Mathematics · Libro 2 · Grades 10–12

Matemáticas de secundaria

Matemáticas de secundaria · Grades 10–12

24Funciones trigonométricas

Las funciones cos⁡\cos y sin⁡\sin convierten la geometría de la circunferencia en análisis. Definidas enrollando la recta real sobre la circunferencia unidad, son el arquetipo de las funciones periódicas, y sus derivadas las convierten en soluciones de la ecuación de las oscilaciones y′′=−yy'' = -y.

24.1 La circunferencia unidad

Definición 24.1 (Coseno y seno)

Sea C\mathcal{C} la circunferencia de radio 1 centrada en el origen de un sistema de coordenadas ortonormal. A cada real tt le asociamos el punto M(t)M(t) que se obtiene enrollando una longitud ∣t∣\abs{t} sobre C\mathcal{C} desde el punto I(1,0)I(1,0), en sentido antihorario si t≥0t \geq 0 y en sentido horario en caso contrario. Entonces cos⁡t\cos t y sin⁡t\sin t son las coordenadas de M(t)M(t):

M(t)=(cos⁡t,sin⁡t).M(t) = (\cos t, \sin t).

Como la circunferencia mide 2π2\pi, el punto M(t)M(t) no cambia cuando tt aumenta en 2π2\pi; y, como M(t)M(t) está sobre la circunferencia unidad:

Proposición 24.2 (Identidades fundamentales)

Para todos t∈Rt \in \R y k∈Zk \in \Z:

cos⁡2t+sin⁡2t=1,cos⁡(t+2kπ)=cos⁡t,sin⁡(t+2kπ)=sin⁡t,\cos^2 t + \sin^2 t = 1, \qquad \cos(t + 2k\pi) = \cos t, \qquad \sin(t + 2k\pi) = \sin t,
cos⁡(−t)=cos⁡t,sin⁡(−t)=−sin⁡t,\cos(-t) = \cos t, \qquad \sin(-t) = -\sin t,
cos⁡(π−t)=−cos⁡t,sin⁡(π−t)=sin⁡t,cos⁡(π2−t)=sin⁡t,sin⁡(π2−t)=cos⁡t.\cos(\pi - t) = -\cos t, \quad \sin(\pi - t) = \sin t, \quad \cos\left(\tfrac{\pi}{2} - t\right) = \sin t, \quad \sin\left(\tfrac{\pi}{2} - t\right) = \cos t .

Demostración. La primera identidad es la ecuación de la circunferencia unidad; las demás expresan las simetrías de la circunferencia: M(−t)M(-t) es el simétrico de M(t)M(t) respecto del eje xx, M(π−t)M(\pi - t) lo es respecto del eje yy y M(π2−t)M(\frac\pi2 - t), respecto de la recta y=xy = x. ∎

Los valores que hay que saberse de memoria:

tt00π6\dfrac{\pi}{6}π4\dfrac{\pi}{4}π3\dfrac{\pi}{3}π2\dfrac{\pi}{2}
[6pt] cos⁡t\cos t1132\dfrac{\sqrt3}{2}22\dfrac{\sqrt2}{2}12\dfrac1200
[6pt] sin⁡t\sin t0012\dfrac1222\dfrac{\sqrt2}{2}32\dfrac{\sqrt3}{2}11

Proposición 24.3 (Fórmulas de adición)

Para todos a,b∈Ra, b \in \R:

cos⁡(a+b)=cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡b,sin⁡(a+b)=sin⁡acos⁡b+cos⁡asin⁡b,cos⁡(a−b)=cos⁡acos⁡b+sin⁡asin⁡b,sin⁡(a−b)=sin⁡acos⁡b−cos⁡asin⁡b.\begin{align*} \cos(a+b) &= \cos a \cos b - \sin a \sin b, & \sin(a+b) &= \sin a \cos b + \cos a \sin b,\\ \cos(a-b) &= \cos a \cos b + \sin a \sin b, & \sin(a-b) &= \sin a \cos b - \cos a \sin b. \end{align*}

En particular, cos⁡2a=2cos⁡2a−1=1−2sin⁡2a\cos 2a = 2\cos^2 a - 1 = 1 - 2\sin^2 a y sin⁡2a=2sin⁡acos⁡a\sin 2a = 2 \sin a \cos a.

Demostración. Los vectores u→=(cos⁡a,sin⁡a)\vect{u} = (\cos a, \sin a) y v→=(cos⁡b,sin⁡b)\vect{v} = (\cos b, \sin b) son unitarios y forman un ángulo a−ba - b; su producto escalar vale a la vez cos⁡acos⁡b+sin⁡asin⁡b\cos a\cos b + \sin a \sin b (por coordenadas) y ∥u→∥ ∥v→∥cos⁡(a−b)=cos⁡(a−b)\norm{\vect u}\,\norm{\vect v}\cos(a-b) = \cos(a - b) (por geometría), que es la tercera fórmula. Sustituyendo bb por −b-b se obtiene la primera; las fórmulas del seno se siguen usando sin⁡x=cos⁡(π2−x)\sin x = \cos(\frac\pi2 - x). Las fórmulas del ángulo doble son el caso b=ab = a combinado con cos⁡2+sin⁡2=1\cos^2 + \sin^2 = 1. ∎

24.2 Estudio analítico

Lema 24.4 (Límite fundamental)

lim⁡t→0sin⁡tt=1ylim⁡t→0cos⁡t−1t=0.\lim_{t \to 0} \frac{\sin t}{t} = 1 \qquad\text{y}\qquad \lim_{t \to 0} \frac{\cos t - 1}{t} = 0 .

Demostración. Para 0<t<π20 < t < \frac{\pi}{2}, comparamos tres áreas en la circunferencia unidad: el triángulo OIM(t)OIM(t), el sector circular OIM(t)OIM(t) y el triángulo rectángulo de base OIOI y altura tan⁡t\tan t:

sin⁡t2≤t2≤tan⁡t2.\frac{\sin t}{2} \leq \frac{t}{2} \leq \frac{\tan t}{2}.
Las tres áreas encajadas: el triángulo OIM (en azul, de área t/2), el sector circular (limitado por el arco rojo, de área t/2) y el triángulo rectángulo de altura t (en naranja, de área t/2).
Las tres áreas encajadas: el triángulo OIMOIM (en azul, de área sin⁡t2\frac{\sin t}{2}), el sector circular (limitado por el arco rojo, de área t2\frac{t}{2}) y el triángulo rectángulo de altura tan⁡t\tan t (en naranja, de área tan⁡t2\frac{\tan t}{2}).

La primera desigualdad da sin⁡tt≤1\frac{\sin t}{t} \leq 1; la segunda da cos⁡t≤sin⁡tt\cos t \leq \frac{\sin t}{t}. Cuando t→0+t \to 0^+, cos⁡t→1\cos t \to 1 (por continuidad), y el teorema del sándwich da sin⁡tt→1\frac{\sin t}{t} \to 1; la paridad lo extiende a t→0t \to 0. Para el segundo límite,

cos⁡t−1t=cos⁡2t−1t(cos⁡t+1)=−sin⁡tt⋅sin⁡tcos⁡t+1→t→0−1⋅02=0.\frac{\cos t - 1}{t} = \frac{\cos^2 t - 1}{t(\cos t + 1)} = -\frac{\sin t}{t}\cdot\frac{\sin t}{\cos t + 1} \xrightarrow[t\to0]{} -1 \cdot \frac{0}{2} = 0. \qedhere

∎

Teorema 24.5 (Derivadas del seno y del coseno)

Las funciones sin⁡\sin y cos⁡\cos son derivables en R\R, con

(sin⁡)′=cos⁡,(cos⁡)′=−sin⁡.(\sin)' = \cos, \qquad (\cos)' = -\sin .

Más en general, (sin⁡(ax+b))′=acos⁡(ax+b)(\sin(ax+b))' = a\cos(ax+b) y (cos⁡(ax+b))′=−asin⁡(ax+b)(\cos(ax+b))' = -a\sin(ax+b).

Demostración. Por las fórmulas de adición,

sin⁡(x+h)−sin⁡xh=sin⁡x cos⁡h−1h+cos⁡x sin⁡hh→h→0sin⁡x⋅0+cos⁡x⋅1=cos⁡x,\frac{\sin(x+h) - \sin x}{h} = \sin x\,\frac{\cos h - 1}{h} + \cos x\,\frac{\sin h}{h} \xrightarrow[h\to0]{} \sin x \cdot 0 + \cos x \cdot 1 = \cos x,

usando el Lema 24.4. El cálculo para cos⁡\cos es idéntico, y la forma general se sigue de la regla de la cadena. ∎

Proposición 24.6 (Variación)

En [0, π]\intcc{0}{\pi}, cos⁡\cos decrece de 11 a −1-1. En [−π2, π2]\intcc{-\frac\pi2}{\frac\pi2}, sin⁡\sin crece de −1-1 a 11. Las dos funciones son 2π2\pi-periódicas y tienen recorrido [−1, 1]\intcc{-1}{1}; cos⁡\cos es par y sin⁡\sin es impar.

Demostración. En (0, π)\intoo{0}{\pi}, (cos⁡)′=−sin⁡<0(\cos)' = -\sin < 0, porque allí el punto M(t)M(t) tiene ordenada positiva; y análogamente (sin⁡)′=cos⁡>0(\sin)' = \cos > 0 en (−π2, π2)\intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2}. La periodicidad y la paridad vienen de la Proposición 24.2. ∎

Las curvas de  (en azul) y de  (en rojo).
Las curvas de cos⁡\cos (en azul) y de sin⁡\sin (en rojo).

Método 24.7 (Resolver cos⁡x=a\cos x = a y sin⁡x=a\sin x = a)

Para a∈[−1, 1]a \in \intcc{-1}{1}, halla una solución particular α\alpha (de la tabla de valores o con la calculadora). Entonces todas las soluciones son:

cos⁡x=cos⁡α  ⟺  x=α+2kπ o x=−α+2kπ,k∈Z;\cos x = \cos\alpha \iff x = \alpha + 2k\pi \text{ o } x = -\alpha + 2k\pi, \quad k \in \Z;
sin⁡x=sin⁡α  ⟺  x=α+2kπ o x=π−α+2kπ,k∈Z.\sin x = \sin\alpha \iff x = \alpha + 2k\pi \text{ o } x = \pi - \alpha + 2k\pi, \quad k \in \Z.

Para las inecuaciones, localiza los arcos solución sobre la circunferencia unidad y lee los intervalos dentro de un periodo.

Ejemplo 24.8

Resolvamos cos⁡x=12\cos x = \frac12 en (−π, π]\intoc{-\pi}{\pi}: una solución particular es π3\frac\pi3, así que las soluciones son x=π3x = \frac\pi3 y x=−π3x = -\frac\pi3. En todo R\R: x=±π3+2kπx = \pm\frac\pi3 + 2k\pi, k∈Zk \in \Z.

24.3 Ejercicios

Ejercicio 24.1 ★

Calcula cos⁡2π3\cos\frac{2\pi}{3}, sin⁡5π6\sin\frac{5\pi}{6}, cos⁡7π4\cos\frac{7\pi}{4} y sin⁡(−π3)\sin\left(-\frac{\pi}{3}\right) usando las identidades de la Proposición 24.2.

Solución

Solución de Ejercicio 24.1.

cos⁡2π3=cos⁡(π−π3)=−cos⁡π3=−12\cos\frac{2\pi}{3} = \cos\left(\pi - \frac\pi3\right) = -\cos\frac\pi3 = -\frac12.

sin⁡5π6=sin⁡(π−π6)=sin⁡π6=12\sin\frac{5\pi}{6} = \sin\left(\pi - \frac\pi6\right) = \sin\frac\pi6 = \frac12.

cos⁡7π4=cos⁡(2π−π4)=cos⁡(−π4)=22\cos\frac{7\pi}{4} = \cos\left(2\pi - \frac{\pi}{4}\right) = \cos\left(-\frac\pi4\right) = \frac{\sqrt2}{2}.

sin⁡(−π3)=−sin⁡π3=−32\sin\left(-\frac\pi3\right) = -\sin\frac\pi3 = -\frac{\sqrt3}{2}.

Ejercicio 24.2 ★

Deriva f(x)=sin⁡2xf(x) = \sin^2 x, g(x)=cos⁡(3x)+xsin⁡xg(x) = \cos(3x) + x\sin x y h(x)=sin⁡x2+cos⁡xh(x) = \dfrac{\sin x}{2 + \cos x}.

Solución

Solución de Ejercicio 24.2.

f′(x)=2sin⁡xcos⁡x=sin⁡2xf'(x) = 2\sin x\cos x = \sin 2x (regla de la cadena).

g′(x)=−3sin⁡(3x)+sin⁡x+xcos⁡xg'(x) = -3\sin(3x) + \sin x + x\cos x (reglas de la cadena y del producto).

Regla del cociente:

h′(x)=cos⁡x (2+cos⁡x)−sin⁡x (−sin⁡x)(2+cos⁡x)2=2cos⁡x+cos⁡2x+sin⁡2x(2+cos⁡x)2=2cos⁡x+1(2+cos⁡x)2.h'(x) = \frac{\cos x\,(2 + \cos x) - \sin x\,(-\sin x)}{(2+\cos x)^2} = \frac{2\cos x + \cos^2 x + \sin^2 x}{(2+\cos x)^2} = \frac{2\cos x + 1}{(2+\cos x)^2}.

Ejercicio 24.3 ★

Resuelve en (−π, π]\intoc{-\pi}{\pi} y después en R\R:

(a) sin⁡x=32;(b) cos⁡(2x)=22.\text{(a) } \sin x = \frac{\sqrt3}{2}; \qquad \text{(b) } \cos\left(2x\right) = \frac{\sqrt2}{2} .
Solución

Solución de Ejercicio 24.3.

(a) Una solución particular de sin⁡x=32\sin x = \frac{\sqrt3}{2} es π3\frac\pi3. Soluciones generales: x=π3+2kπx = \frac\pi3 + 2k\pi o x=π−π3+2kπ=2π3+2kπx = \pi - \frac\pi3 + 2k\pi = \frac{2\pi}{3} + 2k\pi. En (−π, π]\intoc{-\pi}{\pi}: x∈{π3,2π3}x \in \left\{\frac\pi3, \frac{2\pi}{3}\right\}.

(b) cos⁡2x=22=cos⁡π4\cos 2x = \frac{\sqrt2}{2} = \cos\frac\pi4 da 2x=±π4+2kπ2x = \pm\frac\pi4 + 2k\pi, luego x=±π8+kπx = \pm\frac\pi8 + k\pi. En (−π, π]\intoc{-\pi}{\pi}: x∈{−7π8,−π8,π8,7π8}x \in \left\{-\frac{7\pi}{8}, -\frac\pi8, \frac\pi8, \frac{7\pi}{8}\right\}.

Ejercicio 24.4 ★★

Usando las fórmulas de adición, calcula el valor exacto de cos⁡π12\cos\frac{\pi}{12} y de sin⁡π12\sin\frac{\pi}{12}. (Indicación: π12=π3−π4\frac{\pi}{12} = \frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{4}.)

Solución

Solución de Ejercicio 24.4.

Con a=π3a = \frac\pi3 y b=π4b = \frac\pi4:

cos⁡π12=cos⁡acos⁡b+sin⁡asin⁡b=12⋅22+32⋅22=2+64,\cos\frac{\pi}{12} = \cos a\cos b + \sin a \sin b = \frac12\cdot\frac{\sqrt2}{2} + \frac{\sqrt3}{2}\cdot\frac{\sqrt2}{2} = \frac{\sqrt2 + \sqrt6}{4},
sin⁡π12=sin⁡acos⁡b−cos⁡asin⁡b=32⋅22−12⋅22=6−24.\sin\frac{\pi}{12} = \sin a\cos b - \cos a \sin b = \frac{\sqrt3}{2}\cdot\frac{\sqrt2}{2} - \frac12\cdot\frac{\sqrt2}{2} = \frac{\sqrt6 - \sqrt2}{4}.

Ejercicio 24.5 ★★

Resuelve en [0, 2π]\intcc{0}{2\pi} la inecuación 2sin⁡2x−sin⁡x−1≥02\sin^2 x - \sin x - 1 \geq 0. (Indicación: factoriza el polinomio de segundo grado en sin⁡x\sin x.)

Solución

Solución de Ejercicio 24.5.

Tomamos s=sin⁡xs = \sin x: 2s2−s−1=(2s+1)(s−1)≥02s^2 - s - 1 = (2s + 1)(s - 1) \geq 0 si y solo si s≤−12s \leq -\frac12 o s=1s = 1.

sin⁡x=1\sin x = 1 da x=π2x = \frac\pi2. sin⁡x≤−12\sin x \leq -\frac12: sobre la circunferencia unidad, el arco por debajo de la recta horizontal y=−12y = -\frac12, que en [0, 2π]\intcc{0}{2\pi} es x∈[7π6, 11π6]x \in \intcc{\frac{7\pi}{6}}{\frac{11\pi}{6}}. Por tanto,

S={π2}∪[7π6, 11π6].S = \left\{\frac{\pi}{2}\right\} \cup \intcc{\frac{7\pi}{6}}{\frac{11\pi}{6}} .

Ejercicio 24.6 ★★

Calcula los límites

lim⁡x→0sin⁡3xx,lim⁡x→01−cos⁡xx2,lim⁡x→+∞xsin⁡1x.\lim_{x\to0} \frac{\sin 3x}{x}, \qquad \lim_{x\to0} \frac{1 - \cos x}{x^2}, \qquad \lim_{x\to+\infty} x \sin\frac{1}{x}.
Solución

Solución de Ejercicio 24.6.

sin⁡3xx=3 sin⁡3x3x→3⋅1=3\dfrac{\sin 3x}{x} = 3\,\dfrac{\sin 3x}{3x} \to 3 \cdot 1 = 3 (por composición con u=3x→0u = 3x \to 0).

Usando 1−cos⁡x=sin⁡2x1+cos⁡x1 - \cos x = \dfrac{\sin^2 x}{1 + \cos x}:

1−cos⁡xx2=(sin⁡xx) ⁣211+cos⁡x→x→01⋅12=12.\frac{1 - \cos x}{x^2} = \left(\frac{\sin x}{x}\right)^{\!2} \frac{1}{1 + \cos x} \xrightarrow[x\to0]{} 1 \cdot \frac12 = \frac12 .

Sustituyendo u=1x→0+u = \frac1x \to 0^+: xsin⁡1x=sin⁡uu→1x \sin\frac1x = \frac{\sin u}{u} \to 1.

Ejercicio 24.7 ★★

Estudia la función f(x)=x+cos⁡xf(x) = x + \cos x en [0, 2π]\intcc{0}{2\pi}: variación y extremos. Demuestra que ff es creciente en R\R aunque f′f' se anule en infinitos puntos.

Solución

Solución de Ejercicio 24.7.

f′(x)=1−sin⁡x≥0f'(x) = 1 - \sin x \geq 0 para todo xx, con igualdad exactamente cuando sin⁡x=1\sin x = 1, es decir, x=π2+2kπx = \frac\pi2 + 2k\pi. En [0, 2π]\intcc{0}{2\pi}, ff crece de f(0)=1f(0) = 1 a f(2π)=2π+1f(2\pi) = 2\pi + 1 (el cero de f′f' en π2\frac{\pi}{2} está aislado, así que el crecimiento es incluso estricto); mínimo 11 en 00 y máximo 2π+12\pi + 1 en 2π2\pi. En R\R, f′≥0f' \geq 0 en todas partes con ceros solo aislados, así que ff es (estrictamente) creciente por el Teorema 22.7, aunque f′f' se anule en todos los π2+2kπ\frac\pi2 + 2k\pi.

Ejercicio 24.8 ★★★

Sea f(x)=Acos⁡x+Bsin⁡xf(x) = A\cos x + B \sin x con (A,B)≠(0,0)(A,B) \neq (0,0).

  1. Demuestra que ff se puede escribir f(x)=Rcos⁡(x−φ)f(x) = R\cos(x - \varphi) con R=A2+B2R = \sqrt{A^2 + B^2} y un φ\varphi adecuado.
  2. Deduce el máximo y el mínimo de ff y resuelve cos⁡x+sin⁡x=1\cos x + \sin x = 1 en (−π, π]\intoc{-\pi}{\pi}.
Solución

Solución de Ejercicio 24.8.

1. Sea R=A2+B2>0R = \sqrt{A^2 + B^2} > 0. El punto (AR,BR)\left(\frac AR, \frac BR\right) está en la circunferencia unidad, así que existe φ\varphi con cos⁡φ=AR\cos\varphi = \frac AR y sin⁡φ=BR\sin\varphi = \frac BR. Entonces

Rcos⁡(x−φ)=R(cos⁡xcos⁡φ+sin⁡xsin⁡φ)=Acos⁡x+Bsin⁡x=f(x).R\cos(x - \varphi) = R\bigl(\cos x\cos\varphi + \sin x \sin\varphi\bigr) = A\cos x + B\sin x = f(x).

2. Como el recorrido de cos⁡\cos es [−1, 1]\intcc{-1}{1}, ff tiene máximo RR y mínimo −R-R. Para cos⁡x+sin⁡x\cos x + \sin x: A=B=1A = B = 1, R=2R = \sqrt2 y φ=π4\varphi = \frac\pi4, así que la ecuación queda 2cos⁡(x−π4)=1\sqrt2\cos\left(x - \frac\pi4\right) = 1, es decir, cos⁡(x−π4)=22\cos\left(x - \frac\pi4\right) = \frac{\sqrt2}{2}, lo que da x−π4=±π4+2kπx - \frac\pi4 = \pm\frac\pi4 + 2k\pi: en (−π, π]\intoc{-\pi}{\pi}, x∈{0,π2}x \in \left\{0, \frac\pi2\right\}.

Ejercicio 24.9 ★★★

Demuestra que sin⁡\sin y cos⁡\cos cumplen las dos la ecuación diferencial y′′=−yy'' = -y. Recíprocamente, sea yy una solución de y′′=−yy'' = -y con y(0)=ay(0) = a e y′(0)=by'(0) = b; demuestra que y=acos⁡+bsin⁡y = a\cos + b\sin. (Indicación: considera g=(y−acos⁡−bsin⁡)g = (y - a\cos - b\sin) y la “energía” E=g2+(g′)2E = g^2 + (g')^2.)

Solución

Solución de Ejercicio 24.9.

(sin⁡)′′=(cos⁡)′=−sin⁡(\sin)'' = (\cos)' = -\sin y (cos⁡)′′=(−sin⁡)′=−cos⁡(\cos)'' = (-\sin)' = -\cos: las dos resuelven y′′=−yy'' = -y.

Sea g=y−acos⁡−bsin⁡g = y - a\cos - b\sin. Entonces g′′=−gg'' = -g (por la linealidad de la derivación), g(0)=y(0)−a=0g(0) = y(0) - a = 0 y g′(0)=y′(0)−b=0g'(0) = y'(0) - b = 0. Tomemos E=g2+(g′)2E = g^2 + (g')^2. Entonces

E′=2gg′+2g′g′′=2gg′−2g′g=0,E' = 2g g' + 2g' g'' = 2g g' - 2g' g = 0,

así que EE es constante e igual a E(0)=0E(0) = 0. Una suma de dos cuadrados que se anula idénticamente obliga a g=0g = 0, luego y=acos⁡+bsin⁡y = a\cos + b\sin.

24.4 Problema: El secreto del péndulo

Problema 24.1

Problema de fin de semana — un límite geométrico mueve las derivadas del seno y del coseno, y de ellas sale toda la oscilación: muelles, péndulos, pulsaciones y el metro que estuvo a punto de ser

Todos los relojes que han hecho tictac y todas las cuerdas que han sonado obedecen a las mismas matemáticas: una fuerza recuperadora proporcional al desplazamiento y, por tanto, la ecuación y′′=−ω2yy'' = -\omega^2 y y, por tanto, cosenos. En la base de todo ello se sienta un límite de aspecto inocente, sin⁡xx→1\frac{\sin x}{x} \to 1, prometido cursos atrás, usado por el Teorema 24.5 y demostrado aquí con un dibujo. Este problema sube desde ese límite hasta el vaivén de un péndulo de un metro y explica por qué el metro no está definido por él, por muy poco.

Parte I — El límite fundamental.

  1. Calentamiento numérico: calcula sin⁡xx\frac{\sin x}{x} para x=0.1x = 0.1 y x=0.01x = 0.01 (¡en radianes!).
  2. El sándwich, en la circunferencia unidad con 0<x<π20 < x < \frac\pi2: expresa por geometría elemental las áreas de (i) el triángulo de vértices OO, A(1,0)A(1,0) y el punto de la circunferencia M(cos⁡x,sin⁡x)M(\cos x, \sin x); (ii) el sector circular OAMOAM; (iii) el triángulo rectángulo OATOAT con T(1,tan⁡x)T(1, \tan x).
  3. Del sándwich de áreas deduce sin⁡x<x<tan⁡x\sin x < x < \tan x y después cos⁡x<sin⁡xx<1\cos x < \frac{\sin x}{x} < 1, y concluye con el teorema del sándwich que lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1 (la paridad se ocupa de x<0x < 0).
  4. Deduce lim⁡x→01−cos⁡xx2=12\lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x^2} = \frac12 (multiplica por el conjugado).
  5. Explica por qué este límite es el motor del Teorema 24.5 (¿cuánto vale sin⁡′(0)\sin'(0)?) y por qué salda además una vieja deuda: ¿en qué sentido son los radianes la única unidad de ángulo con la que sin⁡′=cos⁡\sin' = \cos se cumple sin constantes?

Parte II — Movimiento armónico.

  1. Comprueba con la regla de la cadena que y(t)=Rcos⁡(ωt−φ)y(t) = R\cos(\omega t - \varphi) cumple y′′=−ω2yy'' = -\omega^2 y.
  2. Una masa sujeta a un muelle cumple y′′=−4yy'' = -4y, con y(0)=3y(0) = 3 e y′(0)=8y'(0) = 8. Admitiendo (por el Ejercicio 24.9) que todas las soluciones son Acos⁡2t+Bsin⁡2tA\cos 2t + B\sin 2t, determina AA y BB.
  3. Reescribe la solución como Rcos⁡(2t−φ)R\cos(2t - \varphi) (Ejercicio 24.8): da la amplitud RR, el periodo y la fase φ\varphi (con tres decimales).
  4. ¿En qué instante pasa la masa por primera vez por la posición de equilibrio y=0y = 0?
  5. El péndulo: una lenteja colgada de un hilo de longitud LL cumple exactamente θ′′=−gLsin⁡θ\theta'' = -\frac gL \sin\theta, que no se resuelve con funciones elementales. Para oscilaciones pequeñas, sustituye sin⁡θ\sin\theta por θ\theta (¡la Parte I lo justifica!) y deduce el periodo T=2πLgT = 2\pi\sqrt{\frac Lg}. Calcula TT para L=1L = 1 m (g=9.81g = 9.81): el famoso descubrimiento de Galileo. ¿De qué no depende la fórmula?
  6. El péndulo de segundos: ¿qué longitud da exactamente T=2T = 2 s? La Academia de Ciencias francesa de 1791 dudó entre esa longitud y la diezmillonésima parte del cuadrante del meridiano para definir el metro: ¿en cuántos milímetros se diferencian los dos candidatos?

Parte III — Las fórmulas de adición en acción.

  1. Demuestra con las fórmulas de adición (Proposición 24.3) que cos⁡(x+π2)=−sin⁡x\cos\left(x + \frac\pi2\right) = -\sin x y sin⁡(x+π2)=cos⁡x\sin\left(x + \frac\pi2\right) = \cos x: derivar es girar un cuarto de vuelta sobre la circunferencia; comprueba la coherencia con el Teorema 24.5.
  2. Deduce la identidad de producto a suma cos⁡acos⁡b=12(cos⁡(a−b)+cos⁡(a+b))\cos a \cos b = \frac12\left(\cos(a - b) + \cos(a + b)\right) y la linealización cos⁡2x=1+cos⁡2x2\cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2} (el capítulo de integración te lo agradecerá).
  3. Pulsaciones: deduce sin⁡p+sin⁡q=2sin⁡p+q2cos⁡p−q2\sin p + \sin q = 2 \sin\frac{p + q}{2}\cos\frac{p - q}{2} y aplícalo a dos diapasones de 440440 y 444444 Hz: ¿qué tono oye el oído y cuántas pulsaciones por segundo? (Así es como afinan las orquestas.)
  4. Deduce la identidad del ángulo triple cos⁡3x=4cos⁡3x−3cos⁡x\cos 3x = 4\cos^3 x - 3\cos x (escribe 3x=2x+x3x = 2x + x). Tomando x=20∘x = 20^\circ, ¿qué ecuación de tercer grado debe cumplir cos⁡20∘\cos 20^\circ? (Que esa ecuación no se pueda resolver solo con raíces cuadradas es precisamente la razón de que la trisección del ángulo derrotara a la regla y el compás durante dos milenios; la historia completa se cuenta en los volúmenes universitarios.)
  5. Una corriente alterna vale I(t)=3cos⁡(100πt)+33sin⁡(100πt)I(t) = 3\cos(100\pi t) + 3\sqrt3 \sin(100\pi t). Reescríbela como Rcos⁡(100πt−φ)R\cos(100\pi t - \varphi): ¿corriente de pico y fase?

Parte IV — El mundo que oscila.

  1. Periodos: ¿cuál es el periodo (mínimo) de sin⁡2t\sin^2 t (usa la pregunta 13)? ¿Y el de sin⁡(2t)+sin⁡(3t)\sin(2t) + \sin(3t)?
  2. Un péndulo real se amortigua: y(t)=e−t/10cos⁡(2πt)y(t) = \eu^{-t/10}\cos(2\pi t). Describe el movimiento, calcula el valor de la envolvente en t=10t = 10 (aparece un viejo conocido, Problema 23.1) y nombra el capítulo donde se resuelven las ecuaciones con soluciones de ese tipo.
  3. ¿Por qué gobiernan los senos y los cosenos todas las vibraciones? Da en dos frases el diccionario de la física a las matemáticas (fuerza recuperadora proporcional al desplazamiento →\rightarrow qué ecuación →\rightarrow qué soluciones) y di qué aporta a la afirmación el Ejercicio 24.9.
  4. Final: el arco del capítulo en cuatro pasos: un límite geométrico, dos derivadas, una ecuación diferencial y toda la oscilación. Y el asterisco honrado: para oscilaciones grandes, el periodo verdadero del péndulo involucra una integral elíptica que se calcula a la velocidad del rayo con … la media aritmético-geométrica de Gauss, el postre del Problema 20.1. Los hilos de la serie se anudan solos.
Solución

Solución de Problema 24.1.

1. 0.99833…0.99833\ldots y 0.99998…0.99998\ldots: acercándose a 11.

2. Triángulo OAMOAM: base 11 y altura sin⁡x\sin x: área sin⁡x2\frac{\sin x}{2}. Sector OAMOAM: la fracción x2π\frac{x}{2\pi} del círculo unidad: área x2\frac x2. Triángulo OATOAT: base 11 y altura tan⁡x\tan x: área tan⁡x2\frac{\tan x}{2}.

3. El triángulo está dentro del sector y este, dentro del triángulo grande: sin⁡x2<x2<tan⁡x2\frac{\sin x}{2} < \frac x2 < \frac{\tan x}{2}, es decir, sin⁡x<x<tan⁡x\sin x < x < \tan x. De sin⁡x<x\sin x < x se sigue sin⁡xx<1\frac{\sin x}{x} < 1; y de x<tan⁡x=sin⁡xcos⁡xx < \tan x = \frac{\sin x}{\cos x}, multiplicando por cos⁡xx>0\frac{\cos x}{x} > 0, se sigue cos⁡x<sin⁡xx\cos x < \frac{\sin x}{x}. Cuando x→0+x \to 0^+, cos⁡x→1\cos x \to 1: por el sándwich, sin⁡xx→1\frac{\sin x}{x} \to 1; y sin⁡xx\frac{\sin x}{x} es par, así que el límite bilateral también es 11.

4. 1−cos⁡xx2=1−cos⁡2xx2(1+cos⁡x)=(sin⁡xx)211+cos⁡x→1×12\frac{1 - \cos x}{x^2} = \frac{1 - \cos^2 x}{x^2 (1 + \cos x)} = \left(\frac{\sin x}{x}\right)^2 \frac{1}{1 + \cos x} \to 1 \times \frac12.

5. sin⁡′(0)=lim⁡h→0sin⁡h−0h=1\sin'(0) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin h - 0}{h} = 1: toda la derivación del seno y del coseno mana de ese único límite. Medido en grados, el límite sería π180\frac{\pi}{180} y todas las derivadas arrastrarían esa constante: los radianes son exactamente la unidad que deja limpio el cálculo de las oscilaciones.

6. y′=−Rωsin⁡(ωt−φ)y' = -R\omega\sin(\omega t - \varphi) e y′′=−Rω2cos⁡(ωt−φ)=−ω2yy'' = -R\omega^2\cos(\omega t - \varphi) = -\omega^2 y.

7. ω=2\omega = 2. y(0)=A=3y(0) = A = 3; y′(0)=2B=8y'(0) = 2B = 8: B=4B = 4: y=3cos⁡2t+4sin⁡2ty = 3\cos 2t + 4\sin 2t.

8. R=9+16=5R = \sqrt{9 + 16} = 5; periodo 2π2=π\frac{2\pi}{2} = \pi; fase φ=arctan⁡43≈0.927\varphi = \arctan\frac43 \approx 0.927: y=5cos⁡(2t−0.927)y = 5\cos(2t - 0.927).

9. 5cos⁡(2t−φ)=05\cos(2t - \varphi) = 0 por primera vez cuando 2t−φ=π22t - \varphi = \frac\pi2: t=π/2+0.9272≈1.25t = \frac{\pi/2 + 0.927}{2} \approx 1.25 s.

10. Con sin⁡θ≈θ\sin\theta \approx \theta: θ′′=−gLθ\theta'' = -\frac gL \theta: armónico con ω=gL\omega = \sqrt{\frac gL} y periodo T=2πω=2πLgT = \frac{2\pi}{\omega} = 2\pi\sqrt{\frac Lg}. Para L=1L = 1: T≈2.006T \approx 2.006 s. El periodo no depende de la amplitud (con oscilaciones pequeñas): el isocronismo de Galileo, el hecho que hace posibles los relojes de péndulo.

11. L=g(T2π)2=9.81π2≈0.994L = g\left(\frac{T}{2\pi}\right)^2 = \frac{9.81}{\pi^2} \approx 0.994 m: el péndulo de segundos se queda unos 66 mm por debajo del metro del meridiano. La Academia eligió el meridiano (la gravedad varía de un lugar a otro y delata al péndulo); si gg hubiera sido un pelo mayor, nuestro metro haría tictac.

12. cos⁡(x+π2)=cos⁡xcos⁡π2−sin⁡xsin⁡π2=−sin⁡x\cos\left(x + \frac\pi2\right) = \cos x \cos\frac\pi2 - \sin x \sin\frac\pi2 = -\sin x; sin⁡(x+π2)=cos⁡x\sin\left(x + \frac\pi2\right) = \cos x. Así que derivar el seno lo desplaza un cuarto de vuelta (cos⁡\cos), y otra vez (−sin⁡-\sin), y otra, y vuelve a casa en cuatro pasos: derivar hace girar la circunferencia.

13. Sumando los dos desarrollos de cos⁡(a∓b)\cos(a \mp b): cos⁡(a−b)+cos⁡(a+b)=2cos⁡acos⁡b\cos(a-b) + \cos(a+b) = 2\cos a\cos b. Con a=b=xa = b = x: 1+cos⁡2x=2cos⁡2x1 + \cos 2x = 2\cos^2 x, es decir, cos⁡2x=1+cos⁡2x2\cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2}.

14. Con p=p+q2+p−q2p = \frac{p+q}{2} + \frac{p-q}{2} y qq su reflejo, desarrollando y sumando: sin⁡p+sin⁡q=2sin⁡p+q2cos⁡p−q2\sin p + \sin q = 2\sin\frac{p+q}{2}\cos\frac{p-q}{2}. Para 440440 y 444444 Hz: un tono de 442442 Hz cuya intensidad queda modulada por cos⁡(2π⋅2t)\cos(2\pi \cdot 2t); la intensidad alcanza su máximo 44 veces por segundo (por el valor absoluto de la envolvente): cuatro pulsaciones por segundo, que se apagan cuando los diapasones coinciden.

15. cos⁡3x=cos⁡2xcos⁡x−sin⁡2xsin⁡x=(2cos⁡2x−1)cos⁡x−2sin⁡2xcos⁡x=4cos⁡3x−3cos⁡x\cos 3x = \cos 2x\cos x - \sin 2x \sin x = (2\cos^2 x - 1)\cos x - 2\sin^2 x\cos x = 4\cos^3 x - 3\cos x. En x=20∘x = 20^\circ: cos⁡60∘=12\cos 60^\circ = \frac12, luego c=cos⁡20∘c = \cos 20^\circ cumple 8c3−6c−1=08c^3 - 6c - 1 = 0: una ecuación de tercer grado sin solución por raíces cuadradas; construir 20∘20^\circ, es decir, trisecar 60∘60^\circ, queda fuera del alcance de la regla y el compás.

16. R=9+27=6R = \sqrt{9 + 27} = 6; tan⁡φ=333=3\tan\varphi = \frac{3\sqrt3}{3} = \sqrt3: φ=π3\varphi = \frac\pi3: I(t)=6cos⁡(100πt−π3)I(t) = 6\cos\left(100\pi t - \frac\pi3\right): pico de 66 amperios y desfase de 60∘60^\circ.

17. sin⁡2t=1−cos⁡2t2\sin^2 t = \frac{1 - \cos 2t}{2}: periodo π\pi. sin⁡2t\sin 2t tiene periodo π\pi y sin⁡3t\sin 3t, 2π3\frac{2\pi}{3}: la suma se repite tras el mínimo común múltiplo, 2π2\pi.

18. Una oscilación de periodo 11 dentro de la envolvente menguante ±e−t/10\pm\eu^{-t/10}: cada vaivén, un 10 %10\,\% más bajo. En t=10t = 10 la envolvente vale e−1≈0.368\eu^{-1} \approx 0.368: otra vez la constante del Problema 23.1. Las ecuaciones con soluciones amortiguadas así (y′′+ay′+by=0y'' + a y' + b y = 0) se resuelven en el capítulo de ecuaciones diferenciales.

19. Una fuerza que tira hacia atrás proporcionalmente al desplazamiento da y′′=−ω2yy'' = -\omega^2 y; y el Ejercicio 24.9 muestra que las soluciones de esa ecuación son exactamente las combinaciones de cos⁡\cos y sin⁡\sin: existencia por exhibición y unicidad por el ejercicio; a la vibración no le queda más remedio que ser sinusoidal.

20. Un límite (sin⁡xx→1\frac{\sin x}{x} \to 1, por áreas encajadas), dos derivadas (sin⁡′=cos⁡\sin' = \cos, cos⁡′=−sin⁡\cos' = -\sin), una ecuación (y′′=−ω2yy'' = -\omega^2 y) y un mundo de relojes, cuerdas, corrientes y mareas. Asterisco: para oscilaciones amplias, T=4Lg⋅π/2M(1,cos⁡(θ0/2))T = 4\sqrt{\frac Lg} \cdot \frac{\pi/2}{M(1, \cos(\theta_0/2))}: la media aritmético-geométrica del Problema 20.1 calcula la integral elíptica en un puñado de iteraciones; la entrada del diario de Gauss y el péndulo de Galileo, a una fórmula de distancia.

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