Secante, cossecante, cotangente e identidades pitagóricas

Indica o valor de uma função trigonométrica e um quadrante, e a página encontra o ângulo, o valor da outra função através da identidade que as liga, e as quatro restantes a partir do ponto P. Ou arrasta o ângulo e vê sec θ, csc θ e cot θ mudarem como comprimentos na figura.

Secante, cossecante, cotangente
Identidade pitagórica
Dividida por cos²θ
Dividida por sin²θ
A carregar a simulação interativa...

Lição

A teoria — Secante, cossecante, cotangente e identidades pitagóricas

As funções secante, cossecante e cotangente são sec θ = 1/cos θ, csc θ = 1/sin θ e cot θ = cos θ/sin θ, cada uma definida onde o denominador não é zero. As identidades pitagóricas sin²θ + cos²θ = 1, 1 + tan²θ = sec²θ e 1 + cot²θ = csc²θ verificam-se em todos os ângulos onde ambos os membros estão definidos.

De onde vem a fórmula

  1. Parte da circunferência. P = (cos θ, sin θ) está à distância 1 de O em qualquer ângulo, logo cos²θ + sin²θ = 1 em todos os quadrantes. Os quadrados não veem os sinais, e é por isso que o triângulo de catetos |cos θ| e |sin θ| dá a mesma equação.
  2. Divide por cos²θ, ou por sin²θ. Cada divisão é permitida exatamente onde as novas funções estão definidas.
  3. Extrai a raiz e depois escolhe o sinal. Uma identidade dá o quadrado da incógnita, por isso fixa o seu valor absoluto; o quadrante fixa o sinal.
Pressupõe
Cada identidade só se verifica onde as suas funções estão definidas: a segunda falha nos múltiplos ímpares de 90°, a terceira nos múltiplos de 180°.

Problemas resolvidos na íntegra

  1. Dado o seno de um ângulo obtuso 2 passos

    sin θ = 3/5 e θ é obtuso. Determina exatamente as outras cinco funções.

    Abrir este problema na ferramenta

    1. Um ângulo obtuso fica no quadrante II, onde o cosseno é negativo. De sin²θ + cos²θ = 1:

    2. As outras quatro são quocientes e inversos:

    Resposta

    cos θ = −4/5, tan θ = −3/4, sec θ = −5/4, csc θ = 5/3, cot θ = −4/3.

  2. Da tangente à secante 2 passos

    tan θ = −12/5 e 270° < θ < 360°. Determina sec θ, cos θ e sin θ.

    Abrir este problema na ferramenta

    Mostrar solução
    1. No quadrante IV o cosseno é positivo, e a secante também. De 1 + tan²θ = sec²θ:

    2. Depois, cos θ é o inverso, e sin θ = tan θ · cos θ:

    Resposta

    sec θ = 13/5 = 2,6, cos θ = 5/13 ≈ 0,3846, sin θ = −12/13 ≈ −0,9231.

  3. Da cotangente à cossecante 2 passos

    cot θ = 3/4 e 180° < θ < 270°. Determina csc θ, sin θ e cos θ.

    Abrir este problema na ferramenta

    Mostrar solução
    1. No quadrante III o seno é negativo, e a cossecante também. De 1 + cot²θ = csc²θ:

    2. Depois, sin θ é o inverso, e cos θ = cot θ · sin θ:

    Resposta

    csc θ = −5/4, sin θ = −4/5, cos θ = −3/5.

  4. Valores exatos a 30° 3 passos

    Determina exatamente sec 30°, csc 30° e cot 30°.

    Abrir este problema na ferramenta

    Mostrar solução
    1. Metade de um triângulo equilátero de lado 2 tem lados 1, √3 e 2, logo

    2. Inverte e racionaliza o denominador:

    3. Confirma com a segunda identidade:

    Resposta

    sec 30° = 2√3/3 ≈ 1,1547, csc 30° = 2, cot 30° = √3 ≈ 1,7321.

  5. Simplificar com duas identidades 2 passos

    Simplifica (1 − cos²θ)(1 + cot²θ).

    Mostrar solução
    1. Cada parêntese é um membro de uma identidade; substitui-o pelo outro membro:

    2. e csc θ = 1/sin θ:

    Resposta

    1, em todos os ângulos que não sejam múltiplos de 180°, onde cot θ não está definida.

  6. Uma demonstração com a identidade fatorizada 3 passos

    Mostra que 1/(sec θ − tan θ) = sec θ + tan θ e verifica-o em θ = 60°.

    Abrir este problema na ferramenta

    Mostrar solução
    1. Multiplica o numerador e o denominador por sec θ + tan θ:

    2. Por 1 + tan²θ = sec²θ, o denominador é 1:

    3. A 60°, sec θ = 2 e tan θ = √3:

    Resposta

    Os dois membros são iguais onde quer que estejam definidos; a 60° ambos valem 2 + √3 ≈ 3,7321.

  7. Um valor que nenhum ângulo tem 2 passos

    Determina todos os ângulos com sec θ = 1/2.

    Abrir este problema na ferramenta

    Mostrar solução
    1. sec θ = 1/2 significaria

    2. mas cos θ é uma coordenada de um ponto de uma circunferência de raio 1, logo |cos θ| ≤ 1 e, portanto,

    Resposta

    Não há nenhum: sec θ e csc θ nunca tomam um valor estritamente entre −1 e 1. O exemplo recusa 1/2 e mantém θ em 60°, onde o inverso vai no sentido contrário: cos θ = 1/2 e sec θ = 2.

  8. Eliminar o parâmetro 2 passos

    Uma curva é dada por x = 3 sec t, y = 2 tan t. Determina a sua equação cartesiana.

    Mostrar solução
    1. Isola as duas funções:

    2. e substitui-as em sec²t − tan²t = 1:

    Resposta

    x²/9 − y²/4 = 1, uma hipérbole. Como |sec t| ≥ 1, todos os seus pontos têm |x| ≥ 3.

Três identidades são um triângulo em três tamanhos 🖖

O triângulo OMP tem catetos |cos θ| e |sin θ| e hipotenusa 1, e Pitágoras aplicado a ele é sin²θ + cos²θ = 1. Amplia-o pelo fator 1/|cos θ| e os lados passam a 1, |tan θ| e |sec θ|, os do triângulo OAT, assente na tangente x = 1. Pitágoras em OAT dá 1 + tan²θ = sec²θ. Amplia antes por 1/|sin θ| e os lados passam a 1, |cot θ| e |csc θ|, os de OBS sobre a reta y = 1, o que dá 1 + cot²θ = csc²θ. Em álgebra, a ampliação é dividir a primeira identidade por cos²θ ou por sin²θ: vale a pena decorar uma identidade, e as outras duas são uma linha de cálculo. A figura mostra também onde cada uma falha: a 90° a reta OP é paralela a x = 1 e OAT fica sem terceiro vértice. Thomas Fincke introduziu os termos tangente e secante na sua Geometriae rotundi, de 1583; em latim significam que toca e que corta, e AT está numa reta que toca a circunferência, enquanto OT está numa que a atravessa.

√(1 − sin²θ) não é cos θ 🖖

Carrega em sin θ = 3/5, quadrante II. A identidade dá cos²θ = 1 − 0,36 = 0,64, e 0,64 tem duas raízes quadradas. O símbolo de raiz designa a positiva, por isso √(1 − sin²θ) é |cos θ|, e escrever cos θ = √(1 − sin²θ) está errado para qualquer ângulo dos quadrantes II e III. Aqui cos θ = −0,8. A identidade fixa o valor absoluto e só o quadrante fixa o sinal; é por isso que o enunciado tem de dizer onde fica θ, como faz «θ é obtuso». Com o valor ainda em 0,6, clica em I: θ passa para 36,8699° e cos θ passa a +0,8. Clica em III e a página recusa, porque aí o seno é negativo.

Perto de 90°, sec θ e tan θ são enormes e quase iguais 🖖

Carrega em θ = 89°: tan θ = 57,29 e sec θ = 57,2987, a apenas 0,0087 uma da outra. Tão perto de 90°, não se podem afastar, e a razão é a segunda identidade. Escrita como sec²θ − tan²θ = 1 e fatorizada, diz que (sec θ − tan θ)(sec θ + tan θ) = 1, pelo que a diferença é exatamente 1 a dividir pela soma, e 1/114,5887 ≈ 0,0087. Arrasta θ para mais perto de 90° e a soma cresce sem limite enquanto a diferença encolhe para 0; nos próprios 90°, nenhuma das funções está definida. A forma fatorizada é também o passo de uma demonstração clássica: 1/(sec θ − tan θ) = sec θ + tan θ, porque multiplicar o numerador e o denominador por sec θ + tan θ deixa o denominador igual a 1.

Percurso de aprendizagem

Identidades e equações trigonométricas

Referências (2)