Matemáticas 10.º

Ecuaciones trigonométricas

50 min · DBA 4

Lo que vas a aprender
  • Resolver ecuaciones trigonométricas sencillas en el intervalo [0; 2π) y entre 0° y 360°.
  • Usar el ángulo de referencia y el signo de la razón para ubicar todas las soluciones de una vuelta.
  • Escribir todas las soluciones reales de una ecuación usando el periodo.
  • Reconocer cuándo una ecuación con seno o coseno no tiene solución.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

En la lección de modelos usaste una fórmula para calcular el nivel del agua de un puerto inventado a una hora dada. Muchas veces la pregunta es la contraria: ¿a qué hora el agua llega a cierto nivel? ¿En qué momentos una silla de la rueda de feria está a una altura dada? Responder esas preguntas es resolver una ecuación trigonométrica.

Estas ecuaciones tienen una sorpresa: como las funciones trigonométricas se repiten, si una ecuación tiene una solución, en general tiene infinitas. Aprender a encontrarlas todas sin perder ninguna es el objetivo de esta lección.

Antes de empezar necesitas tener a mano los valores de seno, coseno y tangente de $30°$, $45°$ y $60°$, y el signo de cada razón en los cuatro cuadrantes.

Explicación

Muchas soluciones

Piensa en la ecuación $\operatorname{sen} x = \tfrac{1}{2}$. En la gráfica, sus soluciones son los puntos donde la onda $y = \operatorname{sen} x$ corta la recta horizontal $y = \tfrac{1}{2}$. En una vuelta, de $0$ a $2\pi$, la onda la corta dos veces: una al subir y otra al bajar. Y como la onda se repite cada $2\pi$, los cortes se repiten en cada vuelta, hacia la derecha y hacia la izquierda. Por eso casi siempre se pide primero resolver la ecuación en una vuelta, en el intervalo $[0;\ 2\pi)$ o entre $0°$ y $360°$, y después, si hace falta, se escriben todas.

El método, paso a paso

  1. Despeja la razón. Con las operaciones de siempre, deja sola la razón: $\operatorname{sen} x = c$, $\cos x = c$ o $\tan x = c$.
  2. Revisa si hay solución. El seno y el coseno solo toman valores entre $-1$ y $1$. Si $c$ está fuera de ese intervalo, la ecuación no tiene solución. La tangente toma cualquier valor, así que con ella siempre hay solución.
  3. Busca el ángulo de referencia $\alpha$: el ángulo agudo cuya razón vale $|c|$, sin el signo. Con los valores de esta lección, es uno de los ángulos notables.
  4. Usa el signo para elegir los cuadrantes. El seno es positivo en el I y el II; el coseno, en el I y el IV; la tangente, en el I y el III. Con $c$ negativo se usan los otros dos cuadrantes.
  5. Escribe el ángulo de cada cuadrante a partir de $\alpha$:
Cuadrante En radianes En grados
I $\alpha$ $\alpha$
II $\pi - \alpha$ $180° - \alpha$
III $\pi + \alpha$ $180° + \alpha$
IV $2\pi - \alpha$ $360° - \alpha$

Con el seno o el coseno, si $c$ es $0$, $1$ o $-1$, el punto está sobre un eje y no hay ángulo de referencia: se lee directamente en el círculo. Por ejemplo, $\operatorname{sen} x = 1$ tiene una sola solución en una vuelta, $x = \tfrac{\pi}{2}$, porque el punto más alto del círculo es uno solo. Con la tangente, solo $c = 0$ cae sobre un eje ($x = 0$ y $x = \pi$); $\tan x = 1$ y $\tan x = -1$ tienen ángulo de referencia $\tfrac{\pi}{4}$, como cualquier otro valor.

Una buena costumbre es comprobar cada solución reemplazándola en la ecuación original: un error de cuadrante se descubre enseguida.

Ejemplo resuelto

Resolver 2 sen x = 1 en una vuelta

Resuelve $2\operatorname{sen} x = 1$ en el intervalo $[0;\ 2\pi)$.

Ver la solución paso a paso
  1. Partimos de la ecuación.

    $$2\operatorname{sen} x = 1$$

  2. Despejamos el seno dividiendo entre 2. El valor está entre $-1$ y $1$, así que hay solución.

    $$\operatorname{sen} x = \frac{1}{2}$$

  3. El ángulo de referencia es $\tfrac{\pi}{6}$, porque $\operatorname{sen}\tfrac{\pi}{6} = \tfrac{1}{2}$. El seno es positivo, así que buscamos en el I y en el II cuadrante: $x = \tfrac{\pi}{6}$ y $x = \pi - \tfrac{\pi}{6} = \tfrac{5\pi}{6}$.

  4. En $[0;\ 2\pi)$ no hay más ángulos con seno $\tfrac{1}{2}$, así que la ecuación dice lo mismo que $\left(x - \frac{\pi}{6}\right)\left(x - \frac{5\pi}{6}\right) = 0$

  5. Comprobamos la segunda solución en la ecuación original:

    $$2\operatorname{sen}\left(\frac{5\pi}{6}\right) = 1$$

  6. Conclusión: en una vuelta hay dos soluciones, $x = \tfrac{\pi}{6}$ y $x = \tfrac{5\pi}{6}$. Son los dos cortes de la onda con la recta $y = \tfrac{1}{2}$ que muestra la figura.

Respuesta: x = π/6 o x = 5π/6

123456789101112−1,5−1−0,50,511,5xyy = sen xy = 1/2(π/6; 1/2)

La onda y = sen x corta la recta y = 1/2 dos veces en cada vuelta. En la primera vuelta, en π/6 y 5π/6; en la segunda, en 13π/6 y 17π/6, que son las anteriores más 2π.

11P1−190°180°270°360°y = sen θsen 0° = 0 · cos 0° = 1

La recta y = 1/2 corta el círculo en dos puntos. Gira P hasta cada uno: 30° y 150°, es decir π/6 y 5π/6, las dos soluciones de sen x = 1/2 en una vuelta.

Ejemplo resuelto

Una ecuación en grados

Resuelve $\operatorname{cos} x^{\circ} = -\frac{\sqrt{2}}{2}$ para $x$ entre $0°$ y $360°$ (sin incluir $360°$).

Ver la solución paso a paso
  1. Partimos de la ecuación. Ya está despejada.

    $$\operatorname{cos} x^{\circ} = -\frac{\sqrt{2}}{2}$$

  2. El ángulo de referencia es $45°$, porque $\cos 45° = \tfrac{\sqrt{2}}{2}$. El coseno es negativo, así que buscamos en el II y en el III cuadrante: $180° - 45° = 135°$ y $180° + 45° = 225°$. Así, entre $0°$ y $360°$, la ecuación dice lo mismo que $\left(x - 135\right)\left(x - 225\right) = 0$

  3. Comprobamos el primero:

    $$\operatorname{cos} 135^{\circ} = -\frac{\sqrt{2}}{2}$$

  4. Y el segundo:

    $$\operatorname{cos} 225^{\circ} = -\frac{\sqrt{2}}{2}$$

  5. Cuidado: $315°$ tiene el mismo ángulo de referencia, pero está en el IV cuadrante, donde el coseno es positivo. No es solución.

    $$\operatorname{cos} 315^{\circ} = \frac{\sqrt{2}}{2}$$

Respuesta: x = 135° o x = 225°

Todas las soluciones

Cuando se piden todas las soluciones reales, se toman las de una vuelta y se les suma el periodo tantas veces como se quiera, hacia adelante o hacia atrás. Con el seno y el coseno el periodo es $2\pi$, así que las soluciones de $2\operatorname{sen} x = 1$ son

$$x = \frac{\pi}{6} + 2k\pi \quad \text{o} \quad x = \frac{5\pi}{6} + 2k\pi, \qquad k \text{ entero}.$$

Con la tangente el periodo es $\pi$, y entonces las dos soluciones de una vuelta resultan ser una misma familia: la del III cuadrante es la del I más $\pi$. El siguiente ejemplo lo muestra.

Ejemplo resuelto

La tangente y la solución general

Resuelve $\operatorname{tan} x = \sqrt{3}$ en $[0;\ 2\pi)$ y escribe todas sus soluciones reales.

Ver la solución paso a paso
  1. Partimos de la ecuación.

    $$\operatorname{tan} x = \sqrt{3}$$

  2. El ángulo de referencia es $\tfrac{\pi}{3}$. La tangente es positiva en el I y en el III cuadrante: $\tfrac{\pi}{3}$ y $\pi + \tfrac{\pi}{3} = \tfrac{4\pi}{3}$. En una vuelta, la ecuación equivale a $\left(x - \frac{\pi}{3}\right)\left(x - \frac{4\pi}{3}\right) = 0$

  3. Comprobamos la solución del III cuadrante:

    $$\operatorname{tan}\left(\frac{4\pi}{3}\right) = \sqrt{3}$$

  4. Las dos soluciones se diferencian exactamente en $\pi$, el periodo de la tangente. Por eso todas las soluciones se escriben con una sola fórmula: $x = \tfrac{\pi}{3} + k\pi$, con $k$ entero. Por ejemplo, con $k = 5$:

    $$\operatorname{tan}\left(\frac{\pi}{3} + 5\pi\right) = \sqrt{3}$$

Respuesta: En [0; 2π): x = π/3 o x = 4π/3. Todas: x = π/3 + kπ, con k entero.

123456−4−3−2−11234xyy = tan xy = √3(π/3; √3)(4π/3; √3)

La gráfica de y = tan x corta la recta y = √3 una vez en cada tramo entre asíntotas: en π/3 y en 4π/3 dentro de la primera vuelta. Los cortes están separados π.

Práctica

Resuelve $2\operatorname{cos} x + 1 = 0$ en $\left[0;\ 2\pi\right)$.

Resuelve $\operatorname{sen} x = -\frac{1}{2}$ en $\left[0;\ 2\pi\right)$.

Resuelve $\operatorname{tan} x^{\circ} = 1$ para x entre 0° y 360°, sin incluir 360°.

Resuelve $\operatorname{sen} x^{\circ} = \frac{\sqrt{3}}{2}$ para x entre 0° y 360°, sin incluir 360°.

¿Cuáles son las soluciones de $\operatorname{sen} x = 1$ en $\left[0;\ 2\pi\right)$?

¿Qué valor de x en el intervalo $\left(0;\ \pi\right)$ cumple $\operatorname{tan} x = -1$?

¿Cuáles son las soluciones reales de $2\operatorname{cos} x = 3$?

Marca todas las opciones que son soluciones reales de $2\operatorname{sen} x$ = 1, aunque estén fuera de la primera vuelta.

Marca todas las que apliquen.

¿Verdadero o falso? $\operatorname{cos}\left(\frac{5\pi}{4}\right) = -\frac{\sqrt{2}}{2}$

¿Verdadero o falso? $\operatorname{sen}\left(\frac{\pi}{6} + \pi\right) = \frac{1}{2}$

¿Por qué la ecuación sen x = 1/2 tiene infinitas soluciones reales?

Reto

Completa la resolución.

Primero despeja el coseno; luego usa el ángulo de referencia y los cuadrantes donde el coseno es positivo.

Reto

El signo decide el cuadrante.

En cada ronda, tres valores tienen el mismo signo y uno no. Ubica cada ángulo en su cuadrante: eso es lo que dice dónde buscar las soluciones de una ecuación.

Cierre

En resumen

  • Para resolver una ecuación trigonométrica se despeja la razón, se busca el ángulo de referencia y se usan los cuadrantes que corresponden al signo.

  • En una vuelta, los ángulos con referencia α son α, π − α, π + α y 2π − α (en grados, α, 180° − α, 180° + α y 360° − α).

  • Si sen x o cos x tienen que valer más de 1 o menos de −1, la ecuación no tiene solución.

  • Todas las soluciones reales se obtienen sumando múltiplos del periodo, 2π para el seno y el coseno, y π para la tangente.

  • Comprobar cada solución en la ecuación original descubre los errores de cuadrante.

Vocabulario

Ecuación trigonométrica

Una ecuación en la que la incógnita aparece dentro de una razón trigonométrica, como 2 sen x = 1.

Ángulo de referencia

El ángulo agudo que forma el lado terminal de un ángulo con el eje x. Ángulos con el mismo ángulo de referencia tienen razones iguales salvo por el signo.

Solución general

La expresión que da todas las soluciones reales de una ecuación periódica, sumando múltiplos enteros del periodo a las soluciones de una vuelta.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Resolver en [0; 2π) las ecuaciones 2 sen x = −√3, √2 cos x = 1 y tan x = −√3/3; resolver entre 0° y 360° la ecuación 2 cos x = −1, y escribir la solución general de una de ellas.