Matemáticas 10.º

Identidades trigonométricas fundamentales

50 min · DBA 4

Lo que vas a aprender
  • Deducir la identidad pitagórica sen²θ + cos²θ = 1 a partir del círculo unitario.
  • Usar las identidades de cociente y recíprocas para expresar unas razones en términos de otras.
  • Hallar las seis razones de un ángulo a partir de una de ellas y del cuadrante en que termina.
  • Comprobar identidades sencillas transformando un lado hasta obtener el otro, y refutar con un contraejemplo una igualdad que no es identidad.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

Imagina que un instrumento mide la inclinación de una rampa y solo te entrega el seno del ángulo. ¿Tienes que volver a medir para conocer el coseno o la tangente? No: el seno, el coseno y la tangente de un mismo ángulo están amarrados por unas pocas igualdades, y con una sola razón y el cuadrante se pueden sacar todas las demás.

Esas igualdades se llaman identidades trigonométricas. Además de ahorrar cálculos, sirven para simplificar expresiones largas, algo que vas a necesitar en física y en los cursos de cálculo. En esta lección aprenderás las fundamentales, de dónde salen y cómo se comprueba que una igualdad es, o no es, una identidad.

Antes de empezar repasa los signos de las razones en cada cuadrante, el cuadrado de un binomio y la suma de fracciones con el mismo denominador.

Explicación

Ecuación o identidad

Una ecuación como $2x + 1 = 7$ solo se cumple para algunos valores de $x$; resolverla es encontrarlos. Una identidad se cumple para todos los valores en los que sus dos lados tienen sentido. Por ejemplo, $(a + b)^2 = a^2 + 2ab + b^2$ es una identidad: vale para cualquier par de números.

En trigonometría, las identidades relacionan las razones de un mismo ángulo. En las cuentas de esta lección el ángulo se escribe $x$ y en el texto, $\theta$; es lo mismo.

Una notación que conviene fijar: $\operatorname{sen}^2\theta$ quiere decir $(\operatorname{sen}\theta)^2$, el seno elevado al cuadrado. No es el seno de $\theta^2$.

La identidad pitagórica

El punto $P(\cos\theta;\ \operatorname{sen}\theta)$ está en el círculo unitario, y todos los puntos de ese círculo cumplen $x^2 + y^2 = 1$ (aquí $x$ e $y$ son las coordenadas del punto, no el ángulo). Al reemplazar la abscisa por el coseno y la ordenada por el seno se obtiene, para cualquier ángulo,

$$\operatorname{sen}^2\theta + \cos^2\theta = 1.$$

Se llama pitagórica porque, para un ángulo agudo, es el teorema de Pitágoras en el triángulo de hipotenusa 1. De ella se despejan otras dos formas útiles: $\cos^2\theta = 1 - \operatorname{sen}^2\theta$ y $\operatorname{sen}^2\theta = 1 - \cos^2\theta$.

La identidad de cociente y las recíprocas

La tangente es el cociente entre la ordenada y la abscisa del punto:

$$\tan\theta = \frac{\operatorname{sen}\theta}{\cos\theta}, \qquad \text{donde } \cos\theta \neq 0.$$

Las tres razones recíprocas son los inversos de las tres principales:

$$\csc\theta = \frac{1}{\operatorname{sen}\theta}, \qquad \sec\theta = \frac{1}{\cos\theta}, \qquad \cot\theta = \frac{1}{\tan\theta} = \frac{\cos\theta}{\operatorname{sen}\theta}.$$

Cada una existe solo donde su denominador no es cero. Como un número y su inverso tienen el mismo signo, cada recíproca tiene el signo de la razón de la que sale: la secante, el del coseno; la cosecante, el del seno.

Una razón y el cuadrante bastan

Si conoces el seno, la identidad pitagórica te da $\cos^2\theta$. Pero un número positivo tiene dos raíces cuadradas, una positiva y una negativa, y la identidad sola no dice cuál es la del coseno. Lo decide el cuadrante: en el I y el IV el coseno es positivo; en el II y el III, negativo. Por eso un problema de este tipo siempre trae el cuadrante. Sin él habría dos respuestas posibles.

Con el seno y el coseno ya calculados, la tangente sale del cociente, y las recíprocas, de invertir.

Cómo se comprueba una identidad

Para comprobar que una igualdad es una identidad:

  1. Escoge un lado, de preferencia el más complicado.
  2. Transfórmalo con álgebra (desarrollar, factorizar, sumar fracciones) y con las identidades conocidas, paso a paso.
  3. Detente cuando llegues exactamente al otro lado.

Lo que no se vale es empezar suponiendo que la igualdad es cierta y operar con los dos lados a la vez: así se puede «demostrar» algo falso.

Probar con un ángulo no demuestra una identidad: que dos expresiones coincidan en un valor no garantiza que coincidan en todos. Pero sirve para lo contrario. Si encuentras un solo ángulo en el que los dos lados dan distinto, ese contraejemplo muestra que la igualdad no es una identidad.

Ejemplo resuelto

Las seis razones a partir del seno

Un ángulo θ termina en el II cuadrante y $\operatorname{sen}\theta = \tfrac{3}{5}$. Halla las otras cinco razones.

Ver la solución paso a paso
  1. De la identidad pitagórica, $\cos^2\theta = 1 - \operatorname{sen}^2\theta$, y el coseno es una de sus dos raíces. En el II cuadrante el coseno es negativo, así que tomamos la raíz negativa: $-\sqrt{1 - \left(\frac{3}{5}\right)^{2}}$

  2. Calculamos el cuadrado: $-\sqrt{1 - \frac{9}{25}}$

  3. Restamos: $-\sqrt{\frac{16}{25}}$

  4. Y sacamos la raíz: $\cos\theta =$ $-\frac{4}{5}$

  5. La tangente es el seno entre el coseno: $\tan\theta = \dfrac{\frac{3}{5}}{-\frac{4}{5}}$. Un positivo entre un negativo da negativo, así que el signo menos queda delante: $-\frac{3}{5} \div \frac{4}{5}$

  6. Así que $\tan\theta =$ $-\frac{3}{4}$

  7. Las recíprocas se obtienen invirtiendo. La cosecante es el inverso del seno: $1 \div \frac{3}{5} = \frac{5}{3}$

  8. La secante es el inverso del coseno, $\sec\theta = \dfrac{1}{-\frac{4}{5}}$; el inverso conserva el signo: $-1 \div \frac{4}{5} = -\frac{5}{4}$

  9. Y la cotangente es el inverso de la tangente, $\cot\theta = \dfrac{1}{-\frac{3}{4}}$: $-1 \div \frac{3}{4} = -\frac{4}{3}$

Respuesta: $\cos\theta = -\tfrac{4}{5}$, $\tan\theta = -\tfrac{3}{4}$, $\csc\theta = \tfrac{5}{3}$, $\sec\theta = -\tfrac{5}{4}$ y $\cot\theta = -\tfrac{4}{3}$.

11θsencosP1−190°180°270°360°y = sen θy = cos θsen 30° = 0,5 · cos 30° ≈ 0,87

Gira P a cualquier ángulo: sen²θ + cos²θ siempre da 1. Llévalo a 143°, en el II cuadrante: el seno queda en 0,6 = 3/5 y el coseno en −0,8 = −4/5, como en el ejemplo.

Ejemplo resuelto

Comprobar una identidad y refutar otra

Comprueba que $\left(\operatorname{sen} x + \operatorname{cos} x\right)^{2}$ es igual a $1 + 2\operatorname{sen} x \cdot \operatorname{cos} x$ para todo ángulo x. Después, muestra que $\operatorname{sen} x + \cos x = 1$ no es una identidad.

Ver la solución paso a paso
  1. Partimos del lado izquierdo, que es el más complicado: $\left(\operatorname{sen} x + \operatorname{cos} x\right)^{2}$

  2. Desarrollamos el cuadrado de un binomio: $\operatorname{sen}^{2} x + 2\operatorname{sen} x \cdot \operatorname{cos} x + \operatorname{cos}^{2} x$

  3. Agrupamos el primer y el último término: $\operatorname{sen}^{2} x + \operatorname{cos}^{2} x + 2\operatorname{sen} x \cdot \operatorname{cos} x$

  4. Por la identidad pitagórica, los dos primeros términos suman 1: $1 + 2\operatorname{sen} x \cdot \operatorname{cos} x$. Llegamos al lado derecho, así que la igualdad es una identidad.

  5. Para la segunda igualdad buscamos un contraejemplo. En 45°, el lado izquierdo da $\operatorname{sen} 45^{\circ} + \operatorname{cos} 45^{\circ} = \sqrt{2}$

  6. y $\sqrt{2}$ no es 1: $\operatorname{sen} 45^{\circ} + \operatorname{cos} 45^{\circ} \ne 1$. Un solo ángulo en que falla basta para saber que no es una identidad, aunque se cumpla en 0° y en 90°.

  7. En 0° sí da 1: $\operatorname{sen} 0^{\circ} + \operatorname{cos} 0^{\circ} = 1$

  8. Y en 90° también: $\operatorname{sen} 90^{\circ} + \operatorname{cos} 90^{\circ} = 1$. Por eso probar con 0° y 90° no bastaba para decidir.

Respuesta: $(\operatorname{sen} x + \cos x)^2 = 1 + 2\operatorname{sen} x \cos x$ es una identidad; $\operatorname{sen} x + \cos x = 1$ no lo es, porque falla en 45°.

Ejemplo resuelto

Una identidad nueva con la tangente

Comprueba que $1 + \operatorname{tan}^{2} x$ es igual a $\operatorname{sec}^{2} x$ para los valores de x en los que la tangente está definida.

Ver la solución paso a paso
  1. Partimos del lado izquierdo: $1 + \operatorname{tan}^{2} x$

  2. Escribimos la tangente como seno entre coseno: $1 + \frac{\operatorname{sen}^{2} x}{\operatorname{cos}^{2} x}$

  3. Escribimos el 1 con el mismo denominador: $\frac{\operatorname{cos}^{2} x}{\operatorname{cos}^{2} x} + \frac{\operatorname{sen}^{2} x}{\operatorname{cos}^{2} x}$

  4. Sumamos las fracciones: $\frac{\operatorname{cos}^{2} x + \operatorname{sen}^{2} x}{\operatorname{cos}^{2} x}$

  5. El numerador es 1 por la identidad pitagórica: $\frac{1}{\operatorname{cos}^{2} x}$

  6. Y el inverso del coseno es la secante: $\operatorname{sec}^{2} x$

Respuesta: $\operatorname{sec}^{2} x$

Ejemplo resuelto

Seno y coseno a partir de la tangente

Un ángulo θ termina en el III cuadrante y $\tan\theta = 2$. Halla $\cos\theta$ y $\operatorname{sen}\theta$.

Ver la solución paso a paso
  1. Por el ejemplo anterior, $\sec^2\theta = 1 + \tan^2\theta$. En el III cuadrante el coseno es negativo y la secante también, así que tomamos la raíz negativa: $-\sqrt{1 + 2^{2}}$

  2. Es decir, $\sec\theta =$ $-\sqrt{5}$

  3. El coseno es el inverso de la secante: $\frac{1}{-\sqrt{5}}$

  4. Racionalizamos: $\cos\theta =$ $-\frac{\sqrt{5}}{5}$

  5. De $\tan\theta = \dfrac{\operatorname{sen}\theta}{\cos\theta}$ sale $\operatorname{sen}\theta = \tan\theta \cdot \cos\theta = 2\cdot\left(-\tfrac{1}{\sqrt{5}}\right)$: $-\frac{2}{\sqrt{5}}$

  6. Racionalizamos: $\operatorname{sen}\theta =$ $-\frac{2\sqrt{5}}{5}$

  7. Comprobamos con la identidad pitagórica: $\left(-\frac{2\sqrt{5}}{5}\right)^{2} + \left(-\frac{\sqrt{5}}{5}\right)^{2} = 1$. Los dos valores son negativos, como corresponde al III cuadrante.

Respuesta: $\cos\theta = -\tfrac{\sqrt{5}}{5}$ y $\operatorname{sen}\theta = -\tfrac{2\sqrt{5}}{5}$.

Práctica

Si sen θ = $0{,}6$ y θ termina en el I cuadrante, ¿cuánto vale cos θ?

Si cos θ = $-\frac{5}{13}$ y θ termina en el III cuadrante, ¿cuánto vale sen θ?

Si sen θ = $-\frac{3}{5}$ y cos θ = $\frac{4}{5}$, ¿cuánto vale tan θ?

¿Verdadero o falso? La igualdad $\operatorname{sen} x + \operatorname{cos} x = 1$ es una identidad.

¿Verdadero o falso? La igualdad $\operatorname{sen}^{4} x - \operatorname{cos}^{4} x = \operatorname{sen}^{2} x - \operatorname{cos}^{2} x$ es una identidad.

¿Verdadero o falso? Para los valores de x en los que la tangente está definida, $\operatorname{tan} x \cdot \operatorname{cos} x = \operatorname{sen} x$

Si cos θ = $0{,}25$, ¿cuánto vale sec θ?

Si tan θ = $\frac{3}{4}$ y θ termina en el III cuadrante, ¿cuánto vale cos θ?

Se sabe que cos θ = $0{,}8$, pero no se sabe en qué cuadrante termina θ. Marca todos los valores posibles de sen θ.

Marca todas las que apliquen.

¿A qué expresión es igual $\frac{1 - \operatorname{cos}^{2} x}{\operatorname{sen} x}$, para los valores de x en los que está definida?

¿Qué quiere decir sen²θ?

Reto

Une cada expresión con otra equivalente.

Usa la identidad pitagórica, la de cociente y las recíprocas.

Reto

Completa las razones del ángulo.

Elige en cada hueco el valor correcto. Fíjate en el cuadrante.

Reto

Abre el candado con las identidades.

Cada pista da un dígito de la clave.

Cierre

En resumen

  • Una identidad se cumple para todos los valores en los que sus dos lados están definidos; una ecuación, solo para algunos.

  • La identidad pitagórica sen²θ + cos²θ = 1 sale de que (cos θ; sen θ) está en el círculo unitario, y vale para todo ángulo.

  • tan θ = sen θ / cos θ, y las recíprocas son csc θ = 1/sen θ, sec θ = 1/cos θ y cot θ = cos θ / sen θ, cada una donde su denominador no es cero.

  • Con una razón y el cuadrante se hallan las demás; la identidad da el valor absoluto y el cuadrante da el signo.

  • Una identidad se comprueba transformando un lado hasta llegar al otro; un solo contraejemplo basta para mostrar que una igualdad no es identidad.

Vocabulario

Identidad

Igualdad que se cumple para todos los valores de la variable en los que sus dos lados están definidos.

Identidad pitagórica

sen²θ + cos²θ = 1, que vale para todo ángulo θ porque (cos θ; sen θ) está en el círculo unitario.

Razones recíprocas

Cosecante, secante y cotangente: csc θ = 1/sen θ, sec θ = 1/cos θ y cot θ = cos θ / sen θ, donde el denominador no es cero.

Contraejemplo

Un valor concreto en el que una afirmación general falla. Basta uno para mostrar que una igualdad no es identidad.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Hallar las seis razones de θ si cos θ = −8/17 y θ termina en el II cuadrante, y comprobar que sen θ · csc θ = 1 y que (1 − cos θ)(1 + cos θ) = sen²θ con los valores obtenidos.