FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría APLICACIÓN DE TRIGONOMETRÍA EN TRIÁNGULOS RECTÁNGULOS Otro de los conceptos que aplicamos para dar solución a las situaciones planteadas es el de ÁNGULO DE ELEVACIÓN Y ÁNGULO DE DEPRESIÓN Línea Visual α Línea Horizontal Ángulo de Elevación Es el ángulo α que forma la línea visual, que “sale” del ojo de un observador, que mira hacia arriba, y la línea horizontal correspondiente. Línea Horizontal β Línea Visual Ángulo de Depresión Es el ángulo β que forma la línea visual, que sale del ojo de un observador que mira hacia abajo, y la línea horizontal. Página 102 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría Resolución de Triángulos Rectángulos Situación Problemática Un hombre de 1,80m de altura, ubicado a 15 m de un árbol quiere conocer su altura. El ángulo de elevación al extremo superior del árbol es 20º. Determine la altura del árbol. Conocemos (datos) - el ángulo de elevación α= 20º - la distancia desde el hombre al árbol D = 15m - la altura de la persona A=1,8m Se pide (incógnitas) - la altura del árbol (H) DESARROLLO 1º construimos una figura de análisis: N x α M P H 1,8 m d Página 103 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría Planteamos la expresión que permitirá determinar lo desconocido (H): H = x + 1,80 (1) En (1) desconocemos “x” que es el cateto opuesto al ángulo α (dato) del triángulo rectángulo MNP. Por otra parte conocemos D que es el cateto adyacente del triángulo. La razón trigonométrica del ángulo α que relaciona ambos catetos es: tg 20º = x → x = 15 . tg 20º = 15. 0,36 15 x = 5,40m Reemplazando (2) en (1): (2) H= 5,40m + 1,80 m = 7,20m Página 104 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría CIRCUNFERENCIA TRIGONOMETRICA Considerando un sistema de ejes cartesianos, es posible representar cada una de las razones trigonométricas por medio de segmentos. Para ello se considera una circunferencia de radio unidad centrado en el origen de coordenadas, llamada “circunferencia trigonométrica”. En ella podremos analizar que sucede con los valores de las razones trigonométricas cuando el valor del ángulo esta comprendido entre 0º y 360º( 0 a 2 π rad) De este modo podremos resolver situaciones problemáticas que son modelizadas por triángulos oblicuos Considere un ángulo, θ , con vértice en el origen de coordenadas, el lado fijo sobre el eje de las abscisas y el lado móvil en el primer cuadrante. Sea P(x,y) un punto sobre la circunferencia determinado por la intersección del lado móvil del ángulo con la circunferencia. P(x,y) La proyección del punto P sobre el eje x, 1 determina el punto Q. El triángulo POQ es un θ 0 y x Q(x,0) triángulo rectángulo con catetos de longitudes x e y. Por la definición se tiene que: sen θ = cateto opuesto hipotenusa = PQ OP y =y 1 = ⇒ y = sen θ El valor de senθ está representado por la ordenada del punto P cos θ = cateto adyacente hipotenusa = OQ OP = x = x → x = cos θ 1 El valor de cos θ está representado por la abscisa del punto P tg θ = cateto opuesto cateto adyacente = PQ OQ = y x → tg θ = y x con x ≠ 0 El valor de tgθ es el cociente entre la ordenada y la abscisa de P Página 105 FRT - UTN • MATEMATICA - Trigonometría SIGNOS DE LAS RAZONES TRIGONOMÉTRICAS Los signos de las razones trigonométricas tienen que ver con las abscisas y ordenadas del punto P, y estas coordenadas tendrán distintos signos según en que cuadrante esté ubicado P. Cuadrante “x” “y” P y Seno y cosec. Coseno y sec. Tangente/cotg. x〉0 ; y〉0 + + + x〈0 ; y〉0 + - - - - + - + - x a P y x x〈0 ; y〈0 x y P x〉0 ; y〈0 x y Página 106 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría Ejemplo Determine el cuadrante en que se encuentra el ángulo α en cada uno de los siguientes casos: a) sen α < 0 y cos α > 0 b) tg α < 0 y cos α < 0 c) sec α < 0 y cosec < 0 Respuestas: a) α ∈ 4º cuadrante • b) α ∈ 2º cuadrante c) α ∈ 3º cuadrante VALORES DE LAS RAZONES TRIGONOMÉTRICAS DE ÁNGULOS NOTABLES. 0 π 6 π π π π 2π 0 3π 2 -1 4 3 2 1 sen α 0 1 = 0,5 2 2 = 0,7 2 3 = 0,86 2 cos α 1 3 = 0,86 2 2 = 0,7 2 1 = 0,5 2 0 -1 0 1 tg α 0 3 = 0,57 3 1 3 = 1,73 ∃/ 0 ∃/ 0 cosec α ∃/ 2. 3 = 1,15 3 1 ∃/ -1 ∃/ sec α 1 2. 3 = 1,15 3 ∃/ -1 ∃/ 1 cotg α ∃/ 3 = 1,73 0 ∃/ 0 ∃/ 2 2 = 1,41 2 = 1,41 1 2 3 = 0,57 3 0 Página 107 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría RELACIONES TRIGONOMÉTRICAS A partir de los resultados anteriores y aplicando el Teorema de Pitagóras en el triángulo POQ se tiene que: 2 2 PQ + OQ = OP 2 de lo que se deduce que: sen 2 α + cos 2 α = 1 (1) Llamada RELACION FUNDAMENTAL O RELACION PITAGÓRICA Y como tgα = PQ se tiene que OQ tgα = sen α cos α Además a partir de la relación (1) podemos deducir otras relaciones. senα = ± 1 cos 2 α cos α = ± 1 sen 2 α Si en la expresión (1) dividimos ambos miembros por sen2 α se tendrá que: sen 2 α + cos 2 α 1 = 2 sen α sen 2 α por lo que 1 + cot g 2 α = cos ec 2 α Si en la expresión (1) dividimos ambos miembros por cos2 α : sen 2 α + cos 2 α 1 = 2 cos α cos 2 α por lo que tg 2 α + 1 = sec 2 α Entonces se tienen las siguientes relaciones 1 + cot g 2 α = cos ec 2 α tg 2 α + 1 = sec 2 α Página 108 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría APLICACIÓN DE RELACIONES TRIGONOMÉTRICAS: Identidades Trigonométricas Las identidades trigonométricas son igualdades que involucran relaciones trigonométricas, verificables para cualquier valor permitido de la variable o variables que se consideren (es decir, para cualquier valor que pudieran tomar los ángulos sobre los que se aplican las relaciones). Estas identidades son útiles para: - simplificar expresiones que incluyen funciones trigonométricas - en el cálculo de integrales de funciones no-trigonométricas. Ejemplo Demostrar la siguiente identidad trigonométrica. Respuesta: sec 2 x.(cos ec 2 x − 1) = cos ec 2 x sec 2 x.(cos ec 2 x − 1) = cos ec 2 x 2 2 1 1 2 . − 1 = cos ec x cos x senx 1 1 − sen 2 x = cos ec 2 x . 2 2 cos x sen x 1 cos 2 x . = cos ec 2 x 2 2 cos x sen x 1 = cos ec 2 x sen 2 x cos ec 2 x = cos ec 2 x Página 109 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría TRABAJANDO CON LAS RAZONES TRIGONOMÉTRICAS Problema Directo y Problema Inverso Problema Directo: A partir de un determinado ángulo α, determinar el valor de las razones trigonométricas. Ejemplo: Si determine el valor del La calculadora debe estar preparada para trabajar en sistema sexagesimal (DEG) Problema Inverso: Conocido el valor de una razón trigonométrica, queremos calcular el valor del ángulo. Con frecuencia se nos presenta el problema de determinar los ángulos de un triángulo conocidos los lados del mismo, tal como se plantea en la siguiente situación. EJEMPLO Uno de los extremos de una escalera de 6 m de longitud se apoya sobre un edificio mientras que el otro extremo lo hace sobre un muro distante 3m de la base del edificio. ¿Cuál es el ángulo de elevación de la escalera? 6m α 3m 1 Se tiene entonces que cos α = = 6m 2 3m Por lo tanto , según los valores de la tabla de la pag. 108, α= π 3 rad Página 110 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría REDUCCIÓN AL PRIMER CUADRANTE El estudio que sigue se basa en la simetría de los puntos de los distintos cuadrantes, respecto a los ejes de coordenadas y al centro. • El ángulo se encuentra en el segundo cuadrante sen(180-x) = sen x cos(180º-x)= - cos x tg(180º-x)= - tgx cosec(180º-x)= cosec x sec (180º-x)= - sec x cotg(180º-x)= - cotg x Ejemplos a) Determinar cos 150º Como entonces b) Encontrar los ángulos menores de un giro tal que sen x = 0,342 Despejando x se tiene x = arc sen 0,342 = 20º (valor obtenido usando la calculadora) Pero como sen(180º-x) = sen x , entonces el otro ángulo que tiene el mismo seno que 20º es 160º Las soluciones son x1 = 20º y x2 = 160º Página 111 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría El ángulo se encuentra en el tercer cuadrante sen(x-180º) = - sen x cos( x-180º)= - cos x tg( x-180º)= tg x cosec(x-180º)= - cosec x sec (x-180º)= - sec x cotg(x-180º)= cotg x Ejemplos a) Determinar tg 235º b) Encontrar los ángulos menores a un giro tal que tg x = 11,43 Despejando x se tiene que x = arctg 11,43 = 85º (valor obtenido usando la calculadora) Pero como tg(x+180º)= tg x se tiene que el otro ángulo que tiene la misma tangente es 85º + 180º = 265º Las soluciones son x1 = 85º y x2 = 265º Página 112 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría • El ángulo se encuentra en el cuarto cuadrante sen(360º -x )= - sen x cos(360º -x )= cos x tg(360º -x )= - tg x cosec(360º -x )= - cosec x sec (360º -x )= sec x cotg(360º -x )= - cotg x Ejemplos a)Determinar sen 300º b) Encontrar los ángulos menores a un giro tal que cos x = 0,656 Despejando x se tiene x = arccos0,656 = 49º Pero hay otro angulo con el mismo coseno, cos(360º -x )= cos x, entonces 360º – 49º = 311º Las soluciones son x1 = 49º y x2 = 311º Página 113 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría TRIÁNGULOS OBLÍCUOS (oblicuángulo ó no rectángulos)1 Para la resolución de estos triángulos se emplean los siguientes teoremas: Teorema del Seno En cualquier triángulo, las longitudes de los lados son proporcionales a los senos de los ángulos opuestos correspondientes. B a ∧ sen A = b ∧ sen B = c ∧ sen C a c A b C Se emplea cuando se conocen un lado y dos ángulos ó dos lados y el ángulo opuesto a uno de esos lados. EJEMPLO Calcula a qué altura está la estrella. d H 70º H sen70º = ; d 55º 500 km H = d.sen 70º = 451,9. sen 70º ≅ 424,7mm ∧ ∧ ∧ D + 70º + 55º = 180º ; 500 d = sen 65º sen 55º . 1 ∧ D = 180º - 70º - 55º ; ; d= ∧ D = 65º 500.sen55º → d ≅ 451,9m sen65º TRIÁNGULOS OBLÍCUOS son los triángulos que no tienen ningún ángulo recto Página 114 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría Teorema del Coseno En cualquier triángulo ABC se tiene: B ∧ a 2 = b 2 + c 2 - 2. b . c. cos A ∧ b 2 = a 2 + c 2 - 2. a . c. cos B ∧ c 2 = a 2 + b 2 - 2. a . b. cos C a c A C b En forma directa se emplea cuando se conocen dos lados y el ángulo comprendido pero también puede usarse en el caso indirecto cuando se conocen los tres lados y se desean calcular los ángulos del triángulo. EJEMPLO Se desea construir un túnel a través de una montaña. Un topógrafo realizó las mediciones que se muestran en el dibujo. Determine la longitud del túnel. 136 m 78,5º 84 m Página 115 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría Una aplicación del Teorema del Coseno es la fórmula de Herón Fórmula de Herón2 El área de un triángulo ABC está dad por: S= con: p .(p − a) . (p − b) . (p − c) p= B a c a+b+c 2 A C b Se aplica cuando se conocen los tres lados del triángulo. EJEMPLO Los vecinos de un barrio cerrado de Yerba Buena proponen la construcción de un Parque Familiar Recreativo en sus adyacencias. El terreno sugerido para tal fin es de forma triangular y los frentes del mismo en las tres calles adyacentes son de 125m, 104m y 156m. Determine el área del lote. Desarrollo determine p: aplique la fórmula de Herón, el área del parque es: 2 Herón (o Hero) de Alejandría (aproximadamente año 10 dC. - alrededor de los años 70) fue un ingeniero griego, que se destacó en Alejandría (provincia romana de Egipto). Página 116 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría TRABAJO PRÁCTICO TRABAJANDO CON ÁNGULOS Y ARCOS 1- Une con una flecha la 1º y 2º columna según corresponda. Considera π = 3,14 Sistema Sexagesimal 42º 29’ 36’’ 150º Sistema Circular 2,54 rad 36º 18’ 5 π 9 270º 0,63 rad 146º 36’ 100º 2) 5 π 6 2,61 rad = 4,71 rad= 3 π 2 0,74 rad Se desea construir un cantero rectangular coronado en un extremo por un arco de circunferencia con centro en A , tal como se muestra en la figura. Determine la longitud del arco si α A ∧ α =120º. 2m 3) En la figura, la medida del segmento AB es: a) b) c) d) 2+ 3 2− 3 2 1 Página 117 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría TRABAJANDO CON TRIÁNGULOS 6) En la figura siguiente, la medida del lado x puede hallarse aplicando…………………. a) Teorema de Pitágoras b) Definición de seno c) Teorema del coseno d) Teorema del seno Justifica tu respuesta 7) En el triángulo de la figura siguiente, el valor de h es………………….. a) 15. 3 3 b) 15. 3 2 c) 15 . 3 d) 15. 2 3 Justifica tu respuesta. 8) Para hallar el valor del ángulo α de la figura siguiente, debemos aplicar…………… a) definición de tangente b) teorema del coseno c) definición de secante d) definición de seno Justifica tu respuesta 9) La altura de una torre es de 35m. Calcule la distancia entre las dos posiciones sucesivas de un observador, de 1,80 m de altura si : α = 50° a) y β = 32°. b) Página 118 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría 10) Desde un punto situado en una línea horizontal a 452m de la base de un edificio se encuentra que el ángulo de elevación de la terraza del mismo es de 32º10'. Calcule la altura del edificio. 11) La distancia entre dos edificios A y B es de 120 mts. Si el edificio A mide 98 mts de altura y el ángulo de elevación desde el punto más alto del edificio A al punto más alto del edificio B es de 31º, halle la altura del edificio B. 12) Un helicóptero viaja de una ciudad hacia otra, distantes entre si 40 km. En un determinado momento, los ángulos que forman las visuales, desde el helicóptero hacia las ciudades, con la horizontal son de 14º y 26º respectivamente. a) A que altura esta el helicóptero b) Qué distancia hay entre el helicóptero y cada una de las ciudades? 13) Desde el extremo más lejano del patio de una escuela, los ángulos de elevación para observar el pie y el extremo de un mástil, colocado sobre el edificio son de 60º y 65º respectivamente. Calcular la altura del edificio sabiendo que la longitud del mástil es de 3 metros. 14) Resuelva los siguientes triángulos oblicuángulos y calcular sus áreas Sugerencia: Considere para la resolución, que los ángulos α ,β , γ son opuestos a los lados a, b, c, respectivamente. a) 15) b) c) Calcule CM B ; ; M γ α C A C 16) Para construir un túnel en una montaña que una las localidades P y T se Página 119 FRT - UTN desea determinar su longitud. MATEMATICA - Trigonometría Para ello se elige un punto C verse ambas localidades , midiéndose : TC = 370m , desde donde pueden PC = 442 m y el ángulo TCP = 108° Calcule la longitud del túnel. 17) Se desea calcular la altura de la torre, para ello se miden los ángulos de elevación desde los puntos A y B. Con los datos de la figura tenemos que: 18) Al instalar una antena sobre un terreno inclinado, como muestra la figura siguiente, los cables que la sostienen forman un ángulo de 40º con el mástil. Halle las longitudes x y y de los cables, teniendo en cuenta que la antena es vertical 19) Tres pueblos A,B y C, están unidos por carreteras rectas. La distancia entre A y C es de 10 Km; a los pueblos B y C los separa 9 Km. El ángulo que forman las carreteras que unen A con B y B con C es de 120°. Calcula la distancia entre A y B. 20) En una plazoleta de forma triangular, los lados miden 70 m, 85 m y 40 m. Determina la amplitud de los ángulos que determinan las esquinas de la misma. Página 120 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría PROBLEMAS DE APLICACIÓN a la INGENIERÍA y ARQUITECTURA 21) Determine el valor de las componentes horizontal y vertical de cada fuerza: F1 F2 60º 50º F3 F4 F1 = 60 kg F2 = 40 kg F3 = 80 kg F4 = 50 kg 22) Halle la magnitud de la fuerza mínima F F necesaria para subir por un plano inclinado 20º respecto a la horizontal, un cajón con herramientas que tiene un peso P= 300 Kg. No considere rozamiento 20º P entre el cuerpo y el plano. Como ayuda te damos la figura de análisis y el siguiente dato: F = - FH F FH α= 20º P Página 121 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría 23) Se desea construir un puente sobre un río, que mide 10 m de ancho, de manera que quede a una altura de 2 m sobre el agua y que las rampas de acceso tengan una inclinación de 20º. ¿Cuál debe ser la longitud de la baranda?, ¿a qué distancia del cauce se situará el comienzo de la rampa? 24) La siguiente figura muestra el detalle de una unión de vigas de la cubierta de un techo de dos aguas. Se considera que la misma recibe, en el nudo, un peso P= 80 kg el que deberá ser soportado por los tirantes A y B que forman ángulos de 50º con la vertical. Determine la fuerza que soportan ambos tirantes. A B 25) En el contrafrente de una vivienda, a 40m de la línea municipal, se proyecta la construcción de un departamento. Determine cuánto habrá que levantar el terreno en esa zona para tener una adecuada evacuación de las aguas pluviales y cloacales. Considere un ancho de vereda de 3m y recuerde que la pendiente aconsejada de los desagues es del 2%. 3m 40m Página 122 FRT - UTN 26) MATEMATICA - Trigonometría Termas de Río Hondo tiene una población de 27838 habitantes. Allí se proyecta la construcción de un parque en un predio de forma triangular de 1590m, 1680m y 1770m. Según códigos urbanísticos, cada 100 habitantes debe haber 0,405 hectáreas3 de espacio libre.¿ Es suficiente este parque para la población de Termas? 27) En el parque construido en Termas, se van a colocar juegos infantiles. El encargado de hacerlos necesita conocer la longitud que van a tener las escaleras de los toboganes si sabe que los mismos tendrán 5 m de bajada y que formarán un ángulo de 20º con la horizontal. ¿Lo ayudas? 28)En un estudio de arquitectura está realizando la remodelación del salón auditorio de un Centro Cultural. Una persona ubicada en la butaca central de la primera fila está a 11 m de la pantalla de 16m de largo y la ve bajo un ángulo α. d 11m Determina a que distancia “d” deberán ubicar la primera fila para mejorar la visibilidad si se sabe que para ello el ángulo debe ser el doble que el anterior. 3 Recuerda que 1 ha = 10.000 m2. ¡Repasar Sistemas de Medición! Página 123 FRT - UTN 29) MATEMATICA - Trigonometría Para iluminar la pista de tenis de un club, se va a colocar una fila de tubos fluorescentes (en la figura comienza en O) protegidos por un portalámparas longitudinal. ¿Con qué ángulo deberá colocarse el portalámparas para que los rayos de luz iluminen exactamente la pista. 0 7m α A 3m B 10m C Página 124 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría APÉNDICE Para resolver la situación planteada al iniciar el capítulo, como tantas otras que se presentan en la vida diaria, vamos a repasar algunos conceptos: ÁNGULOS INTERIORES DE UN POLÍGONO “La suma de los ángulos interiores de un polígono se calcula así: Suma áng.int = 180º.(n - 2) α β n = número de lados del polígono δ θ ω En este caso: α + β + δ + θ + ω = 180º.(5 − 2) = 180º.3 = 540º La suma de los ángulos interiores de un triángulo es 180º EJEMPLO Determine la medida de los ángulos α y β del triángulo que se indica. α + β + 50º = 180º 50º α=2x - 68º β=3x+13º (2x − 68º ) + (3x + 13) + 50º = 180º 5x − 5º = 180º 5x = 185º → x = 37º Entonces, α = 2x - 68º = 2. 37º - 68º = 6º ; β = 3x + 13º = 3. 37º + 13º = 124º Página 125 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría TEOREMA DE PITÁGORAS Pitágoras de Samos fue un filósofo griego que vivió alrededor del año 530 a.C., residiendo la mayor parte de su vida en la colonia griega de Crotona, en el sur de Italia. De acuerdo con la tradición fue el primero en probar la afirmación (teorema) que hoy lleva su nombre. “ En todo triángulo rectángulo, la hipotenusa al cuadrado es igual a la suma de los cuadrados de los catetos” B 2 2 2 BC = AB + AC 2 2 → BC = AB + AC de lo que se deduce : A C 2 2 2 2 2 AB = AC + BC → AB = AC + BC 2 2 2 2 2 AC = AB + BC → AC = AB + BC EJEMPLO El viento ha quebrado un árbol como se indica en la figura. Si la longitud del tronco (AB) es 2m y la longitud de la parte con ramas (BC) es 4 m, determine a que distancia de la base toca la punta del árbol el suelo. Los tramos AB y BC forma un ángulo de 90º. AC 2 2 2 2 2 = AB + BC → AC = AB + BC = 22 + 42 AC = 20 → AC ≅ 4,47m Página 126 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría SEMEJANZA DE TRIÁNGULOS 1) Dos triángulos son semejantes si dos de sus ángulos son congruentes 2) Dos triángulos son semejantes si sus lados son proporcionales c´ a´ b´ 3) Dos triángulos son semejantes si tienen dos lados proporcionales y el ángulo comprendido entre ellos congruente. b b´ Página 127 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría TEOREMA DE TALES Tales de Mileto (h. 639 ó 624 a.C - h. 547/6 a.C) fue el iniciador de la indagación racional sobre el universo, por lo cual se le considera el primer filósofo de la historia. Fue el primero y más famoso de los Siete Sabios de Grecia (el sabio astrónomo) y tuvo como discípulo y protegido a Pitágoras TEOREMA DE TALES. Si tres o más paralelas son cortadas por transversales, la razón entre las medidas de dos segmentos cualesquiera cortados por una transversal será igual a la razón de las medidas de los segmentos correspondientes de la otra, es decir, son proporcionales. P U Q V R W Aplicación: Si consideramos las siguientes medidas de los segmentos: PQ=2.5cm ; UV=3.75cm ; QR=3cm V W=4.5cm Al establecer proporciones con las medidas, se observa que: ; es decir es decir que las medidas de los segmentos correspondientes, son proporcionales. Como consecuencia del teorema de Tales, se puede enunciar el teorema Página 128 FRT - UTN MATEMATICA - Trigonometría fundamental de SEMEJANZA DE TRIÁNGULOS. Toda paralela a uno de los lados de un triángulo, divide a los otros dos en segmentos proporcionales, por lo que forman un triángulo semejante al primero. P S R T Q En los triángulos PQR y SQT, los ángulos correspondientes son congruentes y sus lados homólogos proporcionales, por lo tanto los triángulos mencionados son semejantes. Página 129