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1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA PARAÍBA COORDENAÇÃO DE MATEMÁTICA E ESTATÍSTICA CAMPUS JOÃO PESSOA Curso: Engenharia elétrica / Licenciatura em Química Disciplina: Cálculo Diferencial e Integral I / Cálculo Aplicado à Química Professora: Kalina Aires Material de aula: funções trigonométricas e suas inversas Arcos e Ângulos: Definição: Dados dois pontos distintos A e B sobre uma circunferência, esta fica dividida em duas partes, chamadas arco de circunferência. Se os pontos A e B coincidem, eles determinam dois arcos: um deles é o ponto, chamado arco nulo, e o outro é a própria circunferência, denominado arco de uma volta. Medidas de arcos: Para medirmos dois arcos AB e CD usamos duas unidades: o grau e o radiano. Grau (símbolo o ): Dividindo a circunferência em 360 partes iguais, cada parte mede 1 o . Ou seja, um arco de medida 1 o equivale a um arco unitário igual a 360 1 da circunferência. Radiano (símbolo rad): é um arco unitário que tem comprimento igual ao raio da circunferência que contém o arco a ser medido. Ou seja, dizer que um arco AB mede 1 rad, é equivalente a dizer que “esticando” o arco sua medida é igual a medida do raio da circunferência que o contém. Ciclo trigonométrico: Definição: Consideremos um sistema cartesiano ortogonal uOv, e uma circunferência de raio r =1, com origem no ponto A(1,0), e cujo sentido positivo, é o sentido anti-horário, a partir de A. Essa circunferência é denominada ciclo trigonométrico. Como o comprimento de uma circunferência qualquer é dado por r2C , temos que o comprimento dessa circunferência é igual a 2 rad, que equivale a 2 , já que rad1r . Vamos definir uma aplicação de IR sobre , de tal forma que, a cada número real x associemos um único ponto P da circunferência , da seguinte maneira: Se x = 0, então P coincide com A(1,0); 2 Se x > 0, então realizamos, a partir de A, um percurso de comprimento x, no sentido anti-horário, e marcamos P como ponto final do percurso. Se x < 0, então realizamos, a partir de A, um percurso de comprimento |x|, no sentido horário, e marcamos P como ponto final do percurso. Desta forma, temos que a cada número real x, é possível associar a sua imagem P no ciclo trigonométrico. Assim, temos: A imagem de 2 é B A imagem de 2 é B A imagem de é A A imagem de é A Notemos ainda que, se P é a imagem do número 0x , então P é também a imagem dos números: ,4x,2x,4x,2x,x 00000 etc. De uma forma geral, P é a imagem dos elementos do conjunto: ZZk,k2xx;IRx 0 Funções Circulares: Considerando ZZk , temos: Se x pertence ao 1º quadrante, então k2 2 xk20 ; Se x pertence ao 2º quadrante, então k2xk2 2 ; Se x pertence ao 3º quadrante, então k2 2 3 xk2 ; 3 Se x pertence ao 4º quadrante, então k22xk2 2 3 . Observação: No que segue, utilizaremos a notação 1OP e 2OP , para representar, respectivamente, a ordenada e a abscissa de um ponto P, na circunferência trigonométrica. Seno e Cosseno de um número real: Dado um número real x, seja P a sua imagem no ciclo, como mostra a figura: Definição: Denominamos seno de x, e indicamos por )x(sen , a ordenada 1OP . Definição: Denominamos cosseno de x, e indicamos por )xcos( , a abscissa 2OP . Função Seno: A função IRIR:f , que associa a cada número real x, o também real 1OPsenx , representada por senx)x(f , denomina-se função seno. O quadro abaixo mostra algumas características dessa função: Quadrante 1º 2º 3º 4º Arco 2 0 2 2 3 2 2 3 Sinal + + – – Variação 10 01 10 01 crescente decrescente decrescente crescente Gráfico: O gráfico dessa função é uma curva denominada senóide. Propriedades: Em relação à função f(x)= sen(x), temos que: 1) O D(f) = IR e Im(f) = [–1,1]. u x P1 P2 P O v 4 2) Sempre que somamos 2 a um determinado valor de x, a função seno assume o mesmo valor. Como 2 é o menor número positivo para o qual isso acontece, dizemos que o seu período é 2 , ou seja, .ZZke)f(Dx,)x(f)k2x(f 3) A função f é ímpar, visto que senx)x(sen 4) f é contínua em seu domínio. Função Cosseno: A função IRIR:f , que associa a cada número real x, o também real 2OP)xcos( , representada por xcos)x(f , denomina-se função cosseno. O quadro abaixo mostra algumas características dessa função: Quadrante 1º 2º 3º 4º Arco 2 0 2 2 3 2 2 3 Sinal + – – + Variação 01 10 01 10 decrescente decrescente crescente crescente Gráfico: O gráfico dessa função é uma curva denominada cossenóide. Propriedades: Em relação a função f(x)= cosx, temos que: 1) O D(f) = IR e Im(f) = [–1,1]. 2) A função f é periódica e seu período P é 2 . 3) A função f é par, visto que cosx = cos(–x). 4) f é contínua em seu domínio. Relação entre o seno e o cosseno: 5 Para todo x real, vale a relação: 1)x(cos)x(sen 22 . Prova: a) Se 2 k x , ZZk , a imagem de x é distinta de A, B, A e B . Então existe o triângulo retângulo OP2P. Portanto, 2 2 2 1 2 OPOPOP , ou seja, 1)x(cos)x(sen 22 . b) Se 2 k x , ZZk , então: x sen(x) cos(x) sen 2 (x) + cos 2 (x) 0 0 1 1 2 1 0 1 0 –1 1 2 –1 0 1 2 0 1 1 Função Tangente: Definição: Dado um número real x, k 2 x , ZZk , seja P sua imagem no ciclo. Consideremos a reta OP e seja T sua intersecção com o eixo das tangentes. Denominamos tangente de x, e indicamos por tg(x), a medida algébrica do segmento AT , conforme mostra a figura ao lado. A função IRD:f que associa a cada número real x, k 2 x , o real AT)x(tg , é denominada função tangente, e representada por )x(tg)x(f . Notemos que, para k 2 x , P está sobre B ou B , e então, a reta OP fica paralela ao eixo das tangentes, logo, não existe o ponto T. Neste caso a tg(x) não é definida. Em relação a função f(x)= tg(x) , temos: Quadrante 1º 2º 3º 4º Arco 2 0 2 2 3 2 2 3 Sinal + – + – Variação 0 0 0 0 crescente crescente crescente crescente 6 Gráfico: O gráfico dessa função é uma curva denominada tangentóide.Propriedades: 1) ZZk,k 2 x;IRx)f(D e Im(f)=IR. 2) A função tangente é periódica , e seu período é . 3) A função tangente é ímpar, já que tg(–x)= –tg(x). 4) f é contínua em seu domínio. Relação entre tangente, seno e cosseno: Para todo x real, k 2 x , ZZk , vale a relação: )xcos( )x(sen )x(tg . Prova: a) Se ZZk,kx , a imagem de x é distinta de A, B, A e B . Então, temos: |)xcos(| |)x(sen| |)x(tg| OP PP OA AT OPP~OAT 2 2 2 (1) Analisando o sinal, temos: (2) Quadrante Sinal de tg(x) Sinal de )xcos( )x(sen 1º + + 2º – – 3º + + 4º – – 7 De (1) e (2) concluímos que )xcos( )x(sen )x(tg . b) Se ZZk,kx , temos: )xcos( )x(sen )xcos( 0 0)x(tg Função Cotangente: Definição: Dado um número real x, kx , ZZk , seja P sua imagem no ciclo. Consideremos a reta OP e seja H sua intersecção com o eixo das cotangentes. Denominamos cotangente de x, e indicamos por cotg(x), a medida algébrica do segmento BH , conforme mostra a figura ao lado. A função IRD:f que associa a cada número real x, kx , o real BHgxcot , é denominada função cotangente, e representada por f(x)= cotg(x). Notemos que, para kx , P está em A ou A e então, a reta OP fica paralela ao eixo das cotangentes, logo, não existe o ponto H. Neste caso, a cotg(x) não é definida. Em relação a função f(x)=cotg(x) , temos: Quadrante 1º 2º 3º 4º Arco 2 0 2 2 3 2 2 3 Sinal + – + – Variação 0 0 0 0 decrescente decrescente decrescente decrescente Gráfico: 8 Propriedades: 1) ZZk,kx;IRx)f(D e Im(f)=IR. 2) A função cotangente é periódica , e seu período é . 3) A função cotangente é ímpar e contínua em seu domínio. Relação entre cotangente, seno e cosseno: Para todo x real vale a relação: )x(sen )xcos( )x(gcot . Prova: a)Se k 2 x , a imagem de x é distinta de A, B, A e B .Então, |)x(sen| |)xcos(| |)x(gcot| OP PP OB BH OPP~OBD 1 1 1 (1) Analisando o sinal, temos: (2) Quadrante Sinal de cotg(x) Sinal de )x(sen )xcos( 1º + + 2º – – 3º + + 4º – – Por (1) e (2), concluímos que: )x(sen )xcos( )x(gcot . b) Se k 2 x , temos: )x(sen )xcos( )x(sen 0 0)x(gcot . Função Secante: Definição: Dado um número real x, ZZk,k 2 x . Seja P a sua imagem no ciclo e s a reta tangente ao ciclo em P. Considere S a interseção da reta s com o eixo dos cossenos. Denominamos secante de x, e indicamos, sec(x), a abscissa OS do ponto S. S P2 u P O v s A B B x A 9 A função IRD:f que associa a cada número real x, k 2 x , o real OS)xsec( , é denominada função secante, e representada por )xsec()x(f . Notemos que, para k 2 x , P está em B ou B e então, a reta s fica paralela ao eixo dos cossenos. Neste caso, não existe o ponto S e a sec(x) não é definida. Em relação a função f(x) = sec(x) , temos: Quadrante 1º 2º 3º 4º Arco 2 0 2 2 3 2 2 3 Sinal + – – + Variação 1 1 1 1 crescente crescente decrescente decrescente Propriedades: 1) ZZk,k 2 x;IRx)f(D e Im(f)=IR – ] –1, 1 [. 2) A função secante é periódica , e seu período é 2 . 3) A função f é par e contínua em seu domínio. Gráfico: 10 Relação entre sec(x) e cos(x): Para todo x real, ZZk,k 2 x , vale a relação: )xcos( 1 )xsec( . Prova: a) Se kx , a imagem de x é distinta de A, B, A e B . Então, |)xcos(| 1 |)xsec(| OP OP OP OS POP~OPS 2 2 (1) Analisando o sinal, temos: (2) Quadrante Sinal de sec(x) Sinal de cos(x) 1º + + 2º – – 3º – – 4º + + Por (1) e (2), concluímos que: )xcos( 1 )xsec( . b) Se kx , então: )xcos( 1 1)xsec( , se k for par ou )xcos( 1 1)xsec( , se k for ímpar. Função Cossecante: Definição: Dado um número real x, ZZk,kx . Seja P a sua imagem no ciclo e s a reta tangente ao ciclo em P. Considere C a interseção da reta s com o eixo dos senos. Denominamos cossecante de x, e indicamos, cossec(x), a ordenada OC do ponto C. A função IRD:f que associa a cada número real x, kx , o real OC)xsec(cos , é denominada função cossecante, e representada por f(x)= cossec(x). Notemos que, para kx , P está em A ou A e então, a reta s fica paralela ao eixo dos senos. Neste caso, não existe o ponto C e a cossec(x) não é definida. Em relação a função f(x)=cossec(x) , temos: C P1 u P O v s A B B A x 11 Quadrante 1º 2º 3º 4º Arco 2 0 2 2 3 2 2 3 Sinal + + – – Variação 1 1 1 1 decrescente crescente crescente decrescente Gráfico: Propriedades: 1) ZZk,kx;IRx)f(D e Im(f) = IR – ] –1, 1 [. 2) A função cossecante é periódica , e seu período é 2 . 3) A função f é ímpar e contínua em seu domínio. Relação entre cossec(x) e sen(x): Para todo x real, ZZk,kx , vale a relação: )x(sen 1 )xsec(cos . Prova: a) Se k 2 x , então a imagem de x é distinta de A, B, A e B .Logo, |)x(sen| 1 |)xsec(cos| OP OP OP OC POP~OPC 1 1 (1) Analisando o sinal, temos: 12 (2) Quadrante Sinal de sec(x) Sinal de cos(x) 1º + + 2º + + 3º – – 4º – – Por (1) e (2), concluímos que: )x(sen 1 )xsec(cos . b) Se k 2 x , então: )x(sen 1 1)xsec(cos , se k for par ou )x(sen 1 1)xsec(cos , se k for ímpar. Outras relações entre as funções trigonométricas: Para todo x real, 2 k x , valem as relações: a) )x(tg 1 )x(gcot b) )x(sec1)x(tg 22 c) )x(seccos)x(gcot1 22 Prova: a) )x(tg 1 )xcos( )x(sen 1 )x(sen )xcos( )x(gcot . b) )x(sec )x(cos 1 )x(cos )x(cos)x(sen 1 )x(cos )x(sen 1)x(tg 2 22 22 2 2 2 . c) )x(seccos )x(sen 1 )x(sen )x(cos)x(sen )x(sen )x(cos 1)x(gcot1 2 22 22 2 2 2 Funções Trigonométricas Inversas: Função Inversa: Definição: Uma função f com domínio D e contradomínio R é uma função injetora, se, para todo 21 xx em D, temos )x(f)x(f 21 em R. 13 Definição: Uma função f com domínio D e contradomínio R é uma função sobrejetora, se, para todo IRy , existe um Dx tal que y = f(x). Definição: Uma função f com domínio D e contradomínio R é uma função bijetora, se é injetora e sobrejetora, isto é, se, para todo IRy , existe um único Dx tal que y = f(x). Exemplos: a) f(x)= x 2 não é bijetora, visto que, f(2) = f(–2) e 22 , por exemplo. b) f (x) = x 3 é uma função bijetora. Graficamente, temos que, se qualquer reta horizontal interceptar o gráfico da função f em mais de um ponto, então f não é bijetora. Se f é uma função bijetora com domínio D e contradomínio R, então, para cada número y em R, existe exatamente um número x em D tal que y = f(x). Como x é único, podemos definir uma função g de R em D tal que x = g(y), como mostra a figura. Definição: Seja f uma função bijetora com domínio D e contradomínio R. Uma função g com domínio R e contradomínio D é a função inversa de f, desde que a seguinte condição seja satisfeita: y = f(x) se, e somente se, x = g(y). Se uma função g é a função inversa de f então são válidas: a) g(f(x)) = x, para todo x em D; b) f(g(y)) = y, para todo y em R. Uma função bijetora f só pode ter uma função inversa. Se g é a função inversa de f, então f é a função inversa de g. Dizemos que f e g são funções inversas uma da outra. Costumamos representar g por 1f . O –1 usado nessa notação não é expoente, isto é, )x(f 1 )x(f 1 . Além disso, temos: domínio de 1f = contradomínio de f. ; contradomínio de 1f = domínio de f ; x))x(f(f 1 para todo x no domínio de f; x))x(f(f 1 para todo x no domínio de 1f . 14 Há uma relação interessante entre os gráficos de duas funções inversas. Notemos que, b=f(a) equivale a )b(fa 1 . Assim, o ponto (a,b) pertence ao gráfico de f, enquanto que, (b,a) pertence ao gráfico de 1f . Com isso, temos que os gráficos de f e 1f são reflexões um do outro em relação à reta y = x. Isto é característica de toda função f que tem uma função inversa 1f . A figura abaixo mostra os gráficos de duas funções inversas: Teorema: Se f é contínua e crescente em [a,b], então f admite uma função inversa 1f que é contínua e crescente em [f(a), f(b)]. (O mesmo vale substituindo crescente por decrescente). Funções Trigonométricas Inversas: Como as funções trigonométricas não são bijetoras, não admitem funções inversas. Mas, restringindo convenientemente os seus domínios, podemos obter funções bijetoras que tenham os mesmos valores das funções trigonométricas e que tenham funções inversas nesses domínios restritos. A inversa da Função Seno: Sabemos que o domínio da função seno é o conjunto IR e o conjunto imagem é o intervalo [–1,1]. Mas essa função não é bijetora, visto que, uma reta como 2 1 y intercepta o gráfico em mais de um ponto. Restringindo o seu domínio a 2,2 , como mostra a parte sólida do gráfico, obtemos uma função crescente que toma cada valor da função seno somente uma vez. Esta nova função, com domínio 2,2 e contradomínio [–1,1], é contínua e crescente, logo, admite uma função inversa, que também é contínua e crescente. 15 Esta função inversa tem domínio [–1, 1] e contradomínio 2,2 . Definição: A função inversa do seno, denotada arcsen , ou 1sen é definida como: y = arcsen(x) se, e somente se, x = sen y, para 2y2e1x1 . Gráfico: Assim, temos: Se 2 1 arcseny , então 2 1 seny e 2 y 2 . Logo, 6 y . Se 2 1 arcseny , então 2 1 seny e 2 y 2 . Logo, 6 y . Propriedades do arcsen(x): Das relações x))x(f(f 1 e x))x(f(f 1 , válidas para qualquer função inversa 1f , decorrem as seguintes propriedades: 1) sen(arcsenx) = x , se 1x1 . 2) arcsen(senx) = x , se 2 x 2 . Exemplos: a) 2 2 2 2 arcsensen , pois 1 2 2 1 ; b) 66 senarcsen , pois 262 ; 16 c) 3 5 2 3 arcsen 3 4 senarcsen , pois 3 4 não está entre 2 e 2 , logo, não podemos usar a propriedade 2 acima. A inversa da Função Cosseno: Restringindo o domínio da função cosseno ao intervalo ,0 , obteremos uma função contínua decrescente que tem uma função inversa contínua e decrescente. Observe a parte sólida do gráfico abaixo. Definição: A função inversa do cosseno, denotada arccos, ou cos -1 , é definida como: y = arccos(x) se, e somente se, x = cos y, para y0e1x1 . O domínio da função arco cosseno é [–1,1] e o contradomínio é o intervalo ,0 . Gráfico: Assim, temos: Se 2 3 arccosy , então 2 3 ycos e y0 . Logo, 6 y . Se 2 1 arccosy , então 2 1 ycos e y0 . Logo, 6 5 y . Propriedades do arccos(x): Sendo cos e arccos funções inversas uma da outra, valem as seguintes propriedades: 1) cos(arccosx) = x , se 1x1 . 2) arccos(cosx) = x , se x0 . 17 Exemplos: a) 2 2 2 2 arccoscos , pois 1 2 2 1 ; b) 6 5 6 5 cosarccos , pois 6 5 0 ; c) 32 1 arccos 3 cosarccos , pois 3 não está entre e0 , logo, não podemos usar a propriedade acima. A inversa da Função Tangente: Restringindo o domínio da função tangente ao intervalo 2 , 2 , obteremos uma função contínua crescente que tem uma função inversa contínua e crescente. Definição: A função inversa da tangente, denotada arctg, ou tg -1 , é definida como: y = arctg(x) se, e somente se, x = tg y, para todo x e 2y2 . O domínio da função arco tangente é IR e o contradomínio é o intervalo aberto 2 , 2 .18 Gráfico: Propriedades do arctg(x): São válidas as seguintes propriedades: 1) tg(arctgx) = x , para todo x 2) arctg (tgx) = x , se 2 x 2 . Exemplos: a) 1717arctgtg b) 33 tgarctg , pois 232 . c) 4 7 1arctg 4 3 tgarctg . A inversa da Função Secante: Existem muitas maneiras de restringir o domínio da função secante, de forma a obter uma função bijetora que tome os valores da função secante. Vamos restringir x aos intervalos 23,e2,0 , conforme mostra a parte sólida do gráfico, por tornar a fórmula de diferenciação da função inversa da secante mais simples. Definição: A função arco secante, denotada por arcsec (ou 19 sec –1 ), é definida como: y = arcsec x se, e somente se, x = sec y para 1x e y em 23,emou2,0 . Gráfico: Propriedades do arcsec(x): 1) sec(arcsecx) = x , se 1x . 2) arcsec(secx) = x , se 2 3 xou 2 x0 . Exemplos: a) 2)2sec(arcsec , pois | 2 |= 2 > 1. b) 6 7 6 7 secsecarc , pois 2 3 6 7 . c) 3 )2sec(arc 3 2 secsecarc . Observação: As funções inversas da cotangente e cossecante, representadas por arccotg e arccossec, respectivamente, podem se definidas de maneira análoga, bastando restringir os domínios da seguinte forma: o domínio da função cotangente ao intervalo ,0 ; o domínio da função cossecante ao intervalo 2 ,00, 2 . Bibliografia: IEZZI, Gelson ... [et al ] – Fundamentos de Matemática Elementar, volume 3 – São Paulo: Editora Atual, 1985. GIOVANNI, José Ruy ; José Roberto Bonjorno – Matemática:uma nova abordagem, vol. 2 – São Paulo : FTD, 2000. SWOKOWSKI. Earl W.,Cálculo com Geometria Analítica–Volume 1. São Paulo: Makron Books, 1994.
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