Una sola relazione, \(\operatorname{sen} ^2\alpha + \cos ^2\alpha = 1\), collega per sempre seno e coseno. Da essa discende l’intero edificio delle identità
trigonometriche: conoscere una funzione goniometrica, e il quadrante in cui giace l’angolo, basta a
determinare tutte le altre.”
— Adattato da Carl Friedrich Gauss, Disquisitiones Arithmeticae (1801) — Gauss esprimeva con questa
formula il legame “pitagorico” tra le coordinate di un punto sul cerchio unitario
Nel capitolo precedente (95) abbiamo definito seno e coseno come coordinate del punto \(P_\alpha \) sulla
circonferenza goniometrica, e abbiamo già visto, di passaggio, l’identità \(\operatorname{sen} ^2\alpha + \cos ^2\alpha = 1\). In questo capitolo le
diamo la centralità che merita: è la relazione fondamentale della goniometria, e da essa discendono
praticamente tutte le altre identità.
A che cosa serve?
Calcolare una funzione goniometrica conoscendone un’altra (es.: dato \(\operatorname{sen} \alpha \) trovare \(\cos \alpha \)).
Semplificare espressioni trigonometriche complicate fino a una forma elementare.
Dimostrare l’equivalenza di due scritture diverse della stessa quantità.
Risolvere equazioni e disequazioni goniometriche, riducendo tutto a una sola funzione (o
seno, o coseno, o tangente).
Imparare a manovrare l’identità fondamentale — e i suoi corollari — è il primo passo verso la
fluidità in trigonometria.
(Si scrive anche \(\operatorname{sen} ^2(\alpha ) + \cos ^2(\alpha ) = 1\); la potenza \(^2\) qui significa \((\operatorname{sen} \alpha )^2\), non \(\operatorname{sen} (\operatorname{sen} \alpha )\).)
Dimostrazione (per via geometrica analitica). Il punto \(P_\alpha = (\cos \alpha , \, \operatorname{sen} \alpha )\) appartiene per definizione alla
circonferenza goniometrica \(x^2 + y^2 = 1\). Sostituendo \(x = \cos \alpha \) e \(y = \operatorname{sen} \alpha \) si ottiene direttamente la tesi.
Dimostrazione (col teorema di Pitagora). Sia \(\alpha \) un angolo del I quadrante. Il triangolo rettangolo \(OHP_\alpha \),
dove \(H = (\cos \alpha , 0)\) è il piede della perpendicolare da \(P_\alpha \) all’asse \(x\), ha cateti di lunghezza \(|\cos \alpha |\) e \(|\operatorname{sen} \alpha |\) e ipotenusa di lunghezza
\(1\) (raggio del cerchio). Per il teorema di Pitagora:
Negli altri quadranti la stessa dimostrazione vale ripetendo il ragionamento con i moduli; il
risultato è lo stesso perché compaiono solo quadrati. Vedi fig. 96.1.
Figura 96.1: Dimostrazione pitagorica dell’identità fondamentale: nel triangolo rettangolo \(OHP_\alpha \) i
cateti misurano \(|\cos \alpha |\) e \(|\operatorname{sen} \alpha |\), l’ipotenusa misura \(1\) (il raggio). Pitagora dà \(\cos ^2\alpha + \operatorname{sen} ^2\alpha = 1\).
Attenzione!
La scrittura \(\operatorname{sen} ^2\alpha \) è una convenzione comoda ma ambigua a chi inizia: significa \((\operatorname{sen} \alpha )^2\), mai \(\operatorname{sen} (\operatorname{sen} \alpha )\) né \(\operatorname{sen} (\alpha ^2)\).
Per gli esponenti negativi, però, la convenzione non si usa: \(\operatorname{sen} ^{-1}\alpha \) indica la funzione inversa \(\operatorname{arcsen} \alpha \),
non \(1/\operatorname{sen} \alpha \) (che si scrive \(\operatorname {cosec}\alpha \) o \(1/\operatorname{sen} \alpha \)).
Dall’identità fondamentale si ricavano subito le relazioni inverse, che permettono di esprimere il
seno conoscendo il coseno (o viceversa). La cosa importante — e dove gli studenti sbagliano più
spesso — è la scelta del segno, che dipende dal quadrante.
Senza informazioni sul quadrante il segno del coseno resta indeterminato: \(\alpha \) potrebbe
essere nel III quadrante (con \(\cos \alpha = -0.8\)) o nel IV quadrante (con \(\cos \alpha = +0.8\)).
Lezione: l’informazione sul quadrante è essenziale; senza, ci sono sempre due possibili
soluzioni.
Dalla definizione \(\operatorname{tg} \alpha = \operatorname{sen} \alpha / \cos \alpha \) e dall’identità fondamentale si ricavano le espressioni della tangente in
funzione di una sola fra le altre due funzioni.
Un’identità goniometrica è un’uguaglianza che coinvolge funzioni goniometriche e che è
vera per tutti i valori dell’angolo per cui i due membri sono definiti.
Identità vs equazione. Un’equazione goniometrica è invece vera solo per certi valori particolari
dell’angolo (che vanno trovati). Per esempio:
identità: \(\operatorname{sen} ^2\alpha + \cos ^2\alpha = 1\) (vera per ogni \(\alpha \));
Determinare per quali \(\alpha \in [0, 2\pi )\) l’espressione \(\sqrt {1 - \cos ^2\alpha } - \operatorname{sen} \alpha \) è uguale a \(0\). (Suggerimento: la radice è \(|\operatorname{sen} \alpha |\), dunque
l’espressione vale \(0\) quando \(\operatorname{sen} \alpha \ge 0\), cioè \(\alpha \in [0, \pi ]\).)
12.
Una calcolatrice difettosa fornisce \(\cos \alpha = -0.97\) ma cancella ogni informazione sul quadrante. Quali sono
i due possibili valori di \(\operatorname{sen} \alpha \)?
13.
Sfida algebrica. Mostrare che, per ogni \(\alpha \) in cui le funzioni sono definite,
Identità goniometrica fondamentale: \(\operatorname{sen} ^2\alpha + \cos ^2\alpha = 1\), valida per ogni \(\alpha \in \mathbb{R} \). Si dimostra in due modi:
equivalentemente come “\(P_\alpha \) sta sul cerchio unitario” o col teorema di Pitagora applicato
al triangolo \(OHP_\alpha \).
Convenzione di scrittura: \(\operatorname{sen} ^2\alpha = (\operatorname{sen} \alpha )^2\). Eccezione: \(\operatorname{sen} ^{-1}\alpha = \operatorname{arcsen} \alpha \), non \(1/\operatorname{sen} \alpha \).
Identità vs equazione: un’identità è vera per ogni angolo in cui i due membri sono
definiti; un’equazione solo per certi valori particolari.
Tecniche per dimostrare un’identità: lavorare separatamente sui due membri; ridurre
tutto a \(\operatorname{sen} \) e \(\cos \); portare a denominatore comune; riconoscere prodotti notevoli (somma
per differenza, quadrato di binomio, differenza di quadrati).
Nel prossimo capitolo (97) studiamo come trasformano seno e coseno per archi
associati: \(\pi - \alpha \), \(\pi + \alpha \), \(-\alpha \), \(\pi /2 - \alpha \), \(\pi /2 + \alpha \).