Lezioni05 e 08-03-10:Funzioni trigonometriche e loro inverse

FENOMENI PERIODICI E FUNZIONI
TRIGONOMETRICHE
Si definisce la funzione tangente, tanθ, (talvolta indicata
tgθ), nel modo seguente
tanθ =sinθ/cosθ
La funzione tangente non è definita dove si annulla il
coseno, quindi è definita per θ≠ π/2 +kπ per ogni k∈Z
tanθ è periodica di periodo π
tan(θ +kπ) = tanθ
La funzione tangente è una funzione dispari
tan(−θ) = −tanθ
FENOMENI PERIODICI E FUNZIONI
TRIGONOMETRICHE
tanθ è strettamente crescente in ciascun intervallo
(kπ - π/2, kπ + π/2) , per ogni k∈Z
tanθ è positiva in ciascun intervallo
(kπ , kπ + π/2) , per ogni k∈Z
Il grafico di tanθ ha un asintoto verticale nei punti di
singolarità
limθ→(π/2+k π)+ tanθ =−∞
limθ→(π/2+k π)- tanθ =+∞
L’insieme immagine è tutto R
Grafico della funzione tanx
Alcuni limiti:
limx→0 sinx/x = 1
Alcuni limiti:
limx→0 sinx/x = 1
Consideriamo il caso α→0+, analogo è il caso α→0-.
Con riferimento alla figura precedente, si osserva che
l’area del triangolo di vertici ABC, è minore dell’area
del settore circolare ABE, che a sua volta è minore
dell’area del triangolo ADE (essendo questi insiemi
contenuti uno dentro l’altro). Poiché l’area di un settore
circolare è proporzionale alla lunghezza dell’arco,
essendo l’area del cerchio unitario, sotteso ad un arco di
lunghezza 2π , uguale a π, la costante di proporzionalità
è 1/2 e quindi l’area del settore circolare ABE è α/2
Alcuni limiti:
limx→0 sinx/x = 1
1/2 sinα cosα < α/2 < 1/2 tan α
Dividiamo per sinα (che per α>0 è positivo) e
moltiplichiamo per 2
cosα < α/sinα < 1/cosα
Passiamo ai reciproci
cosα < sinα/α < 1/cosα
Da cui, per il teorema del confronto, otteniamo
limx→0+sin α/α = 1
Analogo risultato si ha per il limite sinistro
Alcuni limiti……
Dal precedente limite ricaviamo anche
limx→0 (1-cosx)/x2 = 1/2
Funzioni inverse: arcsinx
La funzione sinx non è iniettiva e quindi non può
essere globalmente invertibile, ma se la restringiamo a
opportuni intervalli, è possibile determinare una
funzione inversa.
Nell’intervallo [-π/2, π/2 ] la funzione seno è
strettamente crescente e quindi iniettiva, se
consideriamo come codominio l’intervallo [-1, 1]
possiamo definire la funzione inversa arcoseno,
arcsin: [-1, 1] → [-π/2, π/2 ]
arcsinx è l’unica soluzione nell’intervallo [-π/2, π/2 ]
dell’equazione sinθ =x
Grafico della funzione arcsinx
Funzioni inverse: arccosx
Analogamente,
considerando la funzione coseno
ristretta all’intervallo [0, π], dove è strettamente
decrescente, e con codominio l’intervallo [-1, 1],
otteniamo una funzione invertibile. Definiamo la
funzione inversa arcocoseno
arccos: [-1, 1]→ [0, π], arcocosx è l’unica soluzione
nell’intervallo [0, π] dell’equazione cosθ =x
Attenzione! L’equazione cosθ =x ha infinite soluzioni,
ma per θ∈ [0, π] la soluzione è unica.
Grafico della funzione arccosx
Funzioni inverse: arctanx
Infine,
considerando la funzione tanx ristretta
all’intervallo (-π/2, π/2), dove è strettamente crescente,
e con
codominio R,
otteniamo una funzione
invertibile.
Definiamo
la
funzione
inversa
arcotangente
arctan: R → (-π/2, π/2), arctanx è l’unica soluzione
nell’intervallo (-π/2, π/2), dell’equazione tanθ =x
Attenzione! L’equazione tanθ =x ha infinite soluzioni,
ma per θ∈ (-π/2, π/2), la soluzione è unica.
Grafico della funzione arctanx
FUNZIONI SINUSOIDALI
Diremo curva sinusoidale una curva ottenuta dal grafico
della funzione seno tramite traslazioni o moltiplicazioni
di ascisse e /o ordinate, la funzione di cui la curva è
grafico si dirà funzione sinusoidale.
FUNZIONI SINUSOIDALI
Una funzione sinusoidale è determinata da:
- il periodo (per seno e coseno 2π)
- l’ampiezza, data da (M-m)/2, dove M è il valore
massimo, ed m è il valore minimo, è, quindi, metà
dell’intervallo di variazione (per seno e coseno è 1)
- il valor medio, dato da (M+m)/2, punto centrale
dell’intervallo di variazione, (per seno e coseno è 0)
- la fase, primo punto non negativo in cui la funzione
assume valore massimo M (per il coseno la fase è 0, per
il seno la fase è π/2)
FUNZIONI SINUSOIDALI: UN ESEMPIO
Una popolazione di uccelli varia stagionalmente da un
minimo di circa 1000 (inizio aprile) individui ad un
massimo di circa 1500 (inizio ottobre). Cerchiamo una
funzione sinusoidale che rappresenti questo andamento in
funzione dei giorni dell’anno.
La funzione sinusoidale che cerchiamo deve avere:
Periodo 365 giorni
Ampiezza (1500-1000)/2 = 250 e valor medio
(1500+1000)/2 =1250
Fase : il primo massimo si ha all’inizio di ottobre, quindi
il giorno 274
FUNZIONI SINUSOIDALI: UN ESEMPIO
Partiamo dalla funzione cosx e modifichiamo il periodo
per passare dall’intervallo [0, 2π] all’intervallo [0, 365]
cos[(2π/365)x]
Sistemiamo la fase, perché la precedente funzione ha il
primo massimo in 0, mentre la funzione che cerchiamo
deve averlo in 274
cos[(2π/365)(x - 274)]
Sistemiamo l’ampiezza, la funzione precedente ha
ampiezza 1, quella che cerchiamo deve avere ampiezza
250
250cos[(2π/365)(x - 274)]
FUNZIONI SINUSOIDALI: UN ESEMPIO
Il valore massimo deve essere 1500, la funzione
precedente ha valore massimo 250, quindi la funzione che
cerchiamo è
250cos[(2π/365)(x - 274)] + 1250
1250 è il valor medio
A questa funzione corrisponde valore minimo giusto
1000, assunto per x*= 91.5, quindi inizi aprile come deve
essere. Per avere 0 ≤ x*≤ 365 basta porre
(2π/365)(x - 274) = (2k +1)π
FUNZIONI SINUSOIDALI
In generale, se cerchiamo una funzione sinusoidale di
periodo P, ampiezza A, valor medio y*, fase F, avremo,
analogamente a quanto visto nell’esempio precedente,
una funzione
f(x) = Acos[(2π/P)(x-F)] + y*
Il numero f= 1/P è chiamato frequenza della funzione
La quantità ω=2π/P viene detta frequenza angolare della
funzione, e, talvolta la funzione sinusoidale è espressa
come f(x) = Acos[ω(x-F)] + y*