Fórmulas de Trigonometria

As fórmulas das aulas desta matéria, com as condições que tornam cada relação válida.

1Trigonometria no triângulo retângulo

Os dois ângulos agudos são complementares

θ+φ=90∘0∘<θ,φ<90∘\begin{gathered}\theta+\varphi=90^\circ\\0^\circ<\theta,\varphi<90^\circ\end{gathered}

O triângulo é retângulo e não degenerado, isto é, seus vértices não estão alinhados e seus lados têm comprimento positivo. θ e φ, lidos teta e fi, são os outros dois ângulos. O símbolo ° indica graus; complementares significa que a soma vale 90°.

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Hipotenusa e catetos: Pitágoras

c2=a2+o2c=a2+o2\begin{gathered}c^2=a^2+o^2\\c=\sqrt{a^2+o^2}\end{gathered}

c é a hipotenusa, oposta ao ângulo reto; a e o são os catetos adjacente e oposto ao ângulo agudo escolhido. Todos são comprimentos positivos na mesma unidade. A hipotenusa é maior que cada cateto. As letras nomeiam medidas, não ângulos.

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Mudar o tamanho sem mudar as razões

(o′,a′,c′)=(ko,ka,kc)o′c′=oca′c′=aco′a′=oa\begin{gathered}(o',a',c')=(ko,ka,kc)\\\frac{o'}{c'}=\frac{o}{c}\qquad\frac{a'}{c'}=\frac{a}{c}\qquad\frac{o'}{a'}=\frac{o}{a}\end{gathered}
(o′,a′,c′)=(ko,ka,kc)o′c′=oca′c′=aco′a′=oa\begin{gathered}(o',a',c')=(ko,ka,kc)\\\frac{o'}{c'}=\frac{o}{c}\\\frac{a'}{c'}=\frac{a}{c}\\\frac{o'}{a'}=\frac{o}{a}\end{gathered}

Os triângulos são retângulos e têm o mesmo ângulo agudo, portanto são semelhantes por AA. As linhas são lidas na mesma correspondência. k>0 é o fator de escala; as marcas de apóstrofo indicam medidas do segundo triângulo, não derivadas. Os comprimentos dos denominadores são positivos.

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Seno de um ângulo agudo

sin⁡θ=oc\sin\theta=\frac{o}{c}

0°<θ<90°. o é o cateto oposto a θ e c é a hipotenusa, ambos positivos e na mesma unidade. sin é a escrita usada em muitas calculadoras para seno, também abreviado sen. A razão não é uma medida de comprimento.

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Cosseno de um ângulo agudo

cos⁡θ=ac\cos\theta=\frac{a}{c}

0°<θ<90°. a é o cateto adjacente a θ: toca esse ângulo e não é a hipotenusa. c é a hipotenusa. Ambos são comprimentos positivos na mesma unidade. Ao mudar para o outro ângulo agudo, os catetos trocam de papel.

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Tangente de um ângulo agudo

tan⁡θ=oa\tan\theta=\frac{o}{a}

0°<θ<90°. o e a são os catetos oposto e adjacente a θ, positivos e na mesma unidade. tan e tg abreviam a mesma razão. O divisor é o cateto adjacente, não a hipotenusa.

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Valores possíveis no triângulo retângulo

0<sin⁡θ<10<cos⁡θ<1tan⁡θ>0\begin{gathered}0<\sin\theta<1\\0<\cos\theta<1\\\tan\theta>0\end{gathered}

θ é agudo, estritamente entre 0° e 90°. Os catetos são menores que a hipotenusa; a tangente compara dois catetos e pode ser menor, igual ou maior que um. Os extremos 0° e 90° não são ângulos agudos de um triângulo não degenerado.

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Tangente como quociente

tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ\tan\theta=\frac{\sin\theta}{\cos\theta}

0°<θ<90°, de modo que cosθ>0. Substituir as definições cancela a hipotenusa: (o/c)/(a/c)=o/a. A identidade é usada aqui no domínio agudo; a ampliação de domínio será estudada no ciclo.

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Relação fundamental no domínio agudo

sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta+\cos^2\theta=1

0°<θ<90°. sin²θ significa (sinθ)², não sin(θ²). A identidade vem de dividir a²+o²=c² por c²>0. Conhecer a soma dos quadrados não autoriza concluir que sinθ+cosθ=1.

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Recuperar cosseno e tangente a partir do seno

sin⁡θ=scos⁡θ=1−s2tan⁡θ=s1−s2\begin{gathered}\sin\theta=s\\\cos\theta=\sqrt{1-s^2}\\\tan\theta=\frac{s}{\sqrt{1-s^2}}\end{gathered}

θ é agudo e 0<s<1. s é o valor dado do seno. A raiz positiva é escolhida porque o cosseno de um ângulo agudo é positivo. O denominador é não nulo.

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Recuperar seno e tangente a partir do cosseno

cos⁡θ=qsin⁡θ=1−q2tan⁡θ=1−q2q\begin{gathered}\cos\theta=q\\\sin\theta=\sqrt{1-q^2}\\\tan\theta=\frac{\sqrt{1-q^2}}{q}\end{gathered}

θ é agudo e 0<q<1. q é o valor dado do cosseno. O seno usa a raiz positiva. Dividir por q é permitido por q>0.

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Recuperar seno e cosseno a partir da tangente

tan⁡θ=t>0cos⁡θ=11+t2sin⁡θ=t1+t2\begin{gathered}\tan\theta=t>0\\\cos\theta=\frac1{\sqrt{1+t^2}}\\\sin\theta=\frac{t}{\sqrt{1+t^2}}\end{gathered}

0°<θ<90°. t é o número dado para a tangente; não é o ângulo. Podemos escolher catetos proporcionais a um e t, cuja hipotenusa é √(1+t²). As duas raízes são positivas e o denominador nunca é zero.

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Razões dos ângulos complementares

φ=90∘−θsin⁡φ=cos⁡θcos⁡φ=sin⁡θtan⁡φ=1/tan⁡θ\begin{gathered}\varphi=90^\circ-\theta\\\sin\varphi=\cos\theta\qquad\cos\varphi=\sin\theta\\\tan\varphi=1/\tan\theta\end{gathered}
φ=90∘−θsin⁡φ=cos⁡θcos⁡φ=sin⁡θtan⁡φ=1/tan⁡θ\begin{gathered}\varphi=90^\circ-\theta\\\sin\varphi=\cos\theta\\\cos\varphi=\sin\theta\\\tan\varphi=1/\tan\theta\end{gathered}

θ e φ são os ângulos agudos do mesmo triângulo. A hipotenusa não muda; oposto e adjacente trocam de papel. As tangentes são positivas, então seus recíprocos estão definidos.

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Proporção do triângulo de 45°

a=o=ℓ,c=ℓ2a=o=\ell,\quad c=\ell\sqrt2

O triângulo é retângulo e isósceles, com ângulos agudos de 45°. ℓ, lido ele, é o comprimento positivo de cada cateto. A hipotenusa vem de Pitágoras e a raiz do comprimento ao quadrado é positiva.

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Proporção do triângulo de 30° e 60°

o=q,a=q3,c=2qo=q,\quad a=q\sqrt3,\quad c=2q

A referência é θ=30°. q>0 é o cateto oposto a 30°; a é o cateto oposto a 60°, e c é a hipotenusa. Para θ=60°, os dois catetos trocam de papel. A proporção é deduzida cortando um equilátero pela altura.

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Valores exatos de 30°, 45° e 60°

θ30∘45∘60∘sin⁡θ122232cos⁡θ322212tan⁡θ3313\begin{array}{c|ccc}\theta&30^\circ&45^\circ&60^\circ\\\hline\sin\theta&\frac12&\frac{\sqrt2}{2}&\frac{\sqrt3}{2}\\\cos\theta&\frac{\sqrt3}{2}&\frac{\sqrt2}{2}&\frac12\\\tan\theta&\frac{\sqrt3}{3}&1&\sqrt3\end{array}

Os valores são obtidos das proporções dos triângulos retângulos de 45° e de 30°–60°. São exatos; uma aproximação decimal deve usar ≈. A fração 1/√3 equivale a √3/3 pela racionalização.

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Encontrar os catetos quando a hipotenusa é conhecida

o=csin⁡θa=ccos⁡θo=c\sin\theta\qquad a=c\cos\theta
o=csin⁡θa=ccos⁡θ\begin{gathered}o=c\sin\theta\\a=c\cos\theta\end{gathered}

c>0 é a hipotenusa conhecida e 0°<θ<90°. o e a são os catetos oposto e adjacente a θ. As duas fórmulas vêm de multiplicar as definições por c. Todos os lados usam a mesma unidade.

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Encontrar os outros lados pelo cateto adjacente

o=atan⁡θc=acos⁡θo=a\tan\theta\qquad c=\frac{a}{\cos\theta}
o=atan⁡θc=acos⁡θ\begin{gathered}o=a\tan\theta\\c=\frac{a}{\cos\theta}\end{gathered}

a>0 é o cateto adjacente conhecido e θ é agudo. O cosseno é positivo, portanto a divisão existe. O cateto e a hipotenusa obtidos precisam satisfazer Pitágoras.

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Encontrar os outros lados pelo cateto oposto

a=otan⁡θc=osin⁡θa=\frac{o}{\tan\theta}\qquad c=\frac{o}{\sin\theta}
a=otan⁡θc=osin⁡θ\begin{gathered}a=\frac{o}{\tan\theta}\\c=\frac{o}{\sin\theta}\end{gathered}

o>0 é o cateto oposto conhecido e θ é agudo. Tangente e seno são positivos. Quando a incógnita estava no denominador da razão, isole-a multiplicando e depois dividindo; não multiplique pelo seno ou pela tangente sem justificar.

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Área do triângulo retângulo

A=ao2A=\frac{ao}{2}

a e o são os catetos perpendiculares, positivos e medidos na mesma unidade; A é a área, em unidades quadradas. A hipotenusa não é altura relativa a um cateto.

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Altura relativa à hipotenusa

hc=aoch_c=\frac{ao}{c}

A altura indicada por h com índice c é a distância perpendicular do vértice reto à hipotenusa c. Os catetos são a,o>0. Comparar a área calculada pelos catetos com a área calculada pela hipotenusa e sua altura fornece a fórmula. Não confunda essa altura interna com um dos catetos.

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Projeções dos catetos na hipotenusa

p+q=ca2=cp,o2=cqhc2=pq\begin{gathered}p+q=c\\a^2=cp,\quad o^2=cq\\h_c^2=pq\end{gathered}

No triângulo ACB reto em C, AC=a, CB=o e AB=c. O pé H da perpendicular de C a AB divide AB em AH=p e HB=q. Todas as medidas são positivas. As relações vêm da semelhança dos três triângulos; p,q são segmentos da hipotenusa, não novos catetos do triângulo original.

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Inclinação percentual e ângulo com a horizontal

p=100hdtan⁡θ=hdp=100tan⁡θ\begin{gathered}p=100\frac{h}{d}\\\tan\theta=\frac{h}{d}\\p=100\tan\theta\end{gathered}

A rampa é retilínea, sobe h>0 ao avançar d>0 na horizontal e forma ângulo agudo θ com essa horizontal. p é o número expresso em porcentagem: p=10 significa 10%. O denominador é a projeção horizontal, não o comprimento da rampa. O caso horizontal h=0 é um limite fora do triângulo agudo não degenerado desta aula.

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Altura com observação acima do solo

H=e+dtan⁡θH=e+d\tan\theta

O alvo é vertical, sua base e o observador estão no mesmo nível de solo horizontal. e≥0 é a altura dos olhos ou aparelho, d>0 é a distância horizontal à base e θ é o ângulo agudo de elevação, medido a partir da horizontal dos olhos. H>e é a altura total. A tangente fornece H−e, não diretamente H quando e>0.

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Ângulo de depressão e diferença de nível

tan⁡δ=hdh=dtan⁡δ\begin{gathered}\tan\delta=\frac{h}{d}\\h=d\tan\delta\end{gathered}

δ, lido delta, é o ângulo agudo entre a horizontal do observador e sua linha de visão para um alvo abaixo. h>0 é a diferença vertical de nível e d>0 a separação horizontal. Com horizontais paralelas, δ é igual ao ângulo de elevação visto do alvo. Não é medido a partir da vertical.

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Duas estações alinhadas do mesmo lado do alvo

h=dtan⁡β=(d+s)tan⁡αd=stan⁡αtan⁡β−tan⁡αh=stan⁡αtan⁡βtan⁡β−tan⁡α\begin{gathered}h=d\tan\beta=(d+s)\tan\alpha\\d=\frac{s\tan\alpha}{\tan\beta-\tan\alpha}\qquad h=\frac{s\tan\alpha\tan\beta}{\tan\beta-\tan\alpha}\end{gathered}
h=dtan⁡βh=(d+s)tan⁡αd=stan⁡αtan⁡β−tan⁡αh=stan⁡αtan⁡βtan⁡β−tan⁡α\begin{gathered}h=d\tan\beta\\h=(d+s)\tan\alpha\\d=\frac{s\tan\alpha}{\tan\beta-\tan\alpha}\\h=\frac{s\tan\alpha\tan\beta}{\tan\beta-\tan\alpha}\end{gathered}

A estação próxima e a distante estão alinhadas com a base, do mesmo lado, separadas por s>0; a distância próxima à base é d>0. Os aparelhos têm a mesma altura e o solo é horizontal. α e β, lidos alfa e beta, são os ângulos distante e próximo, com 0°<α<β<90°; tanβ>tanα e o denominador é positivo. h é a diferença entre o topo e a horizontal dos aparelhos; some a altura deles para obter a altura total.

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Diferença de alturas observadas do mesmo ponto

L=d(tan⁡β−tan⁡α)L=d(\tan\beta-\tan\alpha)

A base e o topo de uma antena vertical são observados do mesmo ponto, à distância horizontal d>0, com ângulos de elevação α e β, lidos alfa e beta, tais que 0°<α<β<90°. L é o comprimento vertical da antena, diferença entre as alturas. O nível do aparelho se cancela na subtração; a antena está na mesma vertical do alvo de base.

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Encontrar o ângulo agudo pelos lados

θ=arcsin⁡(o/c)θ=arccos⁡(a/c)θ=arctan⁡(o/a)\begin{gathered}\theta=\arcsin(o/c)\\\theta=\arccos(a/c)\\\theta=\arctan(o/a)\end{gathered}

a,o,c são lados positivos de um triângulo retângulo, com c²=a²+o². Aqui arcsin, arccos e arctan pedem o único ângulo agudo que possui a razão indicada; não são recíprocos. Para obter graus em calculadora, use DEG e as teclas inversas sin⁻¹, cos⁻¹ ou tan⁻¹. Uma única das três razões corretas basta; o estudo geral dessas funções será feito depois.

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Valores de 15° obtidos por uma construção geométrica

tan⁡15∘=2−3sin⁡15∘=6−24cos⁡15∘=6+24\begin{gathered}\tan15^\circ=2-\sqrt3\\\sin15^\circ=\frac{\sqrt6-\sqrt2}{4}\\\cos15^\circ=\frac{\sqrt6+\sqrt2}{4}\end{gathered}

A construção usa um triângulo de 30° e um isósceles, depois Pitágoras e as razões já definidas. Todos os comprimentos e raízes escolhidos são positivos. Os valores são exatos; não se está supondo uma fórmula de arco metade ainda não ensinada.

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2Arcos e ciclo trigonométrico

Grau e frações de uma volta

1 volta=360∘12 volta=180∘14 volta=90∘\begin{gathered}1\text{ volta}=360^\circ\\\tfrac12\text{ volta}=180^\circ\\\tfrac14\text{ volta}=90^\circ\end{gathered}

O grau divide uma volta em 360 partes iguais. O símbolo ° identifica a unidade. Medida angular descreve abertura ou giro; não é comprimento em metros ou centímetros.

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Graus, minutos e segundos de ângulo

1∘=60′,1′=60′′1∘=3600′′D=d+m60+u3600\begin{gathered}1^\circ=60',\quad1'=60''\\1^\circ=3600''\\D=d+\frac m{60}+\frac u{3600}\end{gathered}

D é a medida decimal em graus de d° m′ u″. d e m são inteiros não negativos, com m<60; u é real com 0≤u<60. Eles contam graus, minutos e segundos de ângulo. Os símbolos ′ e ″ não são unidades de tempo. Para uma medida negativa, o sinal se aplica ao conjunto inteiro: −(d+m/60+u/3600).

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Radiano: comparar o arco com o raio

θ=sr\theta=\frac sr

r>0 é o raio e s≥0 o comprimento do arco percorrido em um único sentido, na mesma unidade de comprimento. θ≥0 é a medida angular em radianos. Se s=r, θ=1 rad. A orientação do giro será indicada separadamente; comprimento geométrico não é negativo.

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Uma volta em radianos e a relação com graus

2π rad=360∘π rad=180∘1 rad=180∘π\begin{gathered}2\pi\text{ rad}=360^\circ\\\pi\text{ rad}=180^\circ\\1\text{ rad}=\frac{180^\circ}{\pi}\end{gathered}

π é a constante comprimento da circunferência dividido pelo diâmetro, aproximadamente 3,14159. Uma volta tem comprimento 2πr e medida 2πr/r=2π rad. Um radiano é aproximadamente 57,30°, e não 180°.

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Converter sem alterar o ângulo

θ=Dπ180D=θ180π\theta=D\frac\pi{180}\qquad D=\theta\frac{180}\pi
θ=Dπ180D=θ180π\begin{gathered}\theta=D\frac\pi{180}\\D=\theta\frac{180}\pi\end{gathered}

D é o valor numérico em graus e θ o valor numérico em radianos da mesma medida orientada. As fórmulas valem para valores positivos, negativos e zero. Multiplicar por π/180 converte graus para radianos; a operação inversa usa 180/π.

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Referências usuais nas duas unidades

grausradianos0030π/645π/460π/390π/2180π2703π/23602π\begin{array}{c|c}\text{graus}&\text{radianos}\\\hline0&0\\30&\pi/6\\45&\pi/4\\60&\pi/3\\90&\pi/2\\180&\pi\\270&3\pi/2\\360&2\pi\end{array}

Cada linha representa a mesma medida angular em unidades diferentes. As frações com π são exatas. Outros valores são obtidos pela proporcionalidade da conversão, sem decorar uma tabela para cada ângulo.

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Comprimento do arco e percurso circular

s=rθ(θ≥0)s=r∣Δθ∣sem inversa˜o de sentido\begin{gathered}s=r\theta\quad(\theta\ge0)\\s=r|\Delta\theta|\quad\text{sem inversão de sentido}\end{gathered}

r>0 e os ângulos são medidos em radianos. Δθ, lido delta teta, é o giro orientado total, antes de reduzi-lo à primeira volta. Para um arco simples, 0≤θ≤2π; em várias voltas, o percurso conta as repetições. Se o movimento mudar de sentido, some os comprimentos de cada trecho; o módulo do giro resultante pode não dar a distância total.

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Área do setor circular

A=r2θ2A=\frac{r^2\theta}{2}

r>0 e 0≤θ≤2π em radianos descrevem um setor percorrido até uma volta, entre dois raios e o arco escolhido. A é área em unidades quadradas. A fórmula vem de (θ/2π)·πr². Giros maiores que uma volta não representam um novo setor simples com essa área multiplicada.

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Área de um setor de coroa circular

A=(R2−r2)θ2A=\frac{(R^2-r^2)\theta}{2}

Os setores têm o mesmo centro e a mesma abertura 0≤θ≤2π em radianos. R>r≥0 são os raios externo e interno na mesma unidade. A diferença das áreas fornece a faixa; a expressão não é (R−r)²θ/2.

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Posição inicial mais giro orientado

θf=θi+Δθ\theta_f=\theta_i+\Delta\theta

θ com índice i e θ com índice f são medidas orientadas inicial e final, usando uma mesma unidade e referência. Δ indica variação: Δθ é a medida final menos a inicial. No ciclo, o lado inicial padrão é o semieixo horizontal positivo. Anti-horário é positivo; horário, negativo. A posição inicial não precisa ser zero.

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Família de arcos côngruos

θ=α+2kπ(rad)D=D0+360k(graus)k∈Z\begin{gathered}\theta=\alpha+2k\pi\quad(\text{rad})\\D=D_0+360k\quad(\text{graus})\\k\in\mathbb Z\end{gathered}

As medidas usam a mesma origem e orientação no mesmo ciclo. θ e α, lido alfa, são valores em radianos; D e D₀, em graus. ℤ é o conjunto dos inteiros: …,−2,−1,0,1,2,…; k conta voltas algébricas de diferença. O mesmo ponto final ocorre exatamente quando a diferença é um número inteiro de voltas. Medidas e percursos não precisam ser iguais.

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Representante não negativo e representante negativo mais próximo de zero

θ=2kπ+αk∈Z,0≤α<2πγ=α−2π−2π≤γ<0\begin{gathered}\theta=2k\pi+\alpha\\k\in\mathbb Z,\quad0\le\alpha<2\pi\\\gamma=\alpha-2\pi\\-2\pi\le\gamma<0\end{gathered}

Todas as medidas estão em radianos. α, lido alfa, é o único representante em [0,2π). γ, lido gama, é o maior representante estritamente negativo. Quando α=0, γ=−2π; o menor estritamente positivo é 2π. Quando α>0, o menor positivo é α. O coeficiente inteiro k dessa decomposição não é necessariamente a quantidade física de voltas completas já percorridas num movimento negativo.

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Intervalos dos quatro quadrantes

I0<α<π/2IIπ/2<α<πIIIπ<α<3π/2IV3π/2<α<2π\begin{array}{c|c}\mathrm I&0<\alpha<\pi/2\\\mathrm{II}&\pi/2<\alpha<\pi\\\mathrm{III}&\pi<\alpha<3\pi/2\\\mathrm{IV}&3\pi/2<\alpha<2\pi\end{array}

α é o representante em [0,2π), em radianos. Os quatro intervalos são abertos: as posições nos eixos, como 0, π/2, π e 3π/2, não pertencem a quadrante algum. I, II, III e IV são algarismos romanos.

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Circunferência centrada na origem

x2+y2=r2r=1⟹x2+y2=1\begin{gathered}x^2+y^2=r^2\\r=1\Longrightarrow x^2+y^2=1\end{gathered}

r>0 é o raio; (x,y) são coordenadas cartesianas reais com a mesma unidade e origem no centro. A relação é Pitágoras para a distância ao centro. O ciclo trigonométrico usa raio um. O ponto (0,0) é o centro, não pertence à circunferência de raio positivo.

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Seno e cosseno como coordenadas no ciclo

P(θ)=(cos⁡θ,sin⁡θ)P(\theta)=(\cos\theta,\sin\theta)

θ é qualquer medida real em radianos a partir do semieixo x positivo, com orientação convencionada. O ciclo tem centro (0,0) e raio um. Cosseno é a coordenada horizontal e seno a vertical. No primeiro quadrante isso concorda com as razões do triângulo retângulo; em outros pontos as coordenadas podem ser negativas ou zero.

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Escalar e deslocar o ciclo

X=a+rcos⁡θY=b+rsin⁡θ\begin{gathered}X=a+r\cos\theta\\Y=b+r\sin\theta\end{gathered}

O centro da circunferência é (a,b), seu raio r>0 e θ está em radianos, medido a partir da direção horizontal positiva. X,Y são as coordenadas do ponto. Seno e cosseno são adimensionais; r, a, b, X e Y usam a mesma unidade de comprimento. Com centro na origem, cosθ=X/r e sinθ=Y/r.

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Domínio e valores de seno e cosseno

θ∈R−1≤sin⁡θ≤1−1≤cos⁡θ≤1\begin{gathered}\theta\in\mathbb R\\-1\le\sin\theta\le1\\-1\le\cos\theta\le1\end{gathered}

ℝ é o conjunto dos números reais. Toda medida orientada real em radianos determina um ponto do ciclo, por isso seno e cosseno estão definidos para todo θ real. Os valores são coordenadas de pontos de raio um, com os extremos incluídos e atingidos nos eixos. A imagem de cada uma dessas correspondências é [−1,1].

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Relação fundamental em todos os quadrantes

sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta+\cos^2\theta=1

θ é real, em radianos; a identidade vem de x²+y²=1 e P=(cosθ,sinθ). Os quadrados eliminam sinais das coordenadas. sin²θ significa (sinθ)². A identidade vale também nos eixos e para ângulos negativos, mas sozinha não determina os sinais das razões.

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Valores nos eixos do ciclo

θcos⁡θsin⁡θ010π/201π−103π/20−1\begin{array}{c|rr}\theta&\cos\theta&\sin\theta\\\hline0&1&0\\\pi/2&0&1\\\pi&-1&0\\3\pi/2&0&-1\end{array}

Os ângulos da tabela estão em radianos. Somar ou subtrair voltas inteiras mantém o ponto e seus valores. Em particular, 2π representa o mesmo ponto de zero. Pontos nos eixos não têm um quadrante associado.

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Sinais por quadrante

cos⁡sin⁡tan⁡I+++II−+−III−−+IV+−−\begin{array}{c|ccc}&\cos&\sin&\tan\\\hline\mathrm I&+&+&+\\\mathrm{II}&-&+&-\\\mathrm{III}&-&-&+\\\mathrm{IV}&+&-&-\end{array}

A tabela trata pontos dentro dos quadrantes, sem os eixos. Cosseno tem o sinal de x; seno, de y; tangente, de y/x. A tangente exige x≠0. Nenhuma entrada + ou − representa um valor numérico fixo.

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Tangente no ciclo e os ângulos excluídos

tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ=yxθ≠π2+kπ,k∈Z\begin{gathered}\tan\theta=\frac{\sin\theta}{\cos\theta}=\frac yx\\\theta\ne\frac\pi2+k\pi,\quad k\in\mathbb Z\end{gathered}

P=(x,y) pertence ao ciclo e x=cosθ deve ser diferente de zero. θ está em radianos e k é inteiro. Nos ângulos π/2+kπ, o quociente divide por zero e não está definido: não recebe o valor infinito. Em θ=kπ, a tangente vale zero.

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Leitura geométrica da tangente na reta x=1

T=(1,tan⁡θ)T=(1,\tan\theta)

A reta inteira que passa por O e P=(cosθ,sinθ) encontra a reta vertical x=1 quando cosθ≠0. Ela é parametrizada por λP; x=λcosθ=1 dá λ=1/cosθ e y=tanθ. λ, lido lambda, pode ser negativo. Se cosθ<0, a interseção fica no prolongamento oposto à semirreta OP. Se cosθ=0, as retas são paralelas.

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Coordenadas notáveis nos quatro quadrantes

θcos⁡θsin⁡θπ/63/21/2π/42/22/2π/31/23/2θcos⁡θsin⁡θ2π/3−1/23/23π/4−2/22/25π/6−3/21/2θcos⁡θsin⁡θ7π/6−3/2−1/25π/4−2/2−2/24π/3−1/2−3/2θcos⁡θsin⁡θ5π/31/2−3/27π/42/2−2/211π/63/2−1/2\begin{array}{cc}\begin{array}{c|cc}\theta&\cos\theta&\sin\theta\\\hline\pi/6&\sqrt3/2&1/2\\\pi/4&\sqrt2/2&\sqrt2/2\\\pi/3&1/2&\sqrt3/2\end{array}&\begin{array}{c|cc}\theta&\cos\theta&\sin\theta\\\hline2\pi/3&-1/2&\sqrt3/2\\3\pi/4&-\sqrt2/2&\sqrt2/2\\5\pi/6&-\sqrt3/2&1/2\end{array}\\[1em]\begin{array}{c|cc}\theta&\cos\theta&\sin\theta\\\hline7\pi/6&-\sqrt3/2&-1/2\\5\pi/4&-\sqrt2/2&-\sqrt2/2\\4\pi/3&-1/2&-\sqrt3/2\end{array}&\begin{array}{c|cc}\theta&\cos\theta&\sin\theta\\\hline5\pi/3&1/2&-\sqrt3/2\\7\pi/4&\sqrt2/2&-\sqrt2/2\\11\pi/6&\sqrt3/2&-1/2\end{array}\end{array}
θcos⁡θsin⁡θπ/63/21/2π/42/22/2π/31/23/2θcos⁡θsin⁡θ2π/3−1/23/23π/4−2/22/25π/6−3/21/2θcos⁡θsin⁡θ7π/6−3/2−1/25π/4−2/2−2/24π/3−1/2−3/2θcos⁡θsin⁡θ5π/31/2−3/27π/42/2−2/211π/63/2−1/2\begin{gathered}\begin{array}{c|cc}\theta&\cos\theta&\sin\theta\\\hline\pi/6&\sqrt3/2&1/2\\\pi/4&\sqrt2/2&\sqrt2/2\\\pi/3&1/2&\sqrt3/2\end{array}\\[1em]\begin{array}{c|cc}\theta&\cos\theta&\sin\theta\\\hline2\pi/3&-1/2&\sqrt3/2\\3\pi/4&-\sqrt2/2&\sqrt2/2\\5\pi/6&-\sqrt3/2&1/2\end{array}\\[1em]\begin{array}{c|cc}\theta&\cos\theta&\sin\theta\\\hline7\pi/6&-\sqrt3/2&-1/2\\5\pi/4&-\sqrt2/2&-\sqrt2/2\\4\pi/3&-1/2&-\sqrt3/2\end{array}\\[1em]\begin{array}{c|cc}\theta&\cos\theta&\sin\theta\\\hline5\pi/3&1/2&-\sqrt3/2\\7\pi/4&\sqrt2/2&-\sqrt2/2\\11\pi/6&\sqrt3/2&-1/2\end{array}\end{gathered}

Todas as medidas são em radianos. Os quatro grupos correspondem aos quadrantes I, II, III e IV. Os valores do primeiro quadrante vêm de 30°, 45° e 60°, deduzidos na aula anterior; os outros são obtidos por reflexões e escolha dos sinais. As posições dos eixos estão em uma tabela própria.

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Pontos diametralmente opostos

P(θ+π)=−P(θ)cos⁡(θ+π)=−cos⁡θsin⁡(θ+π)=−sin⁡θ\begin{gathered}P(\theta+\pi)=-P(\theta)\\\cos(\theta+\pi)=-\cos\theta\\\sin(\theta+\pi)=-\sin\theta\end{gathered}

θ é real, em radianos. Meia volta leva à outra extremidade do mesmo diâmetro e troca o sinal das duas coordenadas. −P significa trocar (x,y) por (−x,−y), não um comprimento de raio negativo.

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Repetição das razões ao girar

sin⁡(θ+2π)=sin⁡θcos⁡(θ+2π)=cos⁡θtan⁡(θ+π)=tan⁡θ\begin{gathered}\sin(\theta+2\pi)=\sin\theta\\\cos(\theta+2\pi)=\cos\theta\\\tan(\theta+\pi)=\tan\theta\end{gathered}

θ está em radianos. Seno e cosseno repetem após uma volta; a tangente já repete após meia volta porque os dois sinais se invertem e o quociente se conserva. Para a tangente, ambas as medidas precisam pertencer ao domínio. Meia volta não torna os pontos do ciclo iguais.

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Reflexão no eixo horizontal e ângulos negativos

cos⁡(−θ)=cos⁡θsin⁡(−θ)=−sin⁡θtan⁡(−θ)=−tan⁡θ\begin{gathered}\cos(-\theta)=\cos\theta\\\sin(-\theta)=-\sin\theta\\\tan(-\theta)=-\tan\theta\end{gathered}

θ é real, em radianos. Trocar o sentido do giro reflete P no eixo x: a coordenada horizontal permanece e a vertical troca de sinal. A igualdade das tangentes só se aplica onde o cosseno é não nulo.

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Determinar uma coordenada com a outra

y=±1−x2y=\pm\sqrt{1-x^2}

P=(x,y) pertence ao ciclo, então −1≤x≤1. O sinal de y depende da posição; no semiplano superior, y≥0, e no inferior, y≤0. Se x=±1, y=0 e as duas expressões coincidem. Se |x|>1, não existe ponto real do ciclo com essa coordenada.

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Menor ângulo entre duas posições

d=∣α−β∣δ=min⁡(d,2π−d)\begin{gathered}d=|\alpha-\beta|\\\delta=\min(d,2\pi-d)\end{gathered}

α e β são representantes em [0,2π), em radianos. d é a diferença numérica não negativa; δ, lido delta, é o menor ângulo entre as semirretas e pertence a [0,π]. min pede o menor dos dois números. A fórmula compara posições, não mede o giro total já percorrido por um objeto.

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Corda e arco são comprimentos diferentes

c=2rsin⁡(δ/2)c=2r\sin(\delta/2)

r>0 e 0≤δ≤π em radianos é o menor ângulo entre os raios. c é a distância retilínea entre as extremidades; não é o comprimento rδ do arco menor. Para 0<δ<π, a perpendicular ao meio da corda divide o isósceles em dois retângulos. Nos extremos δ=0 e δ=π, temos c=0 e c=2r.

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Velocidade angular em movimento uniforme

ω=ΔθΔtθf=θi+ωΔt\begin{gathered}\omega=\frac{\Delta\theta}{\Delta t}\\\theta_f=\theta_i+\omega\Delta t\end{gathered}

ω, lido ômega, é constante e orientado: positivo no sentido anti-horário, negativo no horário. Δt>0 é o tempo transcorrido e Δθ o giro total, sem reduzir as voltas. Com ângulo em radianos e tempo em segundos, ω é medido em rad/s. Δ significa variação, não multiplicação por uma letra.

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Rapidez ao longo da circunferência

v=sΔt=r∣ω∣v=\frac{s}{\Delta t}=r|\omega|

O movimento circular tem raio r>0 e velocidade angular constante ω em radianos por unidade de tempo. s é a distância percorrida no intervalo positivo Δt, e v≥0 é a rapidez, em comprimento por tempo. A direção muda ao longo da curva; v é o módulo da velocidade, não um vetor constante. Se ω=0, v=0.

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Período, frequência e rotações por minuto

T=2π∣ω∣,f=1T∣ω∣=2πff=N60(rev/s)\begin{gathered}T=\frac{2\pi}{|\omega|},\quad f=\frac1T\\|\omega|=2\pi f\\f=\frac N{60}\quad(\mathrm{rev/s})\end{gathered}

O movimento circular é uniforme e ω≠0. T>0 é o tempo de uma volta; f>0, a quantidade de voltas por unidade de tempo. Se N>0 é dado em rotações por minuto, dividir por sessenta fornece f em voltas por segundo e ω em rad/s. A frequência não indica o sentido; o sinal de ω o registra. Movimento parado não tem esse período de uma volta.

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3Relações fundamentais e redução de arcos

Coordenadas que determinam as razões

P=(x,y)=(cos⁡θ,sin⁡θ)P=(x,y)=(\cos\theta,\sin\theta)

θ, lido teta, é qualquer medida real em radianos; o ciclo tem centro O=(0,0) e raio um. x é horizontal e y vertical. sin e sen indicam seno; tan e tg indicam tangente; cot e cotg, cotangente; csc e cossec, cossecante.

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Relação fundamental em todo o ciclo

sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta+\cos^2\theta=1

θ é real. Vem de x²+y²=1. sin²θ significa (sinθ)², não sin(θ²). Os eixos também satisfazem a identidade. Quadrados não preservam o sinal da coordenada.

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Recuperar uma coordenada sem perder o sinal

cos⁡θ=±1−sin⁡2θsin⁡θ=±1−cos⁡2θ\cos\theta=\pm\sqrt{1-\sin^2\theta}\qquad\sin\theta=\pm\sqrt{1-\cos^2\theta}
cos⁡θ=±1−sin⁡2θsin⁡θ=±1−cos⁡2θ\begin{gathered}\cos\theta=\pm\sqrt{1-\sin^2\theta}\\\sin\theta=\pm\sqrt{1-\cos^2\theta}\end{gathered}

Os valores dados precisam estar entre −1 e 1. A posição ou outro dado escolhe o sinal; sem isso, podem existir duas possibilidades. Se o radicando é zero, as duas escolhas coincidem. A raiz quadrada indicada é a não negativa.

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Tangente como quociente

tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ=yx\tan\theta=\frac{\sin\theta}{\cos\theta}=\frac yx

Exige cosθ=x≠0. Para θ em radianos: θ≠π/2+kπ, com k∈ℤ. ℤ é o conjunto dos inteiros, incluindo negativos e zero; k conta meias-voltas de diferença entre os ângulos excluídos.

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Cotangente definida pelo quociente correto

cot⁡θ=cos⁡θsin⁡θ=xy\cot\theta=\frac{\cos\theta}{\sin\theta}=\frac xy

Exige sinθ=y≠0, isto é, θ≠kπ, k inteiro. Pode valer zero quando cosθ=0. A escrita 1/tanθ só é equivalente onde a tangente existe e é não nula; ela não é uma definição com o domínio completo da cotangente.

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Secante: recíproco do cosseno

sec⁡θ=1cos⁡θ\sec\theta=\frac1{\cos\theta}

Exige cosθ≠0, isto é, θ≠π/2+kπ, k inteiro. O recíproco de a≠0 é 1/a. A secante nunca vale zero; tem o mesmo sinal do cosseno.

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Cossecante: recíproco do seno

csc⁡θ=1sin⁡θ\csc\theta=\frac1{\sin\theta}

Exige sinθ≠0, isto é, θ≠kπ, k inteiro. A cossecante nunca vale zero e tem o mesmo sinal do seno. Recíproco não significa função trigonométrica inversa para descobrir ângulo.

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Domínios das seis razões

sin⁡,cos⁡θ∈Rtan⁡,sec⁡θ≠π/2+kπcot⁡,csc⁡θ≠kπ(k∈Z)\begin{array}{c|c}\sin,\cos&\theta\in\mathbb R\\\tan,\sec&\theta\ne\pi/2+k\pi\\\cot,\csc&\theta\ne k\pi\end{array}\quad(k\in\mathbb Z)

As exclusões são em radianos. Em graus, π/2+kπ corresponde a 90°+180°k; kπ corresponde a 180°k. Uma expressão com várias razões precisa satisfazer todas as restrições, incluindo denominadores externos às razões.

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Valores nos quatro eixos

θsin⁡cos⁡tan⁡0010π/210NDπ0−103π/2−10NDθcot⁡sec⁡csc⁡0ND1NDπ/20ND1πND−1ND3π/20ND−1\begin{array}{cc}\begin{array}{c|rrc}\theta&\sin&\cos&\tan\\\hline0&0&1&0\\\pi/2&1&0&\text{ND}\\\pi&0&-1&0\\3\pi/2&-1&0&\text{ND}\end{array}&\begin{array}{c|crr}\theta&\cot&\sec&\csc\\\hline0&\text{ND}&1&\text{ND}\\\pi/2&0&\text{ND}&1\\\pi&\text{ND}&-1&\text{ND}\\3\pi/2&0&\text{ND}&-1\end{array}\end{array}
θsin⁡cos⁡tan⁡0010π/210NDπ0−103π/2−10NDθcot⁡sec⁡csc⁡0ND1NDπ/20ND1πND−1ND3π/20ND−1\begin{gathered}\begin{array}{c|rrc}\theta&\sin&\cos&\tan\\\hline0&0&1&0\\\pi/2&1&0&\text{ND}\\\pi&0&-1&0\\3\pi/2&-1&0&\text{ND}\end{array}\\[.8em]\begin{array}{c|crr}\theta&\cot&\sec&\csc\\\hline0&\text{ND}&1&\text{ND}\\\pi/2&0&\text{ND}&1\\\pi&\text{ND}&-1&\text{ND}\\3\pi/2&0&\text{ND}&-1\end{array}\end{gathered}

Ângulos em radianos. ND significa não definida, e não infinito ou zero. Os eixos não pertencem aos quadrantes. Voltas inteiras repetem os valores e as exclusões.

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Sinais das seis razões por quadrante

sin⁡cos⁡tan⁡I+++II+−−III−−+IV−+−cot⁡sec⁡csc⁡I+++II−−+III+−−IV−+−\begin{array}{cc}\begin{array}{c|ccc}&\sin&\cos&\tan\\\hline\mathrm I&+&+&+\\\mathrm{II}&+&-&-\\\mathrm{III}&-&-&+\\\mathrm{IV}&-&+&-\end{array}&\begin{array}{c|ccc}&\cot&\sec&\csc\\\hline\mathrm I&+&+&+\\\mathrm{II}&-&-&+\\\mathrm{III}&+&-&-\\\mathrm{IV}&-&+&-\end{array}\end{array}
sin⁡cos⁡tan⁡I+++II+−−III−−+IV−+−cot⁡sec⁡csc⁡I+++II−−+III+−−IV−+−\begin{gathered}\begin{array}{c|ccc}&\sin&\cos&\tan\\\hline\mathrm I&+&+&+\\\mathrm{II}&+&-&-\\\mathrm{III}&-&-&+\\\mathrm{IV}&-&+&-\end{array}\\[.8em]\begin{array}{c|ccc}&\cot&\sec&\csc\\\hline\mathrm I&+&+&+\\\mathrm{II}&-&-&+\\\mathrm{III}&+&-&-\\\mathrm{IV}&-&+&-\end{array}\end{gathered}

Somente interiores dos quadrantes. Os sinais vêm de y, x, y/x, x/y, 1/x e 1/y. Nos eixos, use os valores e restrições específicos.

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Valores que cada razão pode assumir

−1≤sin⁡θ,cos⁡θ≤1tan⁡θ,cot⁡θ∈R∣sec⁡θ∣≥1,∣csc⁡θ∣≥1\begin{gathered}-1\le\sin\theta,\cos\theta\le1\\\tan\theta,\cot\theta\in\mathbb R\\|\sec\theta|\ge1,\quad|\csc\theta|\ge1\end{gathered}

Cada razão é considerada no próprio domínio. Tangente e cotangente assumem todos os valores reais; secante e cossecante assumem exatamente os reais menores ou iguais a −1 ou maiores ou iguais a 1. As barras indicam módulo: |−a|=|a|.

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Produtos e reciprocidades com domínio

cos⁡θsec⁡θ=1sin⁡θcsc⁡θ=1tan⁡θcot⁡θ=1\begin{gathered}\cos\theta\sec\theta=1\\\sin\theta\csc\theta=1\\\tan\theta\cot\theta=1\end{gathered}

Primeira linha: cosθ≠0. Segunda: sinθ≠0. Terceira: sinθ≠0 e cosθ≠0. Na terceira condição, cotθ=1/tanθ e tanθ=1/cotθ. Não se atribui valor a um produto que contenha uma razão indefinida.

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Dividir a relação fundamental por cosseno ao quadrado

1+tan⁡2θ=sec⁡2θ1+\tan^2\theta=\sec^2\theta

Exige cosθ≠0. Dividir sin²θ+cos²θ=1 por cos²θ produz tan²θ+1=1/cos²θ. Dessa identidade segue sec²θ−tan²θ=1.

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Dividir a relação fundamental por seno ao quadrado

1+cot⁡2θ=csc⁡2θ1+\cot^2\theta=\csc^2\theta

Exige sinθ≠0. Dividir sin²θ+cos²θ=1 por sin²θ produz 1+cot²θ=1/sin²θ. Dessa identidade segue csc²θ−cot²θ=1.

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Seno e cosseno a partir de uma tangente finita

tan⁡θ=t∈Rcos⁡θ=ε1+t2sin⁡θ=εt1+t2\begin{gathered}\tan\theta=t\in\mathbb R\\\cos\theta=\frac{\varepsilon}{\sqrt{1+t^2}}\\\sin\theta=\frac{\varepsilon t}{\sqrt{1+t^2}}\end{gathered}

cosθ≠0. ε, lido épsilon, é +1 se o cosseno é positivo e −1 se é negativo. O valor finito t não distingue sozinho pontos opostos. A raiz é positiva. Em t=0, sinθ=0, e cotangente/cossecante não existem.

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Ângulo oposto e paridade

sin⁡(−θ)=−sin⁡θcos⁡(−θ)=cos⁡θtan⁡(−θ)=−tan⁡θcot⁡(−θ)=−cot⁡θsec⁡(−θ)=sec⁡θcsc⁡(−θ)=−csc⁡θ\begin{array}{ll}\sin(-\theta)=-\sin\theta&\cos(-\theta)=\cos\theta\\[.5em]\tan(-\theta)=-\tan\theta&\cot(-\theta)=-\cot\theta\\[.5em]\sec(-\theta)=\sec\theta&\csc(-\theta)=-\csc\theta\end{array}
sin⁡(−θ)=−sin⁡θcos⁡(−θ)=cos⁡θtan⁡(−θ)=−tan⁡θcot⁡(−θ)=−cot⁡θsec⁡(−θ)=sec⁡θcsc⁡(−θ)=−csc⁡θ\begin{gathered}\sin(-\theta)=-\sin\theta\\\cos(-\theta)=\cos\theta\\\tan(-\theta)=-\tan\theta\\\cot(-\theta)=-\cot\theta\\\sec(-\theta)=\sec\theta\\\csc(-\theta)=-\csc\theta\end{gathered}

θ é real em radianos. As igualdades de seno e cosseno valem para todo θ. Para tangente e secante, cosθ≠0; para cotangente e cossecante, sinθ≠0. Cada igualdade conserva o domínio de suas expressões.

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Voltas inteiras e meias-voltas

F(θ+2kπ)=F(θ)F∈{sin⁡,cos⁡,sec⁡,csc⁡}tan⁡(θ+kπ)=tan⁡θcot⁡(θ+kπ)=cot⁡θ\begin{gathered}F(\theta+2k\pi)=F(\theta)\\F\in\{\sin,\cos,\sec,\csc\}\\\tan(\theta+k\pi)=\tan\theta\\\cot(\theta+k\pi)=\cot\theta\end{gathered}

k é qualquer inteiro; ângulos em radianos. F representa uma das quatro razões listadas, no próprio domínio. Tangente e cotangente repetem após π; as outras quatro têm período fundamental 2π. Período fundamental é o menor deslocamento positivo que repete a função inteira, incluindo seu domínio; coincidências isoladas não o determinam.

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Reflexão no eixo vertical: π−θ

sin⁡(π−θ)=sin⁡θcos⁡(π−θ)=−cos⁡θtan⁡(π−θ)=−tan⁡θcot⁡(π−θ)=−cot⁡θsec⁡(π−θ)=−sec⁡θcsc⁡(π−θ)=csc⁡θ\begin{array}{ll}\sin(\pi-\theta)=\sin\theta&\cos(\pi-\theta)=-\cos\theta\\[.5em]\tan(\pi-\theta)=-\tan\theta&\cot(\pi-\theta)=-\cot\theta\\[.5em]\sec(\pi-\theta)=-\sec\theta&\csc(\pi-\theta)=\csc\theta\end{array}
sin⁡(π−θ)=sin⁡θcos⁡(π−θ)=−cos⁡θtan⁡(π−θ)=−tan⁡θcot⁡(π−θ)=−cot⁡θsec⁡(π−θ)=−sec⁡θcsc⁡(π−θ)=csc⁡θ\begin{gathered}\sin(\pi-\theta)=\sin\theta\\\cos(\pi-\theta)=-\cos\theta\\\tan(\pi-\theta)=-\tan\theta\\\cot(\pi-\theta)=-\cot\theta\\\sec(\pi-\theta)=-\sec\theta\\\csc(\pi-\theta)=\csc\theta\end{gathered}

θ é real em radianos. As igualdades de seno e cosseno valem para todo θ. Para tangente e secante, cosθ≠0; para cotangente e cossecante, sinθ≠0. Cada igualdade conserva o domínio de suas expressões.

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Ponto diametralmente oposto: π+θ

sin⁡(π+θ)=−sin⁡θcos⁡(π+θ)=−cos⁡θtan⁡(π+θ)=tan⁡θcot⁡(π+θ)=cot⁡θsec⁡(π+θ)=−sec⁡θcsc⁡(π+θ)=−csc⁡θ\begin{array}{ll}\sin(\pi+\theta)=-\sin\theta&\cos(\pi+\theta)=-\cos\theta\\[.5em]\tan(\pi+\theta)=\tan\theta&\cot(\pi+\theta)=\cot\theta\\[.5em]\sec(\pi+\theta)=-\sec\theta&\csc(\pi+\theta)=-\csc\theta\end{array}
sin⁡(π+θ)=−sin⁡θcos⁡(π+θ)=−cos⁡θtan⁡(π+θ)=tan⁡θcot⁡(π+θ)=cot⁡θsec⁡(π+θ)=−sec⁡θcsc⁡(π+θ)=−csc⁡θ\begin{gathered}\sin(\pi+\theta)=-\sin\theta\\\cos(\pi+\theta)=-\cos\theta\\\tan(\pi+\theta)=\tan\theta\\\cot(\pi+\theta)=\cot\theta\\\sec(\pi+\theta)=-\sec\theta\\\csc(\pi+\theta)=-\csc\theta\end{gathered}

θ é real em radianos. As igualdades de seno e cosseno valem para todo θ. Para tangente e secante, cosθ≠0; para cotangente e cossecante, sinθ≠0. Cada igualdade conserva o domínio de suas expressões.

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Reflexão no eixo horizontal: 2π−θ

sin⁡(2π−θ)=−sin⁡θcos⁡(2π−θ)=cos⁡θtan⁡(2π−θ)=−tan⁡θcot⁡(2π−θ)=−cot⁡θsec⁡(2π−θ)=sec⁡θcsc⁡(2π−θ)=−csc⁡θ\begin{array}{ll}\sin(2\pi-\theta)=-\sin\theta&\cos(2\pi-\theta)=\cos\theta\\[.5em]\tan(2\pi-\theta)=-\tan\theta&\cot(2\pi-\theta)=-\cot\theta\\[.5em]\sec(2\pi-\theta)=\sec\theta&\csc(2\pi-\theta)=-\csc\theta\end{array}
sin⁡(2π−θ)=−sin⁡θcos⁡(2π−θ)=cos⁡θtan⁡(2π−θ)=−tan⁡θcot⁡(2π−θ)=−cot⁡θsec⁡(2π−θ)=sec⁡θcsc⁡(2π−θ)=−csc⁡θ\begin{gathered}\sin(2\pi-\theta)=-\sin\theta\\\cos(2\pi-\theta)=\cos\theta\\\tan(2\pi-\theta)=-\tan\theta\\\cot(2\pi-\theta)=-\cot\theta\\\sec(2\pi-\theta)=\sec\theta\\\csc(2\pi-\theta)=-\csc\theta\end{gathered}

θ é real em radianos. As igualdades de seno e cosseno valem para todo θ. Para tangente e secante, cosθ≠0; para cotangente e cossecante, sinθ≠0. Cada igualdade conserva o domínio de suas expressões.

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Trocar coordenadas: π/2−θ

sin⁡(π/2−θ)=cos⁡θcos⁡(π/2−θ)=sin⁡θtan⁡(π/2−θ)=cot⁡θcot⁡(π/2−θ)=tan⁡θsec⁡(π/2−θ)=csc⁡θcsc⁡(π/2−θ)=sec⁡θ\begin{array}{ll}\sin(\pi/2-\theta)=\cos\theta&\cos(\pi/2-\theta)=\sin\theta\\[.5em]\tan(\pi/2-\theta)=\cot\theta&\cot(\pi/2-\theta)=\tan\theta\\[.5em]\sec(\pi/2-\theta)=\csc\theta&\csc(\pi/2-\theta)=\sec\theta\end{array}
sin⁡(π/2−θ)=cos⁡θcos⁡(π/2−θ)=sin⁡θtan⁡(π/2−θ)=cot⁡θcot⁡(π/2−θ)=tan⁡θsec⁡(π/2−θ)=csc⁡θcsc⁡(π/2−θ)=sec⁡θ\begin{gathered}\sin(\pi/2-\theta)=\cos\theta\\\cos(\pi/2-\theta)=\sin\theta\\\tan(\pi/2-\theta)=\cot\theta\\\cot(\pi/2-\theta)=\tan\theta\\\sec(\pi/2-\theta)=\csc\theta\\\csc(\pi/2-\theta)=\sec\theta\end{gathered}

θ é real em radianos. Seno e cosseno não exigem exclusões. Nas igualdades de tangente e secante do ângulo transformado, sinθ≠0; nas de cotangente e cossecante, cosθ≠0. As condições acompanham cada igualdade, não restringem as outras linhas.

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Girar um quarto de volta: π/2+θ

sin⁡(π/2+θ)=cos⁡θcos⁡(π/2+θ)=−sin⁡θtan⁡(π/2+θ)=−cot⁡θcot⁡(π/2+θ)=−tan⁡θsec⁡(π/2+θ)=−csc⁡θcsc⁡(π/2+θ)=sec⁡θ\begin{array}{ll}\sin(\pi/2+\theta)=\cos\theta&\cos(\pi/2+\theta)=-\sin\theta\\[.5em]\tan(\pi/2+\theta)=-\cot\theta&\cot(\pi/2+\theta)=-\tan\theta\\[.5em]\sec(\pi/2+\theta)=-\csc\theta&\csc(\pi/2+\theta)=\sec\theta\end{array}
sin⁡(π/2+θ)=cos⁡θcos⁡(π/2+θ)=−sin⁡θtan⁡(π/2+θ)=−cot⁡θcot⁡(π/2+θ)=−tan⁡θsec⁡(π/2+θ)=−csc⁡θcsc⁡(π/2+θ)=sec⁡θ\begin{gathered}\sin(\pi/2+\theta)=\cos\theta\\\cos(\pi/2+\theta)=-\sin\theta\\\tan(\pi/2+\theta)=-\cot\theta\\\cot(\pi/2+\theta)=-\tan\theta\\\sec(\pi/2+\theta)=-\csc\theta\\\csc(\pi/2+\theta)=\sec\theta\end{gathered}

θ é real em radianos. Seno e cosseno não exigem exclusões. Nas igualdades de tangente e secante do ângulo transformado, sinθ≠0; nas de cotangente e cossecante, cosθ≠0. As condições acompanham cada igualdade, não restringem as outras linhas.

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Três quartos de volta menos θ

sin⁡(3π/2−θ)=−cos⁡θcos⁡(3π/2−θ)=−sin⁡θtan⁡(3π/2−θ)=cot⁡θcot⁡(3π/2−θ)=tan⁡θsec⁡(3π/2−θ)=−csc⁡θcsc⁡(3π/2−θ)=−sec⁡θ\begin{array}{ll}\sin(3\pi/2-\theta)=-\cos\theta&\cos(3\pi/2-\theta)=-\sin\theta\\[.5em]\tan(3\pi/2-\theta)=\cot\theta&\cot(3\pi/2-\theta)=\tan\theta\\[.5em]\sec(3\pi/2-\theta)=-\csc\theta&\csc(3\pi/2-\theta)=-\sec\theta\end{array}
sin⁡(3π/2−θ)=−cos⁡θcos⁡(3π/2−θ)=−sin⁡θtan⁡(3π/2−θ)=cot⁡θcot⁡(3π/2−θ)=tan⁡θsec⁡(3π/2−θ)=−csc⁡θcsc⁡(3π/2−θ)=−sec⁡θ\begin{gathered}\sin(3\pi/2-\theta)=-\cos\theta\\\cos(3\pi/2-\theta)=-\sin\theta\\\tan(3\pi/2-\theta)=\cot\theta\\\cot(3\pi/2-\theta)=\tan\theta\\\sec(3\pi/2-\theta)=-\csc\theta\\\csc(3\pi/2-\theta)=-\sec\theta\end{gathered}

θ é real em radianos. Seno e cosseno não exigem exclusões. Nas igualdades de tangente e secante do ângulo transformado, sinθ≠0; nas de cotangente e cossecante, cosθ≠0. As condições acompanham cada igualdade, não restringem as outras linhas.

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Três quartos de volta mais θ

sin⁡(3π/2+θ)=−cos⁡θcos⁡(3π/2+θ)=sin⁡θtan⁡(3π/2+θ)=−cot⁡θcot⁡(3π/2+θ)=−tan⁡θsec⁡(3π/2+θ)=csc⁡θcsc⁡(3π/2+θ)=−sec⁡θ\begin{array}{ll}\sin(3\pi/2+\theta)=-\cos\theta&\cos(3\pi/2+\theta)=\sin\theta\\[.5em]\tan(3\pi/2+\theta)=-\cot\theta&\cot(3\pi/2+\theta)=-\tan\theta\\[.5em]\sec(3\pi/2+\theta)=\csc\theta&\csc(3\pi/2+\theta)=-\sec\theta\end{array}
sin⁡(3π/2+θ)=−cos⁡θcos⁡(3π/2+θ)=sin⁡θtan⁡(3π/2+θ)=−cot⁡θcot⁡(3π/2+θ)=−tan⁡θsec⁡(3π/2+θ)=csc⁡θcsc⁡(3π/2+θ)=−sec⁡θ\begin{gathered}\sin(3\pi/2+\theta)=-\cos\theta\\\cos(3\pi/2+\theta)=\sin\theta\\\tan(3\pi/2+\theta)=-\cot\theta\\\cot(3\pi/2+\theta)=-\tan\theta\\\sec(3\pi/2+\theta)=\csc\theta\\\csc(3\pi/2+\theta)=-\sec\theta\end{gathered}

θ é real em radianos. Seno e cosseno não exigem exclusões. Nas igualdades de tangente e secante do ângulo transformado, sinθ≠0; nas de cotangente e cossecante, cosθ≠0. As condições acompanham cada igualdade, não restringem as outras linhas.

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Referência aguda depois da primeira volta

β={α0<α<π/2π−απ/2<α<πα−ππ<α<3π/22π−α3π/2<α<2π\beta=\begin{cases}\alpha&0<\alpha<\pi/2\\\pi-\alpha&\pi/2<\alpha<\pi\\\alpha-\pi&\pi<\alpha<3\pi/2\\2\pi-\alpha&3\pi/2<\alpha<2\pi\end{cases}

α, lido alfa, é o representante do ângulo em [0,2π). β, lido beta, é a abertura aguda até o semieixo horizontal mais próximo. Nos eixos, use a tabela diretamente. A referência fornece módulos; o quadrante original fornece os sinais.

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Substituir quadrados preservando o denominador

1−cos⁡2θsin⁡θ=sin⁡θ(sin⁡θ≠0)1−sin⁡2θcos⁡θ=cos⁡θ(cos⁡θ≠0)\begin{gathered}\frac{1-\cos^2\theta}{\sin\theta}=\sin\theta\quad(\sin\theta\ne0)\\\frac{1-\sin^2\theta}{\cos\theta}=\cos\theta\quad(\cos\theta\ne0)\end{gathered}

O cancelamento ocorre entre fatores não nulos. A expressão simplificada pode ter domínio maior; a igualdade de valores vale no domínio original. Cancelar não preenche os pontos em que a expressão inicial não existia.

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Usar o conjugado sem apagar exclusões

1−cos⁡θsin⁡θ=sin⁡θ1+cos⁡θsin⁡θ≠0\begin{gathered}\frac{1-\cos\theta}{\sin\theta}=\frac{\sin\theta}{1+\cos\theta}\\\sin\theta\ne0\end{gathered}

A condição indicada é o domínio comum. Multiplicamos a primeira fração por (1+cosθ)/(1+cosθ) e usamos 1−cos²θ=sin²θ. Se sinθ≠0, cosθ não pode ser −1, portanto o novo fator é não nulo. A segunda fração isolada também existe em θ=0; a primeira não.

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Raiz de quadrado é módulo

1−sin⁡2θ=∣cos⁡θ∣1−cos⁡2θ=∣sin⁡θ∣\sqrt{1-\sin^2\theta}=|\cos\theta|\qquad\sqrt{1-\cos^2\theta}=|\sin\theta|
1−sin⁡2θ=∣cos⁡θ∣1−cos⁡2θ=∣sin⁡θ∣\begin{gathered}\sqrt{1-\sin^2\theta}=|\cos\theta|\\\sqrt{1-\cos^2\theta}=|\sin\theta|\end{gathered}

θ é real. A raiz quadrada principal é não negativa, enquanto seno/cosseno podem ser negativos. No II e III quadrantes, |cosθ|=−cosθ. Nos eixos, a mesma igualdade continua válida.

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Quadrados da soma e da diferença

(sin⁡θ+cos⁡θ)2=1+2sin⁡θcos⁡θ(sin⁡θ−cos⁡θ)2=1−2sin⁡θcos⁡θ\begin{gathered}(\sin\theta+\cos\theta)^2=1+2\sin\theta\cos\theta\\(\sin\theta-\cos\theta)^2=1-2\sin\theta\cos\theta\end{gathered}

θ é real. Expandir (a±b)² produz a²±2ab+b²; a relação fundamental substitui a soma dos quadrados por um. sinθ+cosθ não é igual a um em geral.

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Limites para soma e diferença

∣sin⁡θ+cos⁡θ∣≤2∣sin⁡θ−cos⁡θ∣≤2\begin{gathered}|\sin\theta+\cos\theta|\le\sqrt2\\|\sin\theta-\cos\theta|\le\sqrt2\end{gathered}

θ é real. Como ambos os quadrados de soma/diferença são não negativos, −1/2≤sinθcosθ≤1/2. A soma atinge módulo √2 quando sinθ=cosθ; a diferença, quando sinθ=−cosθ. Os valores extremos são atingidos, não apenas aproximados.

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4Trigonometria em triângulos quaisquer

Ângulos internos e lados opostos

a=BC,b=CA,c=ABA+B+C=180∘=π rad\begin{gathered}a=BC,\quad b=CA,\quad c=AB\\A+B+C=180^\circ=\pi\text{ rad}\end{gathered}

ABC é um triângulo não degenerado: vértices não alinhados, lados positivos e área positiva. A, B e C também nomeiam os ângulos internos nos respectivos vértices, todos entre 0° e 180°. Use uma só unidade angular em cada soma; π rad é a mesma meia volta de 180°.

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Condição de existência pelos lados

∣b−c∣<a<b+c|b-c|<a<b+c

a,b,c>0, na mesma unidade. A condição equivale às três desigualdades triangulares estritas. A igualdade em qualquer extremo alinha os vértices e não forma um triângulo não degenerado.

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Coordenada de projeção e altura

d=bcos⁡Ah=bsin⁡Ad=b\cos A\qquad{}h=b\sin A
d=bcos⁡Ah=bsin⁡A\begin{gathered}d=b\cos A\\h=b\sin A\end{gathered}

A=(0,0), B=(c,0), C=(d,h), com C acima da reta AB; 0<A<π rad, b,c>0. d é coordenada horizontal assinada e h>0 é altura. O pé da altura pode ficar fora do segmento AB. Quando d<0, o comprimento AH é |d|, não d.

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Lei dos cossenos

a2=b2+c2−2bccos⁡Ab2=a2+c2−2accos⁡Bc2=a2+b2−2abcos⁡Ca^2=b^2+c^2-2bc\cos A\qquad{}b^2=a^2+c^2-2ac\cos B\qquad{}c^2=a^2+b^2-2ab\cos C
a2=b2+c2−2bccos⁡Ab2=a2+c2−2accos⁡Bc2=a2+b2−2abcos⁡C\begin{gathered}a^2=b^2+c^2-2bc\cos A\\b^2=a^2+c^2-2ac\cos B\\c^2=a^2+b^2-2ab\cos C\end{gathered}

Válida em todo triângulo não degenerado, incluindo retângulos e obtusângulos. Cada ângulo está entre os dois lados do produto e oposto ao lado isolado. Todas as medidas de lado usam a mesma unidade.

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Cosseno de um ângulo pelos três lados

cos⁡A=b2+c2−a22bccos⁡B=a2+c2−b22accos⁡C=a2+b2−c22ab\cos A=\frac{b^2+c^2-a^2}{2bc}\qquad{}\cos B=\frac{a^2+c^2-b^2}{2ac}\qquad{}\cos C=\frac{a^2+b^2-c^2}{2ab}
cos⁡A=b2+c2−a22bccos⁡B=a2+c2−b22accos⁡C=a2+b2−c22ab\begin{gathered}\cos A=\frac{b^2+c^2-a^2}{2bc}\\\cos B=\frac{a^2+c^2-b^2}{2ac}\\\cos C=\frac{a^2+b^2-c^2}{2ab}\end{gathered}

Os lados são positivos e satisfazem as desigualdades triangulares estritas. Cada cosseno fica entre −1 e 1, sem os extremos. Para obter o ângulo interno, use arccos no intervalo de 0° a 180°; não escolha automaticamente um ângulo agudo pelo seno.

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Classificar pelo maior lado

L2<u2+v2acutaˆnguloL2=u2+v2retaˆnguloL2>u2+v2obtusaˆngulo\begin{array}{c|c}L^2<u^2+v^2&\text{acutângulo}\\L^2=u^2+v^2&\text{retângulo}\\L^2>u^2+v^2&\text{obtusângulo}\end{array}

L é o maior lado; u e v são os outros dois, todos positivos e formando triângulo. A comparação classifica o maior ângulo pela lei dos cossenos. Se ele é agudo, os demais também são; se ele é reto ou obtuso, nenhum outro pode sê-lo.

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Área por dois lados e o ângulo entre eles

K=bcsin⁡A2K=casin⁡B2K=absin⁡C2K=\frac{bc\sin A}{2}\qquad{}K=\frac{ca\sin B}{2}\qquad{}K=\frac{ab\sin C}{2}
K=bcsin⁡A2K=casin⁡B2K=absin⁡C2\begin{gathered}K=\frac{bc\sin A}{2}\\K=\frac{ca\sin B}{2}\\K=\frac{ab\sin C}{2}\end{gathered}

K>0 representa a área, em unidades quadradas. O ângulo precisa estar entre os dois lados escolhidos e ser interno, de 0° a 180°. Seu seno é positivo, inclusive no caso obtuso. A fórmula vem de base vezes altura dividido por dois.

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Lei dos senos e sua forma recíproca

asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡Csin⁡Aa=sin⁡Bb=sin⁡Cc\frac a{\sin A}=\frac b{\sin B}=\frac c{\sin C}\qquad{}\frac{\sin A}a=\frac{\sin B}b=\frac{\sin C}c
asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡Csin⁡Aa=sin⁡Bb=sin⁡Cc\begin{gathered}\frac a{\sin A}=\frac b{\sin B}=\frac c{\sin C}\\\frac{\sin A}a=\frac{\sin B}b=\frac{\sin C}c\end{gathered}

Triângulo não degenerado. Cada lado acompanha o seno do ângulo oposto, não do ângulo adjacente. Lados e senos dos ângulos internos são positivos, permitindo inverter as proporções. Não se usa a medida do ângulo no lugar de seu seno.

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Lei dos senos com o diâmetro circunscrito

asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C=2R\frac a{\sin A}=\frac b{\sin B}=\frac c{\sin C}=2R

R>0 é o raio da única circunferência que passa pelos três vértices. A razão comum é o diâmetro 2R, e não R. O centro pode estar dentro, sobre um lado ou fora do triângulo; a relação vale nos três casos.

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Raio da circunferência circunscrita

R=a2sin⁡AR=\frac a{2\sin A}

a>0 e 0<A<π rad são lado e ângulo opostos de um triângulo. R tem a unidade do lado. Trocar a por b ou c exige trocar também o ângulo correspondente.

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Um lado não ultrapassa o diâmetro

a=2Rsin⁡A≤2Ra=2R\sin A\le2R

R>0. A igualdade a=2R ocorre exatamente quando A=90°; nesse caso a é a hipotenusa e um diâmetro da circunferência circunscrita. Com R e a fornecidos, a>2R é impossível.

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Área, três lados e raio circunscrito

K=abc4RK=\frac{abc}{4R}

a,b,c são lados de um triângulo não degenerado e R>0 é seu raio circunscrito. Substituir sinA=a/(2R) na área bc sinA/2 demonstra a relação. Equivalentemente, R=abc/(4K), com K>0.

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Mudança de escala

(a′,b′,c′)=λ(a,b,c)K′=λ2K(a',b',c')=\lambda(a,b,c)\qquad{}K'=\lambda^2K
(a′,b′,c′)=λ(a,b,c)K′=λ2K\begin{gathered}(a',b',c')=\lambda(a,b,c)\\K'=\lambda^2K\end{gathered}

λ, lido lambda, é um fator positivo. O apóstrofo identifica a figura ampliada ou reduzida; K e K′ são suas áreas. Ângulos se conservam; comprimentos e perímetro multiplicam por λ, áreas por λ². Só conhecer os três ângulos não fixa comprimentos.

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Escolher o ângulo interno pela operação inversa

A=arccos⁡q,−1<q<1B0=arcsin⁡k,0<k≤1B1=180∘−B0\begin{gathered}A=\arccos q,\quad -1<q<1\\B_0=\arcsin k,\quad0<k\le1\\B_1=180^\circ-B_0\end{gathered}

Aqui q é um cosseno dado e k um seno positivo dado. arccos fornece o único ângulo entre 0° e 180° com aquele cosseno. arcsin fornece B₀ entre 0° e 90°; o suplemento B₁ tem o mesmo seno. Se k=1, os dois candidatos coincidem. Filtre os candidatos pela soma dos ângulos. A notação não é recíproco; em radianos, use π−B₀.

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Caso de dois lados e ângulo oposto: primeiro teste

k=bsin⁡Aa=sin⁡Bk=\frac{b\sin A}{a}=\sin B

Dados a,b>0 e 0<A<180°, sendo a oposto ao ângulo conhecido A. k>1 impede triângulo. Se 0<k≤1, gere B₀ e 180°−B₀ e retenha apenas os distintos que satisfazem A+B<180°. k≤1 sozinho não garante existência.

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Contagem no caso de ângulo conhecido agudo

h=bsin⁡A,0<A<90∘a<h0a=h1h<a<b2a≥b1\begin{gathered}h=b\sin A,\quad0<A<90^\circ\\\begin{array}{c|c}a<h&0\\a=h&1\\h<a<b&2\\a\ge b&1\end{array}\end{gathered}

a,b>0 e a é oposto a A. O número à direita conta triângulos não congruentes, sem contar reflexões como novos casos. Para a=h, B=90°. Para a=b, a segunda posição alinha os vértices e é descartada. A tabela exige A agudo; não a aplique a A obtuso.

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Ângulo conhecido reto ou obtuso

90∘≤A<180∘a≤b0a>b1\begin{gathered}90^\circ\le A<180^\circ\\\begin{array}{c|c}a\le b&0\\a>b&1\end{array}\end{gathered}

a,b>0, com a oposto a A. O lado oposto ao ângulo reto ou obtuso precisa ser estritamente maior que b. No caso reto, a é hipotenusa; a=b produziria terceiro lado zero. A condição a>b é também suficiente neste conjunto de dados.

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Confirmar a ambiguidade pela lei dos cossenos

c=bcos⁡A±a2−b2sin⁡2Ac=b\cos A\pm\sqrt{a^2-b^2\sin^2 A}

Dados a,b>0 e 0<A<180°. A lei dos cossenos produz uma equação do segundo grau em c. O radicando precisa ser não negativo, cada raiz aceita precisa ser positiva, e raízes iguais contam uma vez. Uma raiz zero ou negativa não é lado. O teste algébrico concorda com a filtragem dos ângulos.

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Área máxima com dois lados fixos

0<K=bcsin⁡A2≤bc20<K=\frac{bc\sin A}{2}\le\frac{bc}{2}

b,c>0 fixos e 0<A<180°. O máximo bc/2 ocorre em A=90°. Uma área estritamente entre zero e esse máximo fornece dois ângulos suplementares para os mesmos lados, em geral com terceiros lados diferentes.

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Fórmula de Heron

s=a+b+c2K=s(s−a)(s−b)(s−c)\begin{gathered}s=\frac{a+b+c}{2}\\K=\sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}\end{gathered}

s é o semiperímetro, metade da soma dos lados; não é um seno. a,b,c>0 satisfazem as desigualdades triangulares estritas, então os quatro fatores são positivos. A raiz é a positiva porque K é área. Uma lista degenerada não passa a ser triângulo por fornecer área zero na expressão.

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Identidade que demonstra Heron

16K2=4b2c2−(b2+c2−a2)2=(a2−(b−c)2)((b+c)2−a2)=16s(s−a)(s−b)(s−c)\begin{gathered}16K^2=4b^2c^2-(b^2+c^2-a^2)^2\\=\bigl(a^2-(b-c)^2\bigr)\bigl((b+c)^2-a^2\bigr)\\=16s(s-a)(s-b)(s-c)\end{gathered}

s=(a+b+c)/2 é o semiperímetro. No triângulo não degenerado, substitua o cosseno fornecido pela lei dos cossenos em 16K²=4b²c² sin²A. A diferença de quadrados produz quatro fatores lineares; cada um corresponde a duas vezes um dos fatores do semiperímetro.

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Área e raio da circunferência inscrita

K=rsK=rs

r>0 é o raio da circunferência inscrita, tangente aos três lados, e s=(a+b+c)/2. Ligar seu centro aos vértices divide o triângulo em três áreas com altura r: ar/2+br/2+cr/2=rs. r não é o raio circunscrito R.

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Comprimento da mediana

ma=122b2+2c2−a2m_a=\frac12\sqrt{2b^2+2c^2-a^2}

m com índice a mede AM, onde M é o ponto médio de BC. a,b,c são lados do mesmo triângulo não degenerado. A expressão sob a raiz é positiva. Somar as leis dos cossenos nos dois triângulos de bases a/2 cancela os termos de cossenos suplementares.

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Divisão do lado pela bissetriz interna

BDDC=ABAC=cb\frac{BD}{DC}=\frac{AB}{AC}=\frac cb

D pertence ao interior de BC e AD divide o ângulo A em duas partes iguais. Os segmentos BD e DC são positivos e somam a. As áreas ABD e ACD têm a mesma altura relativa à reta BC; o seno dos ângulos iguais em A permite comparar suas áreas também pelos lados AB e AC.

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Alturas a partir da área

ha=2Kahb=2Kbhc=2Kch_a=\frac{2K}{a}\qquad{}h_b=\frac{2K}{b}\qquad{}h_c=\frac{2K}{c}
ha=2Kahb=2Kbhc=2Kc\begin{gathered}h_a=\frac{2K}{a}\\h_b=\frac{2K}{b}\\h_c=\frac{2K}{c}\end{gathered}

Cada índice identifica o lado usado como base. K>0 é a área comum e os lados são positivos, na mesma unidade. Altura é distância à reta que contém a base; pode cair no prolongamento. A altura relativa a a também é c sinB=b sinC.

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Diagonais de um paralelogramo

p2=u2+v2+2uvcos⁡θq2=u2+v2−2uvcos⁡θp^2=u^2+v^2+2uv\cos\theta\qquad{}q^2=u^2+v^2-2uv\cos\theta
p2=u2+v2+2uvcos⁡θq2=u2+v2−2uvcos⁡θ\begin{gathered}p^2=u^2+v^2+2uv\cos\theta\\q^2=u^2+v^2-2uv\cos\theta\end{gathered}

u,v>0 são lados adjacentes e 0<θ<180° é o ângulo entre eles. p liga o vértice escolhido ao oposto; q liga as extremidades dos dois lados. O primeiro triângulo usa o suplemento de θ. Não se presume p maior que q; isso depende do sinal do cosseno.

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Distância após dois trechos e uma mudança de direção

d2=u2+v2+2uvcos⁡φd^2=u^2+v^2+2uv\cos\varphi

u,v>0 são os comprimentos dos trechos; φ, lido fi, é a mudança de rumo medida da continuação do primeiro trecho para o segundo, com 0<φ<180°. O ângulo interno do triângulo é 180°−φ. d é a distância direta da partida à chegada, não o percurso u+v. Giros para esquerda ou direita com o mesmo módulo dão a mesma distância.

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Medição a partir de uma base conhecida

CP=dsin⁡αsin⁡(α+β)h=dsin⁡αsin⁡βsin⁡(α+β)CP=\frac{d\sin\alpha}{\sin(\alpha+\beta)}\qquad{}h=\frac{d\sin\alpha\sin\beta}{\sin(\alpha+\beta)}
CP=dsin⁡αsin⁡(α+β)h=dsin⁡αsin⁡βsin⁡(α+β)\begin{gathered}CP=\frac{d\sin\alpha}{\sin(\alpha+\beta)}\\h=\frac{d\sin\alpha\sin\beta}{\sin(\alpha+\beta)}\end{gathered}

C=(0,0) e D=(d,0) são estações numa base horizontal; d>0. P está acima da reta CD no mesmo plano de medição, com ângulos internos α no vértice D e β no vértice C. α e β, lidos alfa e beta, são positivos e somam menos de 180°; h é a distância de P à reta CD. A expressão de CP usa o ângulo oposto α; a altura usa CP sinβ. As visadas são modeladas por segmentos no mesmo plano.

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Dois ângulos e um lado fixam o triângulo

C=180∘−A−Bb=asin⁡Bsin⁡A,c=asin⁡Csin⁡A\begin{gathered}C=180^\circ-A-B\\b=\frac{a\sin B}{\sin A},\quad c=\frac{a\sin C}{\sin A}\end{gathered}

a>0, A>0, B>0 e A+B<180°. O lado a é oposto a A. Se o lado conhecido for outro, primeiro identifique seu ângulo oposto. ALA e LAA significam dois ângulos e um lado; AAA, apenas três ângulos, fixa semelhança e não a escala.

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Comparar lados e seus ângulos opostos

a>b  ⟺  A>Ba>b\iff A>B

No mesmo triângulo não degenerado. O símbolo ⇔ significa equivalência: uma condição vale exatamente quando a outra vale. Lados iguais têm ângulos opostos iguais. Não se conclui que o lado é proporcional à medida do ângulo; a proporcionalidade correta usa seus senos.

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5Funções trigonométricas

Função, domínio e imagem

f:D→C,y=f(x)Im⁡(f)={f(x):x∈D}⊆C\begin{gathered}f:D\to C,\quad y=f(x)\\\operatorname{Im}(f)=\{f(x):x\in D\}\subseteq C\end{gathered}

D é o domínio, conjunto das entradas admitidas; C é o contradomínio, conjunto escolhido para receber as saídas. Para cada x de D há exatamente uma saída f(x). A imagem contém só as saídas atingidas. Entradas diferentes podem ter a mesma saída. O símbolo ⊆ significa estar contido, permitindo igualdade.

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Entrada angular em radianos

180∘=π radu=πx180\begin{gathered}180^\circ=\pi\text{ rad}\\u=\frac{\pi x}{180}\end{gathered}

Se x é o valor em graus, u é a mesma medida em radianos. Nas funções e gráficos desta aula, argumento sem ° é medido em radianos. Se a entrada é tempo ou distância, o coeficiente do modelo converte essa entrada em argumento angular.

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Período e período fundamental

T>0,D+T=D,f(x+T)=f(x) (x∈D)T>0,\quad D+T=D,\quad f(x+T)=f(x)\ (x\in D)

D+T é o conjunto obtido ao somar T a cada entrada do domínio. A igualdade exige repetir valores e pontos admitidos. Período fundamental é o menor T positivo com essa propriedade, quando existe. Uma coincidência isolada não determina período. Constante em toda a reta real aceita todo T>0 e não tem menor período positivo.

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Domínio, imagem e período do seno

f(x)=sin⁡x,D=RIm⁡(f)=[−1,1],T=2π\begin{gathered}f(x)=\sin x,\quad D=\mathbb R\\\operatorname{Im}(f)=[-1,1],\quad T=2\pi\end{gathered}

ℝ é o conjunto dos reais. A entrada é uma medida em radianos e a saída é a coordenada vertical do ponto do ciclo. Uma volta repete todo o movimento. Os extremos −1 e 1 são atingidos e por isso recebem colchetes.

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Referências para construir seno e cosseno

xsin⁡xcos⁡x001π/210π0−13π/2−102π01\begin{array}{c|rr}x&\sin x&\cos x\\\hline0&0&1\\\pi/2&1&0\\\pi&0&-1\\3\pi/2&-1&0\\2\pi&0&1\end{array}

Entradas em radianos. Cada ponto do gráfico do seno é (x,sin x); no cosseno é (x,cos x). Esses pontos não são as coordenadas (cos x,sin x) do ciclo. A curva entre referências vem do movimento contínuo no ciclo, não de ligar apenas cinco pontos por segmentos retos.

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Zeros e extremos do seno

sin⁡x=0  ⟺  x=kπsin⁡x=1  ⟺  x=π/2+2kπsin⁡x=−1  ⟺  x=3π/2+2kπ\sin x=0\iff x=k\pi\qquad{}\sin x=1\iff x=\pi/2+2k\pi\qquad{}\sin x=-1\iff x=3\pi/2+2k\pi
sin⁡x=0  ⟺  x=kπsin⁡x=1  ⟺  x=π/2+2kπsin⁡x=−1  ⟺  x=3π/2+2kπ\begin{gathered}\sin x=0\iff x=k\pi\\\sin x=1\iff x=\pi/2+2k\pi\\\sin x=-1\iff x=3\pi/2+2k\pi\end{gathered}

k∈ℤ é qualquer inteiro, incluindo negativos e zero. ⇔ significa que as condições são equivalentes. Zero da função é uma entrada cuja saída é zero; máximo/mínimo são valores de saída, atingidos nas entradas indicadas.

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Sinal e variação do seno

sin⁡x>0 (2kπ<x<π+2kπ)sin⁡x<0 (π+2kπ<x<2π+2kπ)↗ [−π/2+2kπ,π/2+2kπ]↘ [π/2+2kπ,3π/2+2kπ]\begin{gathered}\sin x>0\ (2k\pi<x<\pi+2k\pi)\\\sin x<0\ (\pi+2k\pi<x<2\pi+2k\pi)\\\nearrow\ [-\pi/2+2k\pi,\pi/2+2k\pi]\\\searrow\ [\pi/2+2k\pi,3\pi/2+2k\pi]\end{gathered}

k é inteiro. A seta para cima indica crescimento estrito; a seta para baixo, decrescimento estrito. Nos zeros, o sinal não é positivo nem negativo. Ser positivo não significa estar crescendo; são propriedades diferentes.

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Domínio, imagem e período do cosseno

g(x)=cos⁡x,D=RIm⁡(g)=[−1,1],T=2π\begin{gathered}g(x)=\cos x,\quad D=\mathbb R\\\operatorname{Im}(g)=[-1,1],\quad T=2\pi\end{gathered}

Entrada em radianos; saída é a coordenada horizontal do ciclo. O gráfico passa por (0,1), desce até (π,−1) e volta a (2π,1). O gráfico tem os mesmos extremos e período do seno, mas parte de outra posição.

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Zeros e extremos do cosseno

cos⁡x=0  ⟺  x=π/2+kπcos⁡x=1  ⟺  x=2kπcos⁡x=−1  ⟺  x=π+2kπ\cos x=0\iff x=\pi/2+k\pi\qquad{}\cos x=1\iff x=2k\pi\qquad{}\cos x=-1\iff x=\pi+2k\pi
cos⁡x=0  ⟺  x=π/2+kπcos⁡x=1  ⟺  x=2kπcos⁡x=−1  ⟺  x=π+2kπ\begin{gathered}\cos x=0\iff x=\pi/2+k\pi\\\cos x=1\iff x=2k\pi\\\cos x=-1\iff x=\pi+2k\pi\end{gathered}

k é inteiro. As entradas são radianos. O máximo é um, o mínimo menos um; cada um ocorre infinitas vezes em toda a reta.

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Sinal e variação do cosseno

cos⁡x>0 (−π/2+2kπ<x<π/2+2kπ)cos⁡x<0 (π/2+2kπ<x<3π/2+2kπ)↘ [2kπ,π+2kπ]↗ [π+2kπ,2π+2kπ]\begin{gathered}\cos x>0\ (-\pi/2+2k\pi<x<\pi/2+2k\pi)\\\cos x<0\ (\pi/2+2k\pi<x<3\pi/2+2k\pi)\\\searrow\ [2k\pi,\pi+2k\pi]\\\nearrow\ [\pi+2k\pi,2\pi+2k\pi]\end{gathered}

k é inteiro. Os intervalos de sinal excluem zeros; os de variação podem incluir extremos. As afirmações descrevem intervalos consecutivos, não crescimento ou decrescimento global.

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Paridade e simetria

cos⁡(−x)=cos⁡x,sec⁡(−x)=sec⁡xF(−x)=−F(x)F∈{sin⁡,tan⁡,cot⁡,csc⁡}\cos(-x)=\cos x,\quad\sec(-x)=\sec x\qquad{}F(-x)=-F(x)\quad F\in\{\sin,\tan,\cot,\csc\}
cos⁡(−x)=cos⁡x,sec⁡(−x)=sec⁡xF(−x)=−F(x)F∈{sin⁡,tan⁡,cot⁡,csc⁡}\begin{gathered}\cos(-x)=\cos x,\quad\sec(-x)=\sec x\\F(-x)=-F(x)\quad F\in\{\sin,\tan,\cot,\csc\}\end{gathered}

O domínio precisa ser simétrico em relação a zero. Função par tem gráfico simétrico no eixo vertical; ímpar, por meia volta em torno da origem. Cada razão é considerada onde está definida. F representa uma das quatro razões da segunda linha. Translações podem alterar essa propriedade.

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Função tangente e suas assíntotas

y=tan⁡x,x≠π/2+kπIm⁡=R,T=πtan⁡x=0  ⟺  x=kπ\begin{gathered}y=\tan x,\quad x\ne\pi/2+k\pi\\\operatorname{Im}=\mathbb R,\quad T=\pi\\\tan x=0\iff x=k\pi\end{gathered}

k é inteiro. Em cada intervalo (−π/2+kπ,π/2+kπ), a tangente cresce de valores sem limite inferior a valores sem limite superior. As retas x=π/2+kπ são assíntotas verticais e não contêm pontos desse gráfico. A função não tem amplitude nem extremos absolutos; não é crescente globalmente ao atravessar as exclusões.

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Função cotangente e suas assíntotas

y=cot⁡x,x≠kπIm⁡=R,T=πcot⁡x=0  ⟺  x=π/2+kπ\begin{gathered}y=\cot x,\quad x\ne k\pi\\\operatorname{Im}=\mathbb R,\quad T=\pi\\\cot x=0\iff x=\pi/2+k\pi\end{gathered}

k é inteiro. A definição é cos x/sin x. Em cada intervalo (kπ,(k+1)π), ela decresce do sentido positivo sem limite ao negativo sem limite. x=kπ são assíntotas verticais. Cotangente existe e vale zero onde o cosseno zera, mesmo quando a tangente não existe; 1/tan x só coincide no domínio comum.

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Gráfico da secante

y=sec⁡x=1cos⁡x,x≠π/2+kπIm⁡=(−∞,−1]∪[1,+∞)T=2π\begin{gathered}y=\sec x=\frac1{\cos x},\quad x\ne\pi/2+k\pi\\\operatorname{Im}=(-\infty,-1]\cup[1,+\infty)\\T=2\pi\end{gathered}

k é inteiro. ∪ indica união dos dois intervalos e ∞ não é um valor atingido. As assíntotas verticais estão nos zeros do cosseno. A secante é par, nunca zera, tem mínimo local 1 em 2kπ e máximo local −1 em π+2kπ. Não tem máximo/mínimo absoluto nem amplitude, pois é ilimitada nos dois sentidos.

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Gráfico da cossecante

y=csc⁡x=1sin⁡x,x≠kπIm⁡=(−∞,−1]∪[1,+∞)T=2π\begin{gathered}y=\csc x=\frac1{\sin x},\quad x\ne k\pi\\\operatorname{Im}=(-\infty,-1]\cup[1,+\infty)\\T=2\pi\end{gathered}

k é inteiro. As assíntotas verticais estão nos zeros do seno. A cossecante é ímpar e nunca zera. Tem mínimo local 1 em π/2+2kπ e máximo local −1 em 3π/2+2kπ; continua ilimitada e sem extremos absolutos ou amplitude.

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Amplitude, imagem e período de uma senoide

y=d+aF(bx+c),F∈{sin⁡,cos⁡}amplitude=∣a∣,T=2π∣b∣Im⁡=[d−∣a∣,d+∣a∣]\begin{gathered}y=d+aF(bx+c),\quad F\in\{\sin,\cos\}\\\text{amplitude}=|a|,\quad T=\frac{2\pi}{|b|}\\\operatorname{Im}=[d-|a|,d+|a|]\end{gathered}

a,b,c,d são constantes reais, com a≠0 e b≠0; D=ℝ e o argumento é em radianos. d é a linha média; a escala e pode refletir as saídas em torno dela; b altera a escala horizontal e pode refletir a orientação; c altera a fase. A amplitude é a distância da linha média a um extremo, metade da distância entre máximo e mínimo.

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Deslocamento horizontal correto

bx+c=b(x−h)h=−cbbx+c=b(x-h)\qquad{}h=-\frac cb
bx+c=b(x−h)h=−cb\begin{gathered}bx+c=b(x-h)\\h=-\frac cb\end{gathered}

b≠0. h tem a unidade da entrada e é um deslocamento horizontal possível; h>0 move a referência para a direita, h<0 para a esquerda. c é uma fase angular, não o deslocamento h. Para b negativo, a ordem das referências de argumento se inverte. Deslocamentos que diferem por um período podem representar o mesmo gráfico.

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Transportar pontos de um gráfico

u=bx+c⟹x=u−cb(u,F(u))⟼(u−cb,d+aF(u))\begin{gathered}u=bx+c\quad\Longrightarrow\quad x=\frac{u-c}{b}\\(u,F(u))\longmapsto\left(\frac{u-c}{b},d+aF(u)\right)\end{gathered}

b≠0. u é o argumento da função básica F, x a entrada transformada. Para seno/cosseno, use u=0,π/2,π,3π/2,2π como referências de um ciclo. Se b<0, as abscissas obtidas ficam em ordem decrescente e precisam ser lidas/ordenadas corretamente.

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Período, frequência e frequência angular

ν=1Tω=∣b∣=2πν\nu=\frac1T\qquad{}\omega=|b|=2\pi\nu
ν=1Tω=∣b∣=2πν\begin{gathered}\nu=\frac1T\\\omega=|b|=2\pi\nu\end{gathered}

A entrada é tempo e a senoide não é constante. T é duração de um ciclo, ν, lido ni, é número de ciclos por unidade de tempo, e ω, lido ômega, é frequência angular em radianos por essa unidade. Se o tempo está em segundos, ν é em Hz e ω em rad/s. O sinal de b não torna a frequência negativa.

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Ler parâmetros nos extremos e no período

d=M+m2∣a∣=M−m2∣b∣=2πTd=\frac{M+m}{2}\qquad{}|a|=\frac{M-m}{2}\qquad{}|b|=\frac{2\pi}{T}
d=M+m2∣a∣=M−m2∣b∣=2πT\begin{gathered}d=\frac{M+m}{2}\\|a|=\frac{M-m}{2}\\|b|=\frac{2\pi}{T}\end{gathered}

Uma senoide não constante foi observada com máximo M, mínimo m e período fundamental T>0. As letras M,m nomeiam valores de saída. M>m. Falta ainda escolher a fase e, conforme a forma, o sinal de a ou b; um gráfico parcial pode não mostrar os extremos de toda a função.

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Casos que deixam de oscilar

a=0⟹d+asin⁡(bx+c)=db=0⟹d+asin⁡(bx+c)=d+asin⁡c\begin{gathered}a=0\Longrightarrow d+a\sin(bx+c)=d\\b=0\Longrightarrow d+a\sin(bx+c)=d+a\sin c\end{gathered}

Vale analogamente para cosseno, em D=ℝ. A amplitude da função constante é zero; a regra 2π/|b| não fornece seu período fundamental. Toda translação positiva repete uma constante na reta real, sem existir menor período positivo. Quocientes ou razões indefinidas exigem preservar seu domínio antes de simplificar.

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Tangente com escala e deslocamentos

y=d+atan⁡(bx+c),T=π∣b∣bx+c≠π/2+kπ,Im⁡=R\begin{gathered}y=d+a\tan(bx+c),\quad T=\frac\pi{|b|}\\bx+c\ne\pi/2+k\pi,\quad\operatorname{Im}=\mathbb R\end{gathered}

a≠0, b≠0 e k inteiro; argumento em radianos. As retas x=(π/2−c+kπ)/b são assíntotas verticais. A linha y=d marca os centros dos ramos, não uma assíntota horizontal. O gráfico cresce em cada ramo se ab>0 e decresce se ab<0. |a| é escala vertical, não amplitude.

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Cotangente, secante e cossecante transformadas

y=d+aF(bx+c),ab≠0F=cot⁡:T=π/∣b∣, Im⁡=RF∈{sec⁡,csc⁡}:T=2π/∣b∣Im⁡=(−∞,d−∣a∣]∪[d+∣a∣,+∞)\begin{gathered}y=d+aF(bx+c),\quad a b\ne0\\F=\cot:\quad T=\pi/|b|,\ \operatorname{Im}=\mathbb R\\F\in\{\sec,\csc\}:\quad T=2\pi/|b|\\\operatorname{Im}=(-\infty,d-|a|]\cup[d+|a|,+\infty)\end{gathered}

a,b,c,d reais. Cotangente e cossecante excluem bx+c=kπ; secante exclui bx+c=π/2+kπ, k inteiro. As fronteiras da imagem são atingidas, mas o intervalo aberto entre elas não. Essas funções não têm amplitude. Se a=0 ou b=0, analise o domínio original e os casos constantes separadamente.

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Período quando o argumento está explicitamente em graus

sin⁡((bx+c)∘),cos⁡((bx+c)∘): T=360/∣b∣tan⁡((bx+c)∘),cot⁡((bx+c)∘): T=180/∣b∣\sin((bx+c)^\circ),\cos((bx+c)^\circ):\ T=360/|b|\qquad{}\tan((bx+c)^\circ),\cot((bx+c)^\circ):\ T=180/|b|
sin⁡((bx+c)∘),cos⁡((bx+c)∘): T=360/∣b∣tan⁡((bx+c)∘),cot⁡((bx+c)∘): T=180/∣b∣\begin{gathered}\sin((bx+c)^\circ),\cos((bx+c)^\circ):\ T=360/|b|\\\tan((bx+c)^\circ),\cot((bx+c)^\circ):\ T=180/|b|\end{gathered}

b≠0 e a função tem escala vertical não nula. T é medido na unidade da entrada x. Essas fórmulas só se aplicam ao argumento marcado em graus; as fórmulas com π usam radianos. A mudança de unidade não altera o fenômeno, mas altera seus valores numéricos no eixo.

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Operações que podem mudar o período

f(x)=∣sin⁡x∣,g(x)=sin⁡2xIm⁡(f)=Im⁡(g)=[0,1]Tf=Tg=π\begin{gathered}f(x)=|\sin x|,\quad g(x)=\sin^2x\\\operatorname{Im}(f)=\operatorname{Im}(g)=[0,1]\\T_f=T_g=\pi\end{gathered}

O domínio é ℝ. A meia volta troca o sinal do seno, mas módulo e quadrado eliminam essa troca. Os zeros são kπ, separados por π, o que impede período positivo menor. Não aplique automaticamente o período da senoide original após uma nova operação.

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Arco seno principal

y=arcsin⁡u  ⟺  sin⁡y=u,−π/2≤y≤π/2D=[−1,1],Im⁡=[−π/2,π/2]\begin{gathered}y=\arcsin u\iff\sin y=u,\quad -\pi/2\le y\le\pi/2\\D=[-1,1],\quad\operatorname{Im}=[-\pi/2,\pi/2]\end{gathered}

A inversa usa o seno restrito ao intervalo em que cresce de −1 a 1 sem repetir saídas. Os extremos são incluídos. arcsin é crescente e ímpar. A entrada é uma razão real entre −1 e 1 e a saída aqui está em radianos.

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Arco cosseno principal

y=arccos⁡u  ⟺  cos⁡y=u,0≤y≤πD=[−1,1],Im⁡=[0,π]\begin{gathered}y=\arccos u\iff\cos y=u,\quad0\le y\le\pi\\D=[-1,1],\quad\operatorname{Im}=[0,\pi]\end{gathered}

Usa o cosseno restrito a [0,π], onde decresce de 1 a −1. Os extremos são incluídos. arccos é decrescente; não é par nem ímpar. Entrada em razão real, saída em radianos. Para −1<u<0, a saída é obtusa; para u=−1, é π, um ângulo raso.

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Arco tangente principal

y=arctan⁡u  ⟺  tan⁡y=u,−π/2<y<π/2D=R,Im⁡=(−π/2,π/2)\begin{gathered}y=\arctan u\iff\tan y=u,\quad-\pi/2<y<\pi/2\\D=\mathbb R,\quad\operatorname{Im}=(-\pi/2,\pi/2)\end{gathered}

Usa um ramo crescente da tangente. arctan é crescente e ímpar. As retas y=±π/2 são assíntotas horizontais; os extremos da imagem não são atingidos. Nenhum número real finito tem arco tangente principal igual a π/2 ou −π/2.

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Compor uma função e sua inversa

sin⁡(arcsin⁡u)=u,cos⁡(arccos⁡u)=utan⁡(arctan⁡v)=v\sin(\arcsin u)=u,\quad\cos(\arccos u)=u\qquad{}\tan(\arctan v)=v
sin⁡(arcsin⁡u)=u,cos⁡(arccos⁡u)=utan⁡(arctan⁡v)=v\begin{gathered}\sin(\arcsin u)=u,\quad\cos(\arccos u)=u\\\tan(\arctan v)=v\end{gathered}

u∈[−1,1] e v real. Na ordem inversa, arcsin(sin x)=x apenas para x∈[−π/2,π/2], arccos(cos x)=x apenas para x∈[0,π] e arctan(tan x)=x apenas para x∈(−π/2,π/2). Fora desses intervalos, recupere o representante principal, conservando o domínio.

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Composições e sinais das raízes

cos⁡(arcsin⁡u)=1−u2sin⁡(arccos⁡u)=1−u2cos⁡(arctan⁡v)=11+v2sin⁡(arctan⁡v)=v1+v2\cos(\arcsin u)=\sqrt{1-u^2}\qquad{}\sin(\arccos u)=\sqrt{1-u^2}\qquad{}\cos(\arctan v)=\frac1{\sqrt{1+v^2}}\qquad{}\sin(\arctan v)=\frac v{\sqrt{1+v^2}}
cos⁡(arcsin⁡u)=1−u2sin⁡(arccos⁡u)=1−u2cos⁡(arctan⁡v)=11+v2sin⁡(arctan⁡v)=v1+v2\begin{gathered}\cos(\arcsin u)=\sqrt{1-u^2}\\\sin(\arccos u)=\sqrt{1-u^2}\\\cos(\arctan v)=\frac1{\sqrt{1+v^2}}\\\sin(\arctan v)=\frac v{\sqrt{1+v^2}}\end{gathered}

u∈[−1,1] e v real. As raízes são principais, não negativas. O cosseno no intervalo principal de arcsin/arctan e o seno no intervalo principal de arccos são não negativos; no arctan o cosseno é estritamente positivo. Outras razões obtidas por quociente exigem conferir também o novo denominador.

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Domínio de expressões compostas

F(x):x∈DF, F(x)≥01F(x):x∈DF, F(x)≠0arcsin⁡(F(x)):x∈DF, −1≤F(x)≤1\begin{gathered}\sqrt{F(x)}:\quad x\in D_F,\ F(x)\ge0\\\frac1{F(x)}:\quad x\in D_F,\ F(x)\ne0\\\arcsin(F(x)):\quad x\in D_F,\ -1\le F(x)\le1\end{gathered}

D com índice F é o domínio da expressão interna F. Primeiro essa expressão precisa existir; depois aplique a condição da operação externa. Cancelamento ou multiplicação por zero não preenche automaticamente os pontos em que a expressão original era indefinida.

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Altura em um movimento circular uniforme

H(t)=d−rcos⁡(2πtT)H(t)=d-r\cos\left(\frac{2\pi t}{T}\right)

r>0 é o raio, d≥r a altura do centro em relação ao chão e T>0 o tempo de uma volta. O ponto começa embaixo em t=0 e o movimento é uniforme; t≥0 é o intervalo físico. Alturas mínima e máxima são d−r e d+r. A expressão estendida a t real tem período T; o modelo físico usa sua restrição ao tempo não negativo.

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6Transformações trigonométricas

Argumento e potência são operações diferentes

sin⁡2x=(sin⁡x)2sin⁡(2x)=sin⁡(x+x)\sin^2x=(\sin x)^2\qquad{}\sin(2x)=\sin(x+x)
sin⁡2x=(sin⁡x)2sin⁡(2x)=sin⁡(x+x)\begin{gathered}\sin^2x=(\sin x)^2\\\sin(2x)=\sin(x+x)\end{gathered}

x é uma medida angular. O dois fora, como expoente, eleva o valor ao quadrado; dentro, multiplica o argumento. α (alfa), β (beta), θ (teta), u e v representarão medidas angulares reais. Some medidas na mesma unidade. Sem °, a unidade adotada é radiano.

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Duas expressões para o quadrado de uma corda

P=(cos⁡α,sin⁡α),Q=(cos⁡β,sin⁡β)PQ2=2−2(cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β)PQ2=2−2cos⁡(α−β)\begin{gathered}P=(\cos\alpha,\sin\alpha),\quad Q=(\cos\beta,\sin\beta)\\PQ^2=2-2(\cos\alpha\cos\beta+\sin\alpha\sin\beta)\\PQ^2=2-2\cos(\alpha-\beta)\end{gathered}

P e Q pertencem ao ciclo de raio um. PQ é a distância, não um produto de pontos. A primeira igualdade vem da distância por coordenadas e da relação fundamental; a segunda, da rotação que leva Q a (1,0) e P ao argumento α−β. Funciona inclusive para pontos coincidentes e arcos negativos ou com voltas extras.

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Cosseno da diferença

cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha-\beta)=\cos\alpha\cos\beta+\sin\alpha\sin\beta

α e β são reais, na mesma unidade angular. Não há denominador nem exclusão. O sinal entre os dois produtos é positivo para uma diferença de argumentos.

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Cosseno da soma

cos⁡(α+β)=cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha+\beta)=\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta

α e β reais. Obtida substituindo β por −β no cosseno da diferença, com cosseno par e seno ímpar. O sinal entre os produtos é negativo; cosseno de uma soma não é soma de cossenos.

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Seno da soma

sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha+\beta)=\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta

α e β reais. Os produtos são mistos: seno de um argumento vezes cosseno do outro. A identidade vale em todos os quadrantes e eixos, não apenas para ângulos agudos.

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Seno da diferença

sin⁡(α−β)=sin⁡αcos⁡β−cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha-\beta)=\sin\alpha\cos\beta-\cos\alpha\sin\beta

α e β reais. Preserve a ordem da subtração: trocar α por β inverte o sinal do seno da diferença. O cosseno da diferença, por sua vez, é par no argumento e não muda com essa troca.

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Tangente da soma

tan⁡(α+β)=tan⁡α+tan⁡β1−tan⁡αtan⁡β\tan(\alpha+\beta)=\frac{\tan\alpha+\tan\beta}{1-\tan\alpha\tan\beta}

Exige cosα≠0, cosβ≠0 e cos(α+β)≠0. As duas primeiras condições permitem usar tanα e tanβ; sob elas, a terceira equivale a 1−tanα·tanβ≠0. Se uma tangente individual não existe, a tangente da soma ainda pode existir, mas esta forma não pode ser usada; volte a seno/cosseno.

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Tangente da diferença

tan⁡(α−β)=tan⁡α−tan⁡β1+tan⁡αtan⁡β\tan(\alpha-\beta)=\frac{\tan\alpha-\tan\beta}{1+\tan\alpha\tan\beta}

Exige cosα≠0, cosβ≠0 e cos(α−β)≠0. Com as duas tangentes individuais definidas, a última condição equivale a 1+tanα·tanβ≠0. Não transforme divisão por zero em infinito como valor de uma função real.

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Coordenadas após uma rotação

X=xcos⁡β−ysin⁡βY=xsin⁡β+ycos⁡βX=x\cos\beta-y\sin\beta\qquad{}Y=x\sin\beta+y\cos\beta
X=xcos⁡β−ysin⁡βY=xsin⁡β+ycos⁡β\begin{gathered}X=x\cos\beta-y\sin\beta\\Y=x\sin\beta+y\cos\beta\end{gathered}

(x,y) é o ponto inicial e (X,Y) o ponto após girar de β em torno da origem. β positivo gira no sentido anti-horário; negativo, horário. A origem permanece fixa. A rotação conserva distâncias à origem e ângulos entre segmentos girados juntos.

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Combinar seno e cosseno do mesmo argumento

Asin⁡x+Bcos⁡x=Rsin⁡(x+φ)R=A2+B2,cos⁡φ=A/R,sin⁡φ=B/R\begin{gathered}A\sin x+B\cos x=R\sin(x+\varphi)\\R=\sqrt{A^2+B^2},\quad\cos\varphi=A/R,\quad\sin\varphi=B/R\end{gathered}

A e B são constantes reais, não ambas nulas; R>0 e φ, lido fi, é um ângulo com as coordenadas indicadas. Sua posição no ciclo depende dos sinais de A e B, incluindo os eixos quando um deles é zero; só conhecer tanφ não basta para escolhê-lo. A imagem é [−R,R] em domínio real, e com argumento x o período fundamental é 2π. Se A=B=0, a regra é constante zero e φ não é determinado.

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Seno do arco duplo

sin⁡(2x)=2sin⁡xcos⁡x\sin(2x)=2\sin x\cos x

x real. Vem de somar x consigo mesmo. Não confundir com 2sin x. O argumento pode ser uma expressão inteira, como x+π/6; nesse caso o duplo é 2x+π/3.

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Três formas do cosseno do arco duplo

cos⁡(2x)=cos⁡2x−sin⁡2xcos⁡(2x)=1−2sin⁡2xcos⁡(2x)=2cos⁡2x−1\cos(2x)=\cos^2x-\sin^2x\qquad{}\cos(2x)=1-2\sin^2x\qquad{}\cos(2x)=2\cos^2x-1
cos⁡(2x)=cos⁡2x−sin⁡2xcos⁡(2x)=1−2sin⁡2xcos⁡(2x)=2cos⁡2x−1\begin{gathered}\cos(2x)=\cos^2x-\sin^2x\\\cos(2x)=1-2\sin^2x\\\cos(2x)=2\cos^2x-1\end{gathered}

x real, sem exclusões. A primeira forma vem da soma; as outras usam sin²x+cos²x=1. Escolha a escrita que usa a razão conhecida ou cria o fator desejado.

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Tangente do arco duplo

tan⁡(2x)=2tan⁡x1−tan⁡2x\tan(2x)=\frac{2\tan x}{1-\tan^2x}

Exige cosx≠0 e cos(2x)≠0; com tanx definido, a segunda condição equivale a tan²x≠1. A forma sin(2x)/cos(2x) não exige a existência de tanx e pode calcular entradas que esta escrita exclui.

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Reduzir quadrados a argumentos duplos

sin⁡2x=1−cos⁡(2x)2cos⁡2x=1+cos⁡(2x)2tan⁡2x=1−cos⁡(2x)1+cos⁡(2x)\sin^2x=\frac{1-\cos(2x)}2\qquad{}\cos^2x=\frac{1+\cos(2x)}2\qquad{}\tan^2x=\frac{1-\cos(2x)}{1+\cos(2x)}
sin⁡2x=1−cos⁡(2x)2cos⁡2x=1+cos⁡(2x)2tan⁡2x=1−cos⁡(2x)1+cos⁡(2x)\begin{gathered}\sin^2x=\frac{1-\cos(2x)}2\\\cos^2x=\frac{1+\cos(2x)}2\\\tan^2x=\frac{1-\cos(2x)}{1+\cos(2x)}\end{gathered}

As duas primeiras valem para todo x real. A terceira exige cosx≠0, equivalente a 1+cos(2x)≠0. Redução de potência é uma reescrita, não uma aproximação e não a redução de um arco ao primeiro quadrante.

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Reduzir potências de grau quatro

sin⁡4x=3−4cos⁡(2x)+cos⁡(4x)8cos⁡4x=3+4cos⁡(2x)+cos⁡(4x)8sin⁡4x+cos⁡4x=3+cos⁡(4x)4\sin^4x=\frac{3-4\cos(2x)+\cos(4x)}8\qquad{}\cos^4x=\frac{3+4\cos(2x)+\cos(4x)}8\qquad{}\sin^4x+\cos^4x=\frac{3+\cos(4x)}4
sin⁡4x=3−4cos⁡(2x)+cos⁡(4x)8cos⁡4x=3+4cos⁡(2x)+cos⁡(4x)8sin⁡4x+cos⁡4x=3+cos⁡(4x)4\begin{gathered}\sin^4x=\frac{3-4\cos(2x)+\cos(4x)}8\\\cos^4x=\frac{3+4\cos(2x)+\cos(4x)}8\\\sin^4x+\cos^4x=\frac{3+\cos(4x)}4\end{gathered}

x real. Eleve ao quadrado as relações de redução de potência e reduza também cos²(2x). Os termos de cos(2x) cancelam na soma das quartas potências.

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Seno, cosseno e tangente do arco triplo

sin⁡(3x)=3sin⁡x−4sin⁡3xcos⁡(3x)=4cos⁡3x−3cos⁡xtan⁡(3x)=3t−t31−3t2,t=tan⁡x\sin(3x)=3\sin x-4\sin^3x\qquad{}\cos(3x)=4\cos^3x-3\cos x\qquad{}\tan(3x)=\frac{3t-t^3}{1-3t^2},\quad t=\tan x
sin⁡(3x)=3sin⁡x−4sin⁡3xcos⁡(3x)=4cos⁡3x−3cos⁡xtan⁡(3x)=3t−t31−3t2,t=tan⁡x\begin{gathered}\sin(3x)=3\sin x-4\sin^3x\\\cos(3x)=4\cos^3x-3\cos x\\\tan(3x)=\frac{3t-t^3}{1-3t^2},\quad t=\tan x\end{gathered}

Seno e cosseno: todo x real. A forma em t da tangente exige cosx≠0 e cos(3x)≠0; sob cosx≠0, a última condição equivale a 1−3t²≠0. Deduza por 3x=2x+x; não suponha que a tangente de 2x precisa existir para usar a fórmula final, pois ela também pode ser obtida diretamente por seno e cosseno.

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Quadrados no arco metade

sin⁡2(x/2)=1−cos⁡x2cos⁡2(x/2)=1+cos⁡x2\sin^2(x/2)=\frac{1-\cos x}{2}\qquad{}\cos^2(x/2)=\frac{1+\cos x}{2}
sin⁡2(x/2)=1−cos⁡x2cos⁡2(x/2)=1+cos⁡x2\begin{gathered}\sin^2(x/2)=\frac{1-\cos x}{2}\\\cos^2(x/2)=\frac{1+\cos x}{2}\end{gathered}

x real. Substitua o argumento das fórmulas de redução por x/2. As duas partes à direita são não negativas, porque −1≤cosx≤1. Ainda falta escolher sinais se quisermos seno e cosseno, sem o quadrado.

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Seno e cosseno do arco metade

sin⁡(x/2)=±1−cos⁡x2cos⁡(x/2)=±1+cos⁡x2\sin(x/2)=\pm\sqrt{\frac{1-\cos x}2}\qquad{}\cos(x/2)=\pm\sqrt{\frac{1+\cos x}2}
sin⁡(x/2)=±1−cos⁡x2cos⁡(x/2)=±1+cos⁡x2\begin{gathered}\sin(x/2)=\pm\sqrt{\frac{1-\cos x}2}\\\cos(x/2)=\pm\sqrt{\frac{1+\cos x}2}\end{gathered}

x real. Cada sinal é escolhido pelo quadrante ou eixo de x/2, não pelo de x. Não significa que a função tenha duas saídas: a informação disponível pode deixar o sinal indeterminado. Se a raiz é zero, ambos os sinais dão o mesmo valor. A raiz principal de um quadrado é o módulo da base.

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Tangente do arco metade por uma raiz

tan⁡(x/2)=±1−cos⁡x1+cos⁡x\tan(x/2)=\pm\sqrt{\frac{1-\cos x}{1+\cos x}}

Exige cosx≠−1, equivalente a cos(x/2)≠0. Escolha o sinal pela tangente de x/2. Conhecer apenas cosx pode não determinar esse sinal. A condição exclui x=π+2kπ, com k inteiro.

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Duas formas racionais para tangente do arco metade

tan⁡(x/2)=sin⁡x1+cos⁡xtan⁡(x/2)=1−cos⁡xsin⁡x\tan(x/2)=\frac{\sin x}{1+\cos x}\qquad{}\tan(x/2)=\frac{1-\cos x}{\sin x}
tan⁡(x/2)=sin⁡x1+cos⁡xtan⁡(x/2)=1−cos⁡xsin⁡x\begin{gathered}\tan(x/2)=\frac{\sin x}{1+\cos x}\\\tan(x/2)=\frac{1-\cos x}{\sin x}\end{gathered}

A primeira exige cosx≠−1 e cobre todo o domínio real da tangente de x/2. A segunda exige sinx≠0, condição mais forte. Em x=2kπ a primeira dá zero e a segunda é indefinida. k é qualquer inteiro. As escritas só são intercambiáveis no domínio comum; racionalizar não preenche pontos excluídos.

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Produto de cossenos em soma

cos⁡ucos⁡v=cos⁡(u−v)+cos⁡(u+v)2\cos u\cos v=\frac{\cos(u-v)+\cos(u+v)}2

u e v reais na mesma unidade. Obtida somando as fórmulas do cosseno da diferença e da soma. Não exige dividir por função trigonométrica e não cria exclusões.

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Produto de senos em diferença

sin⁡usin⁡v=cos⁡(u−v)−cos⁡(u+v)2\sin u\sin v=\frac{\cos(u-v)-\cos(u+v)}2

u e v reais. Subtraia a fórmula do cosseno da soma da fórmula do cosseno da diferença. Preserve a ordem dos dois termos à direita.

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Seno vezes cosseno em soma

sin⁡ucos⁡v=sin⁡(u+v)+sin⁡(u−v)2\sin u\cos v=\frac{\sin(u+v)+\sin(u-v)}2

u e v reais. Some as fórmulas do seno da soma e da diferença. O argumento u acompanha o fator seno; não troque silenciosamente os papéis.

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Cosseno vezes seno em diferença

cos⁡usin⁡v=sin⁡(u+v)−sin⁡(u−v)2\cos u\sin v=\frac{\sin(u+v)-\sin(u-v)}2

u e v reais. Subtraia o seno da diferença do seno da soma. Também se obtém trocando u e v na forma seno vezes cosseno e usando a imparidade do seno.

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Meia soma e meia diferença dos argumentos

p=u+v2,q=u−v2u=p+q,v=p−qp=\frac{u+v}2,\quad q=\frac{u-v}2\qquad{}u=p+q,\quad v=p-q
p=u+v2,q=u−v2u=p+q,v=p−q\begin{gathered}p=\frac{u+v}2,\quad q=\frac{u-v}2\\u=p+q,\quad v=p-q\end{gathered}

u,v,p,q são medidas angulares reais. p é a meia soma e q a meia diferença orientada. A substituição resolve um sistema linear, não divide os valores dos senos. Trocar u por v muda o sinal de q.

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Soma de senos em produto

sin⁡u+sin⁡v=2sin⁡(u+v2)cos⁡(u−v2)\sin u+\sin v=2\sin\left(\frac{u+v}2\right)\cos\left(\frac{u-v}2\right)

u e v reais. O primeiro fator usa a meia soma; o segundo, a meia diferença. Os dois senos individuais não precisam ser valores notáveis para o produto poder ser calculado.

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Diferença de senos em produto

sin⁡u−sin⁡v=2cos⁡(u+v2)sin⁡(u−v2)\sin u-\sin v=2\cos\left(\frac{u+v}2\right)\sin\left(\frac{u-v}2\right)

u e v reais. A meia diferença fica no seno e conserva a ordem u−v. Inverter a subtração inverte o sinal do resultado.

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Soma de cossenos em produto

cos⁡u+cos⁡v=2cos⁡(u+v2)cos⁡(u−v2)\cos u+\cos v=2\cos\left(\frac{u+v}2\right)\cos\left(\frac{u-v}2\right)

u e v reais. Os dois fatores são cossenos. Não é a mesma operação que calcular cos(u+v).

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Diferença de cossenos em produto

cos⁡u−cos⁡v=−2sin⁡(u+v2)sin⁡(u−v2)\cos u-\cos v=-2\sin\left(\frac{u+v}2\right)\sin\left(\frac{u-v}2\right)

u e v reais. Há um sinal negativo antes do produto. Pode-se escrever +2 se também se inverter a meia diferença; não faça apenas uma das mudanças.

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Quociente de somas e domínio preservado

sin⁡u+sin⁡vcos⁡u+cos⁡v=tan⁡(u+v2)\frac{\sin u+\sin v}{\cos u+\cos v}=\tan\left(\frac{u+v}2\right)

A expressão original exige cosu+cosv≠0. Pela fatoração, isso equivale a cos((u+v)/2)≠0 e cos((u−v)/2)≠0 simultaneamente. Cancelar o segundo fator não elimina essa condição. A tangente isolada pode existir onde o quociente original não existe.

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Substituição pela tangente do arco metade

t=tan⁡(x/2),sin⁡x=2t1+t2cos⁡x=1−t21+t2tan⁡x=2t1−t2t=\tan(x/2),\quad\sin x=\frac{2t}{1+t^2}\qquad{}\cos x=\frac{1-t^2}{1+t^2}\qquad{}\tan x=\frac{2t}{1-t^2}
t=tan⁡(x/2),sin⁡x=2t1+t2cos⁡x=1−t21+t2tan⁡x=2t1−t2\begin{gathered}t=\tan(x/2),\quad\sin x=\frac{2t}{1+t^2}\\\cos x=\frac{1-t^2}{1+t^2}\\\tan x=\frac{2t}{1-t^2}\end{gathered}

t é um parâmetro real, não tempo neste registro. Exige x≠π+2kπ, k inteiro, para definir t. Como 1+t²>0, seno e cosseno não ganham novas exclusões. A forma para tanx exige também t≠±1. x é recuperado apenas até voltas de 2π; as entradas x=π+2kπ precisam ser examinadas separadamente em uma expressão original.

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Soma de duas oscilações

sin⁡(ω1t)+sin⁡(ω2t)=2sin⁡(ω1+ω22t)cos⁡(ω1−ω22t)\sin(\omega_1t)+\sin(\omega_2t)=2\sin\left(\frac{\omega_1+\omega_2}2t\right)\cos\left(\frac{\omega_1-\omega_2}2t\right)

t representa tempo e ω₁, ω₂ são frequências angulares em radianos por unidade de tempo, mantida a mesma unidade. A identidade vale também para frequências iguais ou nulas. O módulo da soma é no máximo 2|cos((ω₁−ω₂)t/2)|. Quando esse limite varia, ele não é uma amplitude constante; a desigualdade não garante que o limite seja atingido em cada instante.

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7Equações e inequações trigonométricas

Solução, domínio e universo

S={x∈U∩D:F(x)=G(x)}S=\{x\in U\cap D:F(x)=G(x)\}

S é o conjunto-solução; U é o universo pedido, como um intervalo; D é o domínio comum das expressões. ∩ significa interseção: pertencer aos dois conjuntos. ℝ são os reais, ℤ os inteiros e ∅ o conjunto vazio. Para inequações, troque a igualdade pela comparação desejada. Sem indicação diferente, argumentos sem ° usam radianos.

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Equação elementar do seno

α=arcsin⁡c∈[−π/2,π/2]sin⁡x=c  ⟺  x=α+2kπ ou x=π−α+2kπ\alpha=\arcsin c\in[-\pi/2,\pi/2]\qquad{}\sin x=c\iff x=\alpha+2k\pi\ \text{ou}\ x=\pi-\alpha+2k\pi
α=arcsin⁡c∈[−π/2,π/2]sin⁡x=c  ⟺  x=α+2kπ ou x=π−α+2kπ\begin{gathered}\alpha=\arcsin c\in[-\pi/2,\pi/2]\\\sin x=c\iff x=\alpha+2k\pi\ \text{ou}\ x=\pi-\alpha+2k\pi\end{gathered}

Exige −1≤c≤1; fora dessa imagem não há solução real. k∈ℤ significa qualquer inteiro, negativo, zero ou positivo; cada família percorre seus inteiros independentemente. O arco seno fornece um representante principal, não todas as soluções. Se as famílias coincidem, registre cada entrada uma só vez.

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Equação elementar do cosseno

α=arccos⁡c∈[0,π]cos⁡x=c  ⟺  x=α+2kπ ou x=−α+2kπ\alpha=\arccos c\in[0,\pi]\qquad{}\cos x=c\iff x=\alpha+2k\pi\ \text{ou}\ x=-\alpha+2k\pi
α=arccos⁡c∈[0,π]cos⁡x=c  ⟺  x=α+2kπ ou x=−α+2kπ\begin{gathered}\alpha=\arccos c\in[0,\pi]\\\cos x=c\iff x=\alpha+2k\pi\ \text{ou}\ x=-\alpha+2k\pi\end{gathered}

−1≤c≤1 e k inteiro. As duas posições são reflexões no eixo horizontal. Fora da imagem não há solução; nos extremos da imagem as famílias se sobrepõem. Use o intervalo solicitado para filtrar as entradas.

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Equação elementar da tangente

tan⁡x=c  ⟺  x=arctan⁡c+kπ\tan x=c\iff x=\arctan c+k\pi

c é qualquer real, k inteiro. arctan c∈(−π/2,π/2). A tangente tem período π e domínio x≠π/2+kπ. As entradas geradas para c finito pertencem ao domínio; uma expressão original pode impor outras exclusões.

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Zeros e extremos nas equações

sin⁡x=0  ⟺  x=kπcos⁡x=0  ⟺  x=π/2+kπsin⁡x=1  ⟺  x=π/2+2kπsin⁡x=−1  ⟺  x=3π/2+2kπcos⁡x=1  ⟺  x=2kπcos⁡x=−1  ⟺  x=π+2kπ\begin{gathered}\sin x=0\iff x=k\pi\\\cos x=0\iff x=\pi/2+k\pi\\\sin x=1\iff x=\pi/2+2k\pi\\\sin x=-1\iff x=3\pi/2+2k\pi\\\cos x=1\iff x=2k\pi\\\cos x=-1\iff x=\pi+2k\pi\end{gathered}

k é inteiro. Esses casos evitam contar duas vezes famílias coincidentes. Um intervalo fechado [0,2π] pode incluir as duas entradas distintas zero e 2π, embora representem o mesmo ponto no ciclo.

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Famílias quando as medidas estão em graus

sin⁡x=sin⁡α: x=α+360∘k ou x=180∘−α+360∘kcos⁡x=cos⁡α: x=±α+360∘ktan⁡x=tan⁡α: x=α+180∘k\sin x=\sin\alpha:\ x=\alpha+360^\circ k\ \text{ou}\ x=180^\circ-\alpha+360^\circ k\qquad{}\cos x=\cos\alpha:\ x=\pm\alpha+360^\circ k\qquad{}\tan x=\tan\alpha:\ x=\alpha+180^\circ k
sin⁡x=sin⁡α: x=α+360∘k ou x=180∘−α+360∘kcos⁡x=cos⁡α: x=±α+360∘ktan⁡x=tan⁡α: x=α+180∘k\begin{gathered}\sin x=\sin\alpha:\ x=\alpha+360^\circ k\ \text{ou}\ x=180^\circ-\alpha+360^\circ k\\\cos x=\cos\alpha:\ x=\pm\alpha+360^\circ k\\\tan x=\tan\alpha:\ x=\alpha+180^\circ k\end{gathered}

x e α são medidas em graus, k inteiro. Para a tangente, ambas devem pertencer ao domínio. Não some π a uma medida em graus sem converter unidades; DEG/RAD também afeta as saídas das funções inversas.

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Igualdade entre dois senos

sin⁡u=sin⁡v  ⟺  u=v+2kπ ou u=π−v+2kπ\sin u=\sin v\iff u=v+2k\pi\ \text{ou}\ u=\pi-v+2k\pi

u e v são argumentos reais, que podem depender da mesma incógnita; k inteiro. Uma mesma ordenada no ciclo corresponde às duas posições refletidas no eixo vertical. A segunda família não pode ser omitida. Filtre o domínio das expressões que definem u e v.

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Igualdade entre dois cossenos

cos⁡u=cos⁡v  ⟺  u=v+2kπ ou u=−v+2kπ\cos u=\cos v\iff u=v+2k\pi\ \text{ou}\ u=-v+2k\pi

u e v reais, k inteiro. Preserve as duas possibilidades e a escala dos argumentos. A notação ±v resume essas duas famílias; não representa uma escolha arbitrária de um único sinal.

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Igualdade entre duas tangentes

tan⁡u=tan⁡v  ⟺  u=v+kπ\tan u=\tan v\iff u=v+k\pi

Exige cosu≠0 e cosv≠0 na expressão original; k inteiro. Primeiro resolva a relação entre argumentos e depois elimine candidatos que deixem qualquer tangente indefinida.

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Desfazer um argumento afim

u=ax+b⟹x=u−bau=ax+b\quad\Longrightarrow\quad x=\frac{u-b}{a}

a,b são constantes reais e a≠0. Transforme também o intervalo da incógnita para o argumento, ou gere as famílias completas antes de filtrar x. Se a<0, a ordem das fronteiras de uma desigualdade se inverte. Se a=0, avalie a expressão constante e seu domínio separadamente.

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Equações de secante e cossecante

sec⁡x=c  ⟺  cos⁡x=1/ccsc⁡x=c  ⟺  sin⁡x=1/c\sec x=c\iff\cos x=1/c\qquad{}\csc x=c\iff\sin x=1/c
sec⁡x=c  ⟺  cos⁡x=1/ccsc⁡x=c  ⟺  sin⁡x=1/c\begin{gathered}\sec x=c\iff\cos x=1/c\\\csc x=c\iff\sin x=1/c\end{gathered}

Para haver solução é necessário |c|≥1. Nesse caso c é não nulo e a razão 1/c também não é zero, preservando o domínio da recíproca. Valores de módulo menor que um não pertencem à imagem de secante/cossecante.

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Equação da cotangente sem perder seus zeros

cot⁡x=c  ⟺  x=π2−arctan⁡c+kπ\cot x=c\iff x=\frac\pi2-\arctan c+k\pi

c real, k inteiro. A cotangente é cosx/sinx e exige sinx≠0. A referência π/2−arctan c pertence a (0,π). Para c=0, a solução é π/2+kπ; não use 1/tanx como definição em todo o domínio.

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Produto nulo e união de alternativas

F(x)G(x)=0  ⟺  F(x)=0 ou G(x)=0F(x)G(x)=0\iff F(x)=0\ \text{ou}\ G(x)=0

Trabalhe no domínio comum das expressões originais. Um produto de números reais é zero quando ao menos um fator é zero. Não divida por um fator que pode zerar: isso elimina justamente uma família de soluções.

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Imagem da variável auxiliar

u=sin⁡x ou u=cos⁡x:−1≤u≤1v=sin⁡2x ou v=cos⁡2x:0≤v≤1u=\sin x\ \text{ou}\ u=\cos x:\quad -1\le u\le1\qquad{}v=\sin^2x\ \text{ou}\ v=\cos^2x:\quad 0\le v\le1
u=sin⁡x ou u=cos⁡x:−1≤u≤1v=sin⁡2x ou v=cos⁡2x:0≤v≤1\begin{gathered}u=\sin x\ \text{ou}\ u=\cos x:\quad -1\le u\le1\\v=\sin^2x\ \text{ou}\ v=\cos^2x:\quad 0\le v\le1\end{gathered}

Resolva a equação ou inequação algébrica, intersecte com a imagem permitida e depois volte à incógnita angular. A variável auxiliar não é o próprio ângulo. Para tangente, a imagem é ℝ, mas as exclusões do argumento continuam necessárias.

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Equação com seno e cosseno do mesmo argumento

Asin⁡x+Bcos⁡x=C  ⟺  sin⁡(x+φ)=C/RA\sin x+B\cos x=C\iff\sin(x+\varphi)=C/R

A,B,C são constantes reais; R=√(A²+B²)>0, cosφ=A/R e sinφ=B/R. A fase φ é escolhida pelas duas razões. Existem soluções reais se e somente se |C|≤R. Se A=B=0, a igualdade é verdadeira para toda entrada admitida quando C=0 e não tem solução quando C≠0.

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Elevar uma equação com raiz ao quadrado

F(x)=G(x)  ⟺  F(x)=G(x)2 e G(x)≥0\sqrt{F(x)}=G(x)\iff F(x)=G(x)^2\ \text{e}\ G(x)\ge0

F e G precisam estar definidos como expressões reais. A igualdade F=G² já garante radicando não negativo; G≥0 conserva o sinal da raiz principal. Ao quadrar uma igualdade sem guardar sinais, podem surgir candidatos estranhos à equação original. Conferir somente os candidatos não substitui justificar que nenhum foi perdido.

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Equações com inversas e suas faixas principais

arcsin⁡(F(x))=θ  ⟺  F(x)=sin⁡θ,−π/2≤θ≤π/2arccos⁡(F(x))=θ  ⟺  F(x)=cos⁡θ,0≤θ≤πarctan⁡(F(x))=θ  ⟺  F(x)=tan⁡θ,−π/2<θ<π/2\arcsin(F(x))=\theta\iff F(x)=\sin\theta,\quad-\pi/2\le\theta\le\pi/2\qquad{}\arccos(F(x))=\theta\iff F(x)=\cos\theta,\quad0\le\theta\le\pi\qquad{}\arctan(F(x))=\theta\iff F(x)=\tan\theta,\quad-\pi/2<\theta<\pi/2
arcsin⁡(F(x))=θ  ⟺  F(x)=sin⁡θ,−π/2≤θ≤π/2arccos⁡(F(x))=θ  ⟺  F(x)=cos⁡θ,0≤θ≤πarctan⁡(F(x))=θ  ⟺  F(x)=tan⁡θ,−π/2<θ<π/2\begin{gathered}\arcsin(F(x))=\theta\iff F(x)=\sin\theta,\quad-\pi/2\le\theta\le\pi/2\\\arccos(F(x))=\theta\iff F(x)=\cos\theta,\quad0\le\theta\le\pi\\\arctan(F(x))=\theta\iff F(x)=\tan\theta,\quad-\pi/2<\theta<\pi/2\end{gathered}

F(x) precisa estar definido e θ, lido teta, é a saída angular pedida em radianos. A equivalência exige a faixa indicada em cada linha; fora dela a equação com a inversa não tem solução. Nas duas primeiras, o valor correspondente da razão fica em [−1,1]; na terceira, a tangente de θ existe. Aplicar uma função aos dois lados sem guardar a faixa pode criar respostas falsas.

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Substituição pela tangente da metade

t=tan⁡(x/2),sin⁡x=2t1+t2cos⁡x=1−t21+t2x=2arctan⁡t+2kπt=\tan(x/2),\quad\sin x=\frac{2t}{1+t^2}\qquad{}\cos x=\frac{1-t^2}{1+t^2}\qquad{}x=2\arctan t+2k\pi
t=tan⁡(x/2),sin⁡x=2t1+t2cos⁡x=1−t21+t2x=2arctan⁡t+2kπ\begin{gathered}t=\tan(x/2),\quad\sin x=\frac{2t}{1+t^2}\\\cos x=\frac{1-t^2}{1+t^2}\\x=2\arctan t+2k\pi\end{gathered}

t real, k inteiro e x≠π+2kπ. O denominador 1+t² é sempre positivo. As entradas excluídas pela substituição precisam ser testadas na expressão original; não as descarte automaticamente. Se a expressão também contém tanx, preserve t≠±1 e todas as demais restrições.

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Inequação do seno acima de um nível

sin⁡x>c  ⟺  α+2kπ<x<π−α+2kπ\sin x>c\iff\alpha+2k\pi<x<\pi-\alpha+2k\pi

−1<c<1, α=arcsin c∈(−π/2,π/2) e k inteiro. Para ≥, inclua os dois extremos. A fórmula pode atravessar zero se α<0; nesse caso, não corte a faixa antes de intersectar com o universo pedido. Os casos c=±1 ou fora da imagem são tratados separadamente.

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Inequação do seno abaixo de um nível

sin⁡x<c  ⟺  π−α+2kπ<x<2π+α+2kπ\sin x<c\iff\pi-\alpha+2k\pi<x<2\pi+\alpha+2k\pi

−1<c<1, α=arcsin c, k inteiro. Para ≤, inclua as duas fronteiras. Essas faixas descrevem a parte complementar à região acima do nível, com atenção à inclusão ou exclusão dos pontos de igualdade.

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Inequação do cosseno acima de um nível

cos⁡x>c  ⟺  −α+2kπ<x<α+2kπ\cos x>c\iff-\alpha+2k\pi<x<\alpha+2k\pi

−1<c<1, α=arccos c∈(0,π), k inteiro. Para ≥, inclua as fronteiras. Na primeira volta, a região pode aparecer dividida nas duas extremidades do intervalo; ela é contínua quando passa pela origem dos argumentos.

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Inequação do cosseno abaixo de um nível

cos⁡x<c  ⟺  α+2kπ<x<2π−α+2kπ\cos x<c\iff\alpha+2k\pi<x<2\pi-\alpha+2k\pi

−1<c<1, α=arccos c∈(0,π), k inteiro. Para ≤, inclua as duas fronteiras. A comparação é com a abscissa do ponto do ciclo; não se trata de uma função globalmente crescente na reta.

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Inequações da tangente por ramo

tan⁡x>c  ⟺  α+kπ<x<π/2+kπtan⁡x<c  ⟺  −π/2+kπ<x<α+kπ\tan x>c\iff\alpha+k\pi<x<\pi/2+k\pi\qquad{}\tan x<c\iff-\pi/2+k\pi<x<\alpha+k\pi
tan⁡x>c  ⟺  α+kπ<x<π/2+kπtan⁡x<c  ⟺  −π/2+kπ<x<α+kπ\begin{gathered}\tan x>c\iff\alpha+k\pi<x<\pi/2+k\pi\\\tan x<c\iff-\pi/2+k\pi<x<\alpha+k\pi\end{gathered}

c real, α=arctan c∈(−π/2,π/2), k inteiro. Cada ramo é crescente. Para ≥ ou ≤, inclua a fronteira α+kπ; as assíntotas ±π/2+kπ permanecem sempre abertas, mesmo em uma comparação não estrita.

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Inequações da cotangente por ramo

cot⁡x>c  ⟺  kπ<x<α+kπcot⁡x<c  ⟺  α+kπ<x<(k+1)π\cot x>c\iff k\pi<x<\alpha+k\pi\qquad{}\cot x<c\iff\alpha+k\pi<x<(k+1)\pi
cot⁡x>c  ⟺  kπ<x<α+kπcot⁡x<c  ⟺  α+kπ<x<(k+1)π\begin{gathered}\cot x>c\iff k\pi<x<\alpha+k\pi\\\cot x<c\iff\alpha+k\pi<x<(k+1)\pi\end{gathered}

c real, α=π/2−arctan c∈(0,π), k inteiro. A cotangente é decrescente em cada ramo. Para ≥ ou ≤, inclua a fronteira α+kπ, conservando os extremos kπ abertos por serem exclusões do domínio.

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Equação com módulo

∣F(x)∣=a  ⟺  F(x)=a ou F(x)=−a|F(x)|=a\iff F(x)=a\ \text{ou}\ F(x)=-a

a≥0 e x no domínio original. Para a=0 as duas possibilidades são a mesma. Se a<0, não há solução, pois módulo não é negativo. Se a razão ao quadrado é conhecida, tirar a raiz fornece módulo, não apenas a raiz positiva para a razão.

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Inequações com módulo

∣F(x)∣≤a  ⟺  −a≤F(x)≤a∣F(x)∣≥a  ⟺  F(x)≤−a ou F(x)≥a|F(x)|\le a\iff-a\le F(x)\le a\qquad{}|F(x)|\ge a\iff F(x)\le-a\ \text{ou}\ F(x)\ge a
∣F(x)∣≤a  ⟺  −a≤F(x)≤a∣F(x)∣≥a  ⟺  F(x)≤−a ou F(x)≥a\begin{gathered}|F(x)|\le a\iff-a\le F(x)\le a\\|F(x)|\ge a\iff F(x)\le-a\ \text{ou}\ F(x)\ge a\end{gathered}

a≥0, no domínio de F. Com comparações estritas, troque as fronteiras por < e >, respectivamente. Para a<0, as comparações ≤ e < são impossíveis, enquanto ≥ e > são verdadeiras em todo o domínio. Duas condições simultâneas pedem interseção; alternativas pedem união.

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Quociente não negativo sem multiplicar por sinal desconhecido

F(x)G(x)≥0  ⟺  {F(x)≥0, G(x)>0 ou {F(x)≤0, G(x)<0\frac{F(x)}{G(x)}\ge0\iff\begin{cases}F(x)\ge0,\ G(x)>0\end{cases}\ \text{ou}\ \begin{cases}F(x)\le0,\ G(x)<0\end{cases}

No domínio comum, com G(x)≠0. A desigualdade muda de sentido ao multiplicar por um denominador negativo. A solução pode incluir zeros do numerador, mas nunca do denominador. Para produto, estude igualmente os sinais de cada fator e os casos de igualdade.

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Interseção para e; união para ou

Se=S1∩S2Sou=S1∪S2S_{\text{e}}=S_1\cap S_2\qquad{}S_{\text{ou}}=S_1\cup S_2
Se=S1∩S2Sou=S1∪S2\begin{gathered}S_{\text{e}}=S_1\cap S_2\\S_{\text{ou}}=S_1\cup S_2\end{gathered}

S₁ e S₂ são conjuntos de soluções já filtrados por seus domínios. ∩ conserva apenas entradas comuns; ∪ reúne as entradas de pelo menos um conjunto. No sistema, a mesma entrada precisa satisfazer todas as condições.

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Equações fracionárias conservam denominadores

F(x)/G(x)=0  ⟺  F(x)=0, G(x)≠0F(x)/G(x)=H(x)  ⟺  F(x)=H(x)G(x), G(x)≠0F(x)/G(x)=0\iff F(x)=0,\ G(x)\ne0\qquad{}F(x)/G(x)=H(x)\iff F(x)=H(x)G(x),\ G(x)\ne0
F(x)/G(x)=0  ⟺  F(x)=0, G(x)≠0F(x)/G(x)=H(x)  ⟺  F(x)=H(x)G(x), G(x)≠0\begin{gathered}F(x)/G(x)=0\iff F(x)=0,\ G(x)\ne0\\F(x)/G(x)=H(x)\iff F(x)=H(x)G(x),\ G(x)\ne0\end{gathered}

F,G,H precisam existir como expressões reais. Multiplicar ou cancelar não preenche entradas excluídas pelo denominador. Preserve também restrições internas de outras razões presentes na expressão.

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Domínios que se tornam inequações

F(x)/G(x):F(x)/G(x)≥0, G(x)≠01/F(x):F(x)>0arcsin⁡(F(x)),arccos⁡(F(x)):−1≤F(x)≤1\begin{gathered}\sqrt{F(x)/G(x)}:\quad F(x)/G(x)\ge0,\ G(x)\ne0\\1/\sqrt{F(x)}:\quad F(x)>0\\\arcsin(F(x)),\arccos(F(x)):\quad-1\le F(x)\le1\end{gathered}

As expressões internas precisam estar definidas. Raiz no denominador exige radicando estritamente positivo; uma raiz no numerador pode aceitar zero. As condições são acumuladas, não substituem as exclusões anteriores.

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Isolar o nível em uma senoide

d+asin⁡(bx+c)≥h  ⟺  sin⁡(bx+c)≥(h−d)/a(a>0)d+asin⁡(bx+c)≥h  ⟺  sin⁡(bx+c)≤(h−d)/a(a<0)d+a\sin(bx+c)\ge h\iff\sin(bx+c)\ge(h-d)/a\quad(a>0)\qquad{}d+a\sin(bx+c)\ge h\iff\sin(bx+c)\le(h-d)/a\quad(a<0)
d+asin⁡(bx+c)≥h  ⟺  sin⁡(bx+c)≥(h−d)/a(a>0)d+asin⁡(bx+c)≥h  ⟺  sin⁡(bx+c)≤(h−d)/a(a<0)\begin{gathered}d+a\sin(bx+c)\ge h\iff\sin(bx+c)\ge(h-d)/a\quad(a>0)\\d+a\sin(bx+c)\ge h\iff\sin(bx+c)\le(h-d)/a\quad(a<0)\end{gathered}

Constantes reais. Vale analogamente para cosseno. Ao dividir por a negativo, inverta a comparação. Se a=0 ou b=0, avalie a regra constante separadamente. Primeiro confira se o nível pedido é compatível com a imagem.

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Teste de possibilidade e casos extremos

−1≤sin⁡x≤1,−1≤cos⁡x≤1sin⁡x>1: S=∅,sin⁡x≥−1: S=R-1\le\sin x\le1,\quad-1\le\cos x\le1\qquad{}\sin x>1:\ S=\varnothing,\quad\sin x\ge-1:\ S=\mathbb R
−1≤sin⁡x≤1,−1≤cos⁡x≤1sin⁡x>1: S=∅,sin⁡x≥−1: S=R\begin{gathered}-1\le\sin x\le1,\quad-1\le\cos x\le1\\\sin x>1:\ S=\varnothing,\quad\sin x\ge-1:\ S=\mathbb R\end{gathered}

As mesmas observações valem para cosseno. Em ≥1 ou ≤−1, só os pontos de máximo ou mínimo servem; em >1 ou <−1, nenhum. Se o nível ultrapassa a imagem, a desigualdade pode ser sempre verdadeira ou impossível. Intersecte sempre com o domínio e universo originais.

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Repetir o conjunto de soluções

F(x+P)=F(x),D+P=D⟹S+P=SF(x+P)=F(x),\quad D+P=D\quad\Longrightarrow\quad S+P=S

P>0 é período de F e a comparação é com uma constante, no domínio D, antes de uma restrição de universo. O conjunto de soluções pode ter período menor: sinx=0 tem soluções separadas por π, embora o seno tenha período fundamental 2π. Depois da restrição a um intervalo, não repita a solução fora do universo.

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Compatibilidade de seno e cosseno simultâneos

sin⁡x=a, cos⁡x=b⟹a2+b2=1\sin x=a,\ \cos x=b\quad\Longrightarrow\quad a^2+b^2=1

a,b reais. A condição também é suficiente para existir um ponto (b,a) no ciclo e, portanto, uma posição angular; todas as entradas correspondentes diferem por voltas de 2π. Uma restrição adicional ao universo pode deixar nenhuma entrada dessa família. Não basta que as duas razões isoladas pertençam a [−1,1].

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Intervalo de tempo e duração

Sfıˊsico=Sexpressa˜o∩I,Δt=tf−tiS_{\text{físico}}=S_{\text{expressão}}\cap I,\qquad\Delta t=t_f-t_i

I é o intervalo físico de tempo; os índices i e f significam inicial e final. A duração de um trecho é a diferença entre o instante final e o inicial, na mesma unidade. Em vários trechos disjuntos, some as durações. Incluir ou excluir instantes isolados não altera a duração total, mas altera o conjunto-solução.

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