpolar, Inserir ou Intercalar m meios geométricos entre dois números reais a e b significa obter uma P.G. de extremos a e b, com m+ elementos. Podemos resumir que problemas envolvendo interpolação se reduzem em calcularmos a razão da P.G. 84

5 .4 SOMA DOS TERMOS DE UMA P.G. FINITA Dada a P.G. (a 1, a, a 3, a 4,..., a n-1, a n...), de razão q 0 e q 1 e a soma S n de seus n termos pode ser expressa por: S n = a 1 +a +a 3 +a a n (Eq.1) Multiplicando ambos os membros por q, vem: q.s n = (a 1 +a +a 3 +a a n ).q q.s n = a 1.q+a.q+a a n.q (Eq.). Encontrando a diferença entre a (Eq.) e a (Eq.1), temos: ou com q 1 Obs.: Se a P.G. for constante, isto é, q = 1 a soma S n será: S n = a 1 + a 1 + a a 1 = n. a 1.5 SOMA DOS TERMOS DE UMA P.G. INFINITA Dada a P.G. infinita: (a 1, a, a 3, a 4,...), de razão q e S sua soma, devemos analisar 3 casos para calcularmos a soma S. 1. Se a 1 = 0 => S = 0, pois a n = 0. Se q < 1 ou q > 1, isto é q > 1 e a 1 0, S tende a ou +. Neste caso é impossível calcular a soma S dos termos da P.G. 3. Se 1< q < 1, isto é, q < 1 e a 1 0, S converge para um valor finito. Assim a partir da fórmula da soma dos n termos de uma P.G., vem: Quando n tende a +, q n tende a zero, logo: que é a fórmula da soma dos termos de uma P.G. Infinita. Obs.: S nada mais é do que o limite da Soma dos termos da P.G., quando n tende para + é representada desta forma: Exemplo.1: Determine o 10º termo da P.G. (1,, 4, ) Solução: a 1 1 e q Logo, a a1q a1q 1 Exemplo.: Determine a soma dos vinte primeiros termos da P.G. (, 1, 0, ) Solução: Temos: a 1 1 Logo, 1 4 e q 4 a1 S 0 1 q 6 143,75 1 q

6 Exemplo.3: Um barco patrulha está distante 65 milhas de um navio carregado de contrabando de armas pesadas. Sabendo-se que ambas as embarcações estão seguindo o mesmo rumo (movimentos na mesma direção e mesmo sentido) e que a velocidade do barco patrulha é o dobro da velocidade do navio, pede-se calcular a distância que o barco deve percorrer para alcançar o navio. Solução: v v 0 65 mi Fig. 1.3 Quando o barco patrulha tiver percorrido as 65 milhas iniciais, o navio terá percorrido vez que sua velocidade é a metade da do barco. Assim o barco terá que percorrer também x milhas, uma milhas. Quando o barco tiver percorrido estas últimas milhas, o navio terá percorrido milhas, e assim por diante, de modo que a distância total a ser percorrida pelo barco é: x b mi mi mi 4. Temos pois uma P.G. decrescente ilimitada, para qual a a 65 mi e. Logo, x b a 65 mi 1 q mi. Claro, o estudante deve estar se perguntando: o problema não poderia ter sido pelos métodos da Cinemática aprendidos na Física do º grau? Sim, é claro! Senão vejamos: As equações horárias dos movimentos são: Barco Navio No encontro e v vt 65 t vt vt 65 vt 65 x b vt v x n 65 t xb x n,, e o tempo de encontro é: 130 t. v Voltando à equação do barco, temos então: 130 x b vt v 130 mi v e concluímos, mais uma vez, que o barco deve percorrer 130 mi para alcançar o navio. Aí cabe uma outra pergunta: Por quê não termos utilizados diretamente o segundo método? 1 86

7 A resposta é simples: esta foi apenas uma ilustração de soma de parcelas, que são termos de uma P.G., as quais vão se tornando cada vez menores. 3 - Trigonometria 3.1 Introdução Historicamente, existem vestígios de um estudo de Trigonometria entre os babilônios, que a usavam para resolver problemas práticos de navegação, de Astronomia e de Agrimensura. As correspondências entre relações das medidas dos lados de um triângulo retângulo e da medida dos seus ângulos foram, sistematicamente, empregadas, pela primeira vez, pelo astrônomo grego Hiparco, por volta do ano 140 a.c. A Trigonometria não se limita ao estudo de triângulos. Sua aplicação hoje em dia se estende, por exemplo, à Análise, à Eletricidade, à Mecânica, à Acústica, à Topografia, etc. Do ponto de vista etimológico, a palavra Trigonometria significa medida dos triângulos, sendo formada por três radicais gregos tri = três, gonos = ângulo e metron = medir. 3. Ângulos Um ângulo no plano é uma região delimitada por duas semi-retas de origem no mesmo ponto. Na figura, α é a menor região delimitada pelas semi-retas. Outro ângulo definido pelas semi-retas é o ângulo β, que é uma região de abertura visivelmente maior que a o ângulo α. Os ângulos α e β na figura ao lado dizem respeito a ângulos no plano (Existem os chamados ângulos sólidos, definidos no espaço, mas estão fora do âmbito deste estudo). No plano, o sentido positivo atribuído aos ângulos é contrário ao dos ponteiros do relógio. Na figura ao lado está indicado o sentido de crescimento de um ângulo. O ângulo α aumenta se a abertura aumentar no sentido indicado pela seta. O sentido negativo é definido pela semi-reta movendo-se no sentido horário Medida de Ângulos O grau é a unidade de medida de ângulo obtida ao dividirmos uma circunferência em 360 partes iguais. Denotaremos a medida desta parte como sendo um grau ( ). Usualmente, utiliza-se o grau como unidade de medida de ângulos, porém, a unidade de ângulo adotada pelo Sistema Internacional (SI) é o radiano. Ele é definido de tal forma que um ângulo de π radianos é igual a : π radianos =, em que π é o número irracional 3, , definido pelo quociente entre o perímetro de uma circunferência e o seu diâmetro. Assim teremos, por exemplo, que. Para ângulos em unidades de grau de arco, é necessário indicar o símbolo para distinguir da unidade radiano. Existem, além destas, outras medidas utilizadas. Por exemplo, o grado, que é obtido de forma análoga ao grau; porém, a divisão é feita por 400. Podemos estabelecer, portanto, que = 100 grad. Esta última unidade é muito pouco utilizada. 3.. Mudança de Unidades Considere x a medida em radianos de um ângulo que corresponde a α graus. A relação entre estas 87

8 medidas é obtida pela seguinte proporção: π rad x rad Isso permite que façamos a conversão da medida de uma unidade para a outra através de uma regra de três simples. Podemos estabelecer a seguinte tabela de medidas de ângulos: Da tabela acima podemos notar que medidas em graus e em radianos de um arco de circunferência são diretamente proporcionais, isto é, Exemplo 3.1: Converta 16 em radianos. Solução: Temos π rad x Então, Exemplo 3.: Converter π/5rad em graus. Exemplo 3.3: Exprimir 300 o em radianos Classificação de Ângulos (i) quanto à abertura: 1. Ângulo nulo: α =.. Ângulo agudo: < α <. 3. Ângulo reto: α =. 4. Ângulo obtuso: < α <. 5. Ângulo raso: α =. 6. Ângulo giro: α =. (ii) quanto ao posicionamento (relativamente a outros ângulos): 1. Ângulos complementares: α+β =. Diz-se que α e β são complementares se a soma α+β for um ângulo reto. Neste caso, diz-se também que 90 α é o complementar ou o complemento de α, e vice-versa. Naturalmente, < α < e < β <, com 0 < α + β <. 88

9 . Ângulos suplementares: α + β =. Diz-se que α e β são suplementares se a soma α + β for um ângulo raso. Neste caso, diz-se também que α é o suplementar ou o suplemento de α, e vice-versa. Naturalmente, < α < e 0 < β <, com 0 < α + β <. 3. Ângulos replementares: α + β =. Diz-se que α e β são replementares se a soma α + β for um ângulo giro. Neste caso, diz-se também que α é o replementar ou o replemento de α, e vice-versa. Naturalmente, < α < e < β <, com 0 < α + β <. 4. Ângulos explementares: α + β = 7. Diz-se que α e β são explementares se a soma α + β for um ângulo de dois giros. Neste caso, diz-se também que 7 α é o explementar ou o explemento de α, e viceversa. Naturalmente, 0 < α < 7 e 0 < β < 7, com 0 < α+β < 7. Exemplo 3.4: O complemento do suplemento do triplo de um ângulo mede 30. Classifique este ângulo quanto a abertura. Solução: O triplo de um ângulo: 3x. O suplemento do triplo de um ângulo: 18 3x, e o complemento do suplemento do triplo de um ângulo: 9 (18 3x). Este último é igual a 3, ou seja, 9 (18 3x) = 3. Resolvendo-se esta equação encontramos x = 4. Logo, o ângulo é agudo. 3.3 A Circunferência Trigonométrica Considere uma circunferência de raio unitário com centro na origem de um sistema cartesiano ortogonal. Essa circunferência será denominada ciclo ou circunferência trigonométrica. O ponto A = (1, 0), interseção da circunferência com o semi-eixo positivo OX, será chamado origem do ciclo. Os pontos A, B, C e D, interseções do ciclo com os eixos coordenados, dividem o ciclo em quatro partes congruentes denominadas quadrantes. Os quadrantes são numerados, a partir de A, no sentido anti-horário (de A para B para C), conforme indicamos na figura abaixo. Convencionamos que o ponto divisor de dois quadrantes está em ambos; assim, por exemplo, B está no quadrante e também no (ele é o ponto final do e o ponto inicial do quadrante). Os quadrantes são usados para localizar pontos e a caracterização de ângulos trigonométricos. Por convenção, os pontos situados sobre os eixos não pertencem a qualquer um dos quadrantes. Já sabemos associar os números reais aos pontos de uma reta. Veremos agora como associar a cada número real x a um ponto na circunferência trigonométrica. Sabemos também que ao número x = 0 está correspondido o ponto A, que é a origem do ciclo. Se x 0, associamos a x o ponto final do seguinte percurso realizado sobre a circunferência: partimos de A; se x > 0, percorremos o ciclo no sentido anti-horário; 89

10 se x < 0, percorremos o ciclo no sentido horário; o comprimento de percurso é x. O ponto associado ao número x é denominado imagem de x no ciclo. OBS. *Esses percursos podem ter mais do que uma volta na circunferência. Mesmo assim vamos chamá-los de arcos. *Como a circunferência tem raio 1, o seu comprimento é l = π 1 = π. Nessa circunferência o comprimento de qualquer arco é numericamente igual à sua medida em radianos. Isso significa que fazer um percurso de comprimento x é percorrer um arco de x rad Ângulo Trigonométrico Vimos que um ângulo pode ter o valor real que se desejar. No entanto, a semi-reta que determina o ângulo (com outra semi-reta, fixa, de referência) completa uma volta após 36, duas voltas após 70, etc., ou uma volta no sentido contrário e, nesse caso, diz-se que descreveu um ângulo de 36. O menor ângulo α descrito pela semi-reta é o ângulo trigonométrico, ou primeira determinação positiva, e para o ângulo ϕ descrito pela semi-reta tem-se: ϕ = α + k 36, k Z. O ângulo α é o de maior interesse em trigonometria, em particular, no que toca às funções trigonométricas, abordadas posteriormente. Por exemplo, se x = α+m 36 e y = α+n 36 (m e n números inteiros), para igualar os ângulos x e y é necessário que m = 0 e n = 0 (por exemplo), uma condição trivial. A razão para a existência desta periodicidade para ângulos prende-se com o caráter das funções trigonométricas, o qual será discutido adiante. No entanto, é necessário definir univocamente a aplicação que determina o ângulo definido por duas retas que se intersectam. Portanto, e para esse efeito, medem-se os ângulos num domínio que vai de a 36 (ou, o que é equivalente, de 0 a π radianos) Números Congruentes Os números x e x + π têm representação no mesmo ponto da circunferência trigonométrica. Nesse mesmo ponto são representados, de fato, todos os seguintes números, x, x ± π, x ± 4π, x ± 6π, x ± 8π,..., etc, que denominamos números congruentes (ou côngruos) a x. Podemos notar que cada número congruente a x se escreve na forma x +( número par )π e, portanto, pode ser representado por x +kπ, em que k Z. Assim, o conjunto dos números congruentes a x é {x + kπ; k Z}. 3.4 Trigonometria e as Relações no Triângulo Retângulo A partir da sua criação pelos matemáticos gregos, quando a trigonometria dizia respeito exclusivamente à medição de triângulos, e tal como as funções e relações trigonométricas apresentadas a seguir, era aplicada ao estudo de triângulos retângulos. Porém, as funções trigonométricas resultantes, e apresentadas mais adiante, encontram aplicações mais vastas e de maior riqueza noutras áreas como a Física (por exemplo, no estudo de fenômenos periódicos) ou a Engenharia. Teorias mais elaboradas como a dos números complexos, a das funções trigonométricas hiperbólicas e do desenvolvimento em série de Taylor de funções trigonométricas, dependem do estudo da trigonometria. Nos limitaremos à trigonometria no plano. Em trigonometria, os lados dos triângulos retângulos assumem nomes particulares, apresentados na figura ao lado. O lado oposto ao ângulo reto, chama-se hipotenusa; os lados que formam o ângulo reto chamam-se catetos O Teorema de Pitágoras 90

11 O geômetra grego Pitágoras ( a.c.) formulou o seguinte teorema, que tem hoje o seu nome, e que relaciona a medida dos diferentes lados de um triângulo retângulo. Teorema (de Pitágoras). A soma dos quadrados dos comprimentos dos catetos é igual ao quadrado do comprimento da hipotenusa, ou seja, se a e b são os comprimentos dos dois catetos e c o comprimento da hipotenusa, temos Relações Trigonométricas no Triângulo Retângulo Boa parte das aplicações trigonométricas estão relacionadas com comprimentos dos lados e com os ângulos de um triângulo. Devemos, no entanto, apresentar algumas definições das relações trigonométricas no triângulo retângulo. Definição. Considere um triângulo ABC retângulo em B, cujos lados medem = a, = b e = c e seja α o ângulo oposto ao cateto. Então, Exemplo 3.5: Encontre, para o ângulo α, as relações trigonométricas no triângulo da figura. Exercícios Propostos 1.1 até 1.18 no final da apostila. 3.5 Funções Trigonométricas As Funções e as Relações Trigonométricas Fundamentais Recorrendo-se à circunferência trigonométrica, podemos estender o valor das razões trigonométricas no triângulo retângulo para quaisquer valores, além dos ângulos de medida entre zero e noventa. 91

12 Considere o ponto P(xP, yp) sobre a circunferência trigonométrica e cujo centro coincide com o sistema cartesiano ortogonal. O triângulo ΔOMP é retângulo e = 1. Assim sendo, Como na circunferência trigonométrica o raio é unitário, temos que as coordenadas do ponto P são (xp, yp) = (cos(x), sen(x)). Assim, se P é um ponto de coordenadas (xp, yp) na circunferência trigonométrica, então: Desta forma, definimos o seno e o cosseno do ângulo para quaisquer valores de x, e não somente para aqueles entre (ou 0 radianos) e 9 (ou π/ radianos), como anteriormente. Enunciemos a definição, portanto, destas funções. Definição. A função que associa cada x R à abscissa do ponto P da circunferência trigonométrica, denomina-se função cosseno, ou seja, Definição. A função que associa cada x R à ordenada do ponto P da circunferência trigonométrica, denomina-se função seno, ou seja, De acordo com a definição e observando a figura, podemos ver que 9

13 Pode-se observar ainda que, por P pertencer à circunferência trigonométrica, 1 cos(x) 1 e 1 sen(x) 1. Assim, o conjunto imagem das funções cosseno e seno estão limitadas ao intervalo [ 1, 1], ou seja, f(x) =cos(x) e g(x) = sen(x). Então, A definição de tangente de um ângulo num triângulo retângulo nos diz que: e, de acordo com a figura, os triângulosδopm e ΔOP A são retângulos e o ângulo em O é comum. Logo, eles são semelhantes. Assim, ou seja, Segue, da primeira igualdade, que 93

14 e, da segunda, A tangente de x é, portanto, também assinalada pela ordenada do ponto P, ou seja, o ponto P tem coordenadas P (x, y) = (1, tg(x)). Definição. A função que associa cada x R à ordenada do ponto P, obtido da interseção do prolongamento do segmento OP com a reta tangente à circunferência trigonométrica no ponto A, denomina-se função tangente, ou seja, h : {x R; x π/ + kπ, k Z} x R h(x) = tg(x) = yp Definição. A função que associa a cada x, em que cos(x) 0, ao inverso multiplicativo do seu cosseno, denomina-se função secante, ou seja, h : {x R; x π/ + kπ, k Z} x R Observe que estamos definindo a secante do ângulo x como o inverso multiplicativo do cosseno deste mesmo ângulo. Sendo assim, O mesmo se passa para as funções cotangente e cossecante. O valor da cotangente de um ângulo corresponde à abscissa do ponto P, situado sobre a reta horizontal tangente à circunferência no ponto (0, 1), ou seja, o ponto P tem coordenadas P (x, y) = (cotg(x), 1). De fato, são semelhantes os triângulos ΔOPM e ΔP OB. Assim, ou seja, Segue, da segunda igualdade, que e, da primeira, que Quanto maior for a abscissa do ponto P, menor será o ângulo x, e a semi-reta definida pelo ângulo com o eixo X se aproxima deste. Logo, cotg(x) aumenta, bem como a abscissa do ponto P. Definição. A função que associa cada x R à abscissa do ponto P, obtido da interseção do prolongamento do segmento OP com a reta tangente à circunferência trigonométrica no ponto B, denomina-se função cotangente, ou seja, Definição. A função que associa a cada x, em que sen(x) 0, ao inverso multiplicativo do seu seno, denomina-se função cossecante, ou seja, 94

15 Observe que estamos definindo a cossecante do ângulo x como o inverso multiplicativo do seno deste mesmo ângulo. Sendo assim, Por se tratar de triângulos retângulos, podemos escrever para ΔOPM, ΔOP A e ΔP OB as seguintes relações: 3.5. As Funções Trigonométricas e os Números Trigonométricos Nas aplicações são bastantes usados o seno e o cosseno das medidas de arcos dadas em graus, que são respectivamente iguais ao seno e ao cosseno dos números reais que se obtém transformando as medidas em radianos. Podemos formar a tabela abaixo. 95

16 Dois números congruentes tem imagens coincidentes no ciclo trigonométrico e por isso possuem senos iguais e cossenos iguais. Para todo x real e para todo inteiro k, temos Exercícios Propostos 1.19 até 1.33 no final da apostila Paridade das Funções Trigonométricas Nesta seção serão apresentadas algumas propriedades importantes das funções trigonométricas seno, cosseno, tangente e cotangente, nomeadamente: paridade, sinal, monotonia, periodicidade, e o resultado da redução ao primeiro quadrante. Das funções trigonométricas (seno, cosseno, tangente, cotangente, secante e cossecante), todas têm uma paridade bem definida. Proposição. A função seno é ímpar e a cosseno é par. Proposição. As funções tangente, cotangente e secante são ímpares e a função secante é par Sinal das Funções Trigonométricas Seja P(cos(α), sen(α)) um ponto da circunferência trigonométrica. Em suma, temos o seguinte quadro 96

17 3.5.7 Reduções ao Primeiro Quadrante A circunferência trigonométrica fica dividida em quatro partes quando, por exemplo, sua origem coincide com o sistema cartesiano ortogonal, como indicado na figura ao lado. Cada partes é denominada quadrante e são indicados conforme o sentido do crescimento dos ângulos. Vimos que existem alguns ângulos, no primeiro quadrante, para os quais podemos determinar facilmente os valores das razões trigonométricas, e que convém ter sempre presente. A aplicação da redução ao primeiro quadrante nos auxilia, por exemplo, a encontrar o valor de cada uma das funções trigonométricas para outros ângulos, entender o comportamento destas nos quadrantes restantes e na simplificação de expressões e de equações. Redução do Segundo ao Primeiro Quadrante Proposição. Seja α um ângulo no primeiro quadrante. Então, Proposição. Seja α um ângulo no primeiro quadrante. Então Redução do Terceiro ao Primeiro Quadrante Proposição. Seja α um ângulo no primeiro quadrante. Então, 97

18 Proposição. Seja α um ângulo no primeiro quadrante. Então, Redução do Quarto ao Primeiro Quadrante Apesar desta redução poder ser demonstrada da mesma maneira que as anteriores, a faremos de outro modo mais simples. Proposição. Seja α um ângulo no primeiro quadrante. Então Proposição. Seja α um ângulo no primeiro quadrante. Então Os resultados obtidos para a redução de quadrantes encontram-se resumidos no seguinte quadro: em que α é um ângulo do quadrante e β é um ângulo a converter Periodicidade das Funções Trigonométricas Definição. Uma função y = f (x), definida no domínio D, é chamada função periódica se existe um número positivo p que satisfaz a igualdade, f (x + p) = f (x), para todo x D. O menor valor positivo de p que satisfaz essa condição é chamado período da função. Verifica-se que para este valor p, f (x + k p) = f (x), para todo k Z. O período de uma função é o comprimento do intervalo no qual esta função passa por um ciclo completo de variação. Graficamente, o gráfico da função periódica apresenta um elemento de curva que se repete. Proposição. O período das funções f (x) = cos(x) e g(x) = sen(x) é π. 98

19 3.5.9 Resumo das Propriedades das Principais Funções Trigonométricas A Função Cosseno Denominamos função cosseno à função que a cada número real x faz corresponder o número y = cos(x). Utilizando os pares (x, y) da tabela abaixo, em que y = cos(x), construímos o gráfico da função cosseno no intervalo 0 x π. Propriedades O domínio da função y = cos(x) é o conjunto dos números reais R. Imagem: Im = {y R; 1 y 1} = [ 1, 1] ( x; cos(x) = y 1 y 1). O valor máximo de cos(x) é 1, enquanto o valor mínimo é 1. Período: p = π, pois, x temos cos(x + π) = cos(x). A Função Seno Denominamos função seno à função que a cada número real x faz corresponder o número y = sen(x). Utilizando os pares (x, y) da tabela abaixo, em que y = sen(x), construímos o gráfico da função cosseno 99

20 no intervalo 0 x π. Propriedades O domínio da função y = sen(x) é o conjunto dos números reais R. Imagem: Im = {y R; 1 y 1} = [ 1, 1] ( x; sen(x) = y 1 y 1). O valor máximo de sen(x) é 1, enquanto o valor mínimo é 1. Período: p = π, pois, x temos sen(x + π) = sen(x). A Função Tangente Denominamos função tangente à função que a cada número real x π/+kπ, k Z, faz corresponder o número y = tg(x). Utilizando os pares (x, y) da tabela abaixo, em que y = tg(x), construímos o gráfico da função tangente no intervalo 0 x π. 100

21 Propriedades O domínio da função y = tg(x) é o conjunto dos números {x R; x π/ + kπ, k Z}. Imagem: Im = R ( x; tg(x) = y y R). Período: p = π, pois, x π/ + kπ, k Z, temos tg(x + π) = tg(x). A Função Cotangente Denominamos função cotangente à função que a cada número real x kπ, k Z, faz corresponder o número y = cotg(x). Utilizando os pares (x, y) da tabela abaixo, em que y = cotg(x), construímos o gráfico da função cotangente no intervalo 0 x π. 101

22 Propriedades O domínio da função y = cotg(x) é o conjunto dos números {x R; x kπ, k Z}. Imagem: Im = R ( x; cotg(x) = y y R). Período: p = π, pois, x kπ, k Z, temos cotg(x + π) = cotg(x). A Função Secante Denominamos função secante à função que a cada número x R; x π/+kπ, k Z, faz corresponder o número y = sec(x). Utilizando os pares (x, y) da tabela abaixo, em que y = sec(x), construímos o gráfico da função secante no intervalo 0 x π. 10

23 Propriedades O domínio da função y = sec(x) é o conjunto dos números {x R; x π/ + kπ, k Z}. Imagem: Im = R \ ( 1, 1) ( x; sec(x) = y y ], 1] [1,+ [). Período: p = π, pois, x π/ + kπ, k Z, temos sec(x + π) = sec(x). A Função Cossecante Denominamos função cossecante à função que a cada número x R; x kπ, k Z, faz corresponder o número y = cossec(x). Utilizando os pares (x, y) da tabela abaixo, em que y = cossec(x), construímos o gráfico da função secante no intervalo 0 x π. 103

24 Propriedades O domínio da função y = cossec(x) é o conjunto dos números {x R; x kπ, k Z}. Imagem: Im = R \ ( 1, 1) ( x; cossec(x) = y y ], 1] [1,+ [). Período: p = π, pois, x π/ + kπ, k Z, temos cossec(x + π) = cossec(x). Exercícios Propostos 1.34 até 1.46 no final da apostila. 3.6 Relações Importantes das Funções Trigonométricas Em muitos casos é previsto a utilização de relações que envolvem funções trigonométricas diferentes das que temos visto até aqui. Algumas destas podem envolver, por exemplo, funções trigonométricas da adição de ângulos ou determinadas funções que envolvem funções trigonométricas de um ângulo, e cuja escrita pode ser simplificada Fórmulas de Adição e Subtração 104

25 Considere dois arcos α e β com extremidades, respectivamente, nos pontos A e B, que estão sobre o ciclo trigonométrico com centro na origem do sistema cartesiano ortogonal (ver figura abaixo). Pela lei dos cossenos temos que: Teorema. Considere α e β dois ângulos quaisquer. Então, O cálculo de tg(β ± α) decorre, naturalmente, dividindo-se sen(β ± α) por cos(β ± α). Portanto, exceto π/, 3π/ e seus côngruos Fórmulas de Duplicação Teorema. Seja α um ângulo qualquer. Então, Teorema. Seja α 6= π/ + kπ e α 6= π/4 + kπ/, k Z, um ângulo. Então, Fórmulas de Bissecção Teorema. Seja α um ângulo qualquer. Então, Teorema. Seja α kπ, k Z, um ângulo. Então, Fórmulas de Transformações da Adição em Produto 105

26 Teorema. Sejam α e β dois ângulos quaisquer. Então, Os resultados obtidos nesta seção estão resumidos na seguinte tabela: Exercícios Propostos 1.47 até 1.53 no final da apostila. 3.7 Funções Trigonométricas Inversas Uma função f está devidamente caracterizada quando temos expresso quem é o seu domínio, contradomínio e a lei de correspondência y = f (x). Quando uma dada relação entre números reais y = f (x) é dita uma função, fica subentendido que o domínio D desta é o maior subconjunto de R que a define como tal. Se dada uma função y = f (x), alterarmos seu domínio para um subconjunto D de D, dizemos que esta função está restrita a D e a denotamos por. Por um abuso de notação, utiliza-se f tanto para a função original quanto para sua restrição. A relação (y) = x é função se f é uma função bijetora. Notoriamente, a classe das funções trigonométricas não é bijetora. Neste caso, para determinar cada elemento que compõe a classe das funções trigonométricas inversas trabalharemos com a classe das funções resultante de restrições impostas a cada função trigonométrica. Devido à periodicidade das funções trigonométricas, existem muitos intervalos nos quais cada restrição a um destes define uma outra função bijetora. No entanto, usualmente é escolhido um intervalo de comprimento máximo no qual o elemento zero é o ponto médio dos extremos deste ou é o extremo inferior Arco Cosseno 106

27 A função f : R R definida por f (x) = cos(x) é não bijetora. Isto é facilmente constatado pelo seu gráfico. Pelo que foi dito anteriormente, a inversa da função cosseno será obtida de uma restrição de f tal que ela seja bijetora. Por convenção, utiliza-se o intervalo [0; π] como o novo domínio, e, para que a função seja sobrejetora, tomamos como contradomínio o conjunto dos valores permitidos para o argumento de f, ou seja, o intervalo [ 1; 1]. Desta forma, a função inversa do cosseno (x) = arccos(x) pode ser estabelecida e, por definição de função inversa, tem-se para esta função que o domínio é [ 1; 1] e o contradomínio é [0; π]. Definição. Definimos a função arco cosseno y = arccos(x) à função que associa cada número real do intervalo [ 1, 1] ao ângulo y, 0 y π. Simbolicamente, 3.7. Arco Seno Podemos facilmente verificar que a função f : R R definida por f (x) = sen(x) não é bijetora através do seu gráfico. A inversa da função seno é obtida se restringirmos f (x) = sen(x) de tal modo que ela seja bijetora. Por convenção, utiliza-se o intervalo [ π/; π/] como o novo domínio, e, para que a função seja sobrejetora, tomamos como contradomínio o conjunto dos valores permitidos para o argumento de f, ou seja, o intervalo [ 1; 1]. Desta forma, a função inversa do seno (x) = arcsen(x) pode ser estabelecida e, por definição de função inversa, tem-se para esta função que o domínio é [ 1; 1] e o contradomínio é [ π/; π/]. 107

28 Definição. Definimos a função arco seno y = arcsen(x) à função que associa cada número real do intervalo [ 1, 1] ao ângulo y, π/ y π/. Simbolicamente Arco Tangente Podemos facilmente verificar que a função definida por f (x) = tg(x) não é bijetora através do seu gráfico. A inversa da função tangente é obtida se restringirmos f (x) = tg(x) de tal modo que ela seja bijetora. Por convenção, utiliza-se o intervalo ] π/; π/[ como domínio, e, para que a função seja sobrejetora, tomamos como contradomínio o conjunto dos valores permitidos para o argumento de f, ou seja, o conjunto dos números reais. Desta forma, a função inversa da tangente (x) = arctg(x) pode ser estabelecida e, por definição de função inversa, tem-se para esta função que o domínio é R e o contradomínio é ] π/; π/[. Note que os extremos do intervalo, π/ e π/, são excluídos, pois, nesses pontos, a tangente não está definida. Definição. Definimos a função arco tangente y = arctg(x) à função que associa cada número real ao ângulo y, π/ < y < π/. Simbolicamente Arco Cotangente 108

29 Podemos facilmente verificar através do seu gráfico que a função definida por f (x) = cotg(x) não é bijetora. A inversa da função cotangente é obtida se restringirmos f (x) = cotg(x) de tal modo que ela seja bijetora. Por convenção, utiliza-se o intervalo ]0; π[ como domínio, e, para que a função seja sobrejetora, tomamos como contradomínio o conjunto dos valores permitidos para o argumento de f, ou seja, o conjunto dos números reais. Desta forma, a função inversa da cotangente (x) = arccotg(x) pode ser estabelecida e, por definição de função inversa, tem-se para esta função que o domínio é R e o contradomínio é ]0; π[. Note que os extremos do intervalo, 0 e π, são excluídos, pois, nesses pontos, a cotangente não está definida. Definição. Definimos a função arco cotangente y = arccotg(x) à função que associa cada número real ao ângulo y, 0 < y < π. Simbolicamente, 3.8 Equações Trigonométricas Uma grande parte das equações trigonométricas são ou ficamreduzidas a uma das seguintes equações fundamentais: 1. cos(α) = cos(β). sen(α) = sen(β) 3. tg(α) = tg(β) Teorema. Dados dois números reais α e β, o conjunto solução da equação cos(α) = cos(β) é Teorema. Dados dois números reais α e β, o conjunto solução da equação sen(α) = sen(β) é Teorema. Dados dois números reais α e β, o conjunto solução da equação tg(α) = tg(β) é 109

30 Exercícios Propostos 110

31 111

32 11

33 113

34 114