Funciones trigonométricas
"La trigonometría es la ciencia de medir indirectamente — determinar distancias que nunca podrías medir directamente."
Qué vas a aprender en este capítulo
La trigonometría aparece en casi todo: física (descomposición de fuerzas), señales de audio y radio (seno y coseno son las ondas fundamentales), gráficos 3D en videojuegos (rotaciones), navegación GPS. Vas a aprender las funciones trigonométricas desde el círculo unitario, los ángulos especiales clave, sus gráficas y cómo aplicarlas a triángulos rectángulos — que es la aplicación más directa en física e ingeniería.
5.1 Ángulos y su medida
💡 Intuición
Un ángulo es simplemente la abertura entre dos rayos que parten del mismo punto. Lo medís en grados (lo que ya conocés) o en radianes (lo que vas a usar en cálculo y física).
¿Por qué radianes? Porque en cálculo, las derivadas de seno y coseno tienen una forma limpia solo si el ángulo está en radianes. Si usás grados, aparecen factores feos de conversión por todas partes.
La conversión es fija: media vuelta completa radianes.
📐 Fundamento
Radian: El ángulo cuyo arco mide exactamente el radio del círculo.
En un círculo de radio , el ángulo en radianes satisface:
Una vuelta completa radianes .
Conversión:
Ángulos especiales a memorizar:
| Grados | Radianes |
|---|---|
🛠️ En la práctica
Convertir a radianes:
Convertir a grados:
Longitud de arco: En un círculo de radio 10 cm, el ángulo de rad corresponde a arco cm.
5.2 El círculo unitario y las funciones trigonométricas
💡 Intuición
Tomá un círculo de radio 1 centrado en el origen. Partí de y avanzá un ángulo en sentido antihorario. Llegás a un punto en el borde del círculo.
Definición usando el círculo unitario:
- Coseno de = la coordenada de ese punto:
- Seno de = la coordenada :
- Tangente = la "pendiente" de esa dirección:
¿Por qué es elegante? Porque funciona para cualquier ángulo, no solo para los agudos de un triángulo rectángulo. Si el ángulo es de , el punto está en el segundo cuadrante, , , y , . Perfecto.
📐 Fundamento
Sea el punto en el círculo unitario correspondiente al ángulo :
Valores de ángulos especiales:
| c-2.7,0,-7.17,-2.7,-13.5,-8c-5.8,-5.3,-9.5,-10,-9.5,-14 | |||
| c0,-2,0.3,-3.3,1,-4c1.3,-2.7,23.83,-20.7,67.5,-54 | |||
| c44.2,-33.3,65.8,-50.3,66.5,-51c1.3,-1.3,3,-2,5,-2c4.7,0,8.7,3.3,12,10 | |||
| s173,378,173,378c0.7,0,35.3,-71,104,-213c68.7,-142,137.5,-285,206.5,-429 | |||
| c69,-144,104.5,-217.7,106.5,-221 | |||
| l0 -0 | |||
| c5.3,-9.3,12,-14,20,-14 | |||
| H400000v40H845.2724 | |||
| s-225.272,467,-225.272,467s-235,486,-235,486c-2.7,4.7,-9,7,-19,7 | |||
| c-6,0,-10,-1,-12,-3s-194,-422,-194,-422s-65,47,-65,47z | |||
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| c69,-144,104.5,-217.7,106.5,-221 | |||
| l0 -0 | |||
| c5.3,-9.3,12,-14,20,-14 | |||
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| indefinida | |||
| indefinida |
Signo por cuadrante:
| Cuadrante | |||
|---|---|---|---|
| I ( a ) | |||
| II ( a ) | |||
| III ( a ) | |||
| IV ( a ) |
Mnemónico (el que funcione para vos): "Todos Son Corrientes Tacaños" → Todos positivos (I), Solo seno (II), Coseno (III)... o simplemente memorizá el círculo.
🛠️ En la práctica
Truco para ángulos especiales. Los valores de seno en el primer cuadrante siguen la secuencia:
El coseno hace lo mismo pero al revés.
Ángulo de referencia. Para un ángulo en cualquier cuadrante, encontrá el ángulo agudo equivalente en el primer cuadrante, calculá ahí y ajustá el signo:
. Referencia: . En cuadrante II, seno es positivo. .
. Referencia: . En cuadrante III, coseno es negativo. .
5.3 Identidades trigonométricas fundamentales
📐 Fundamento
Estas identidades se derivan directamente del círculo unitario y son siempre válidas para cualquier (donde estén definidas):
Identidad pitagórica principal:
(Se deriva de que en el círculo unitario.)
Derivadas de la pitagórica:
Razones:
Simetría:
🛠️ En la práctica
Uso de la identidad pitagórica. Si y está en el primer cuadrante, encontrá :
(Positivo porque en primer cuadrante.)
Simplificación. Simplificá :
(Usamos .)
5.4 Gráficas de las funciones trigonométricas
💡 Intuición
Cuando graficás con en el eje horizontal, obtenés una onda que sube y baja entre y , repitiéndose cada . Eso es exactamente cómo vibra una cuerda de guitarra, cómo oscila una señal de radio, cómo varía la luz de una lámpara LED.
El coseno tiene la misma forma, pero desplazada: .
La tangente es diferente: tiene discontinuidades (saltos al infinito) cada radianes.
📐 Fundamento
Función seno :
- Dominio:
- Rango:
- Período: (se repite cada )
- Cruza el eje en
- Máximos en ; mínimos en
Función coseno :
- Dominio: , Rango: , Período:
- Cruza el eje en
Función tangente :
- Dominio: menos
- Rango:
- Período:
- Asíntotas verticales en
Transformaciones. Para :
- : amplitud (qué tan alto sube y baja)
- : período (qué tan seguido se repite)
- : desplazamiento horizontal (phase shift)
- : desplazamiento vertical
🛠️ En la práctica
Temperatura en San Miguel (hipotética, para ilustrar):
Modelamos la temperatura diaria como , donde es la hora del día.
- Amplitud → temperatura varía 15°C respecto al promedio.
- → período horas. ✓
- Desplazamiento: máximo cuando ... hmm, las 8 pm. (En un modelo real el máximo suele ser a las 2-3 pm, ajustarías el desplazamiento.)
- Temperatura media .
Las funciones trigonométricas son el lenguaje de los ciclos y oscilaciones.
5.5 Trigonometría en triángulos rectángulos
💡 Intuición
El uso más directo en ingeniería: dado un triángulo rectángulo, las funciones trigonométricas relacionan los lados con los ángulos.
Recordá las siglas SOH-CAH-TOA:
- Seno = Opuesto / Hipotenusa
- Coseno = Adyacente / Hipotenusa
- Tangente = Opuesto / Adyacente
Con estas relaciones, si conocés un ángulo y un lado, podés calcular cualquier otro lado.
📐 Fundamento
En un triángulo rectángulo con ángulo agudo , lado opuesto , lado adyacente , hipotenusa :
Ángulos especiales en triángulos:
Triángulo 30-60-90 (lados: 1, , 2):
- , ,
- , ,
Triángulo 45-45-90 (lados: 1, 1, ):
- ,
Problemas de ángulos:
- Ángulo de elevación: ángulo formado mirando hacia arriba desde la horizontal.
- Ángulo de depresión: ángulo formado mirando hacia abajo desde la horizontal.
🛠️ En la práctica
Altura de un edificio.
Un topógrafo a 50 m de la base de un edificio mide un ángulo de elevación de . ¿Cuál es la altura del edificio?
Cable de antena.
Una antena de 20 m necesita un cable de soporte que forma un ángulo de con el suelo. ¿Cuánto mide el cable?
Relación con física: En el capítulo de Física Mecánica, descompondrás fuerzas en componentes horizontal y vertical usando exactamente estas relaciones: , .
5.6 Ejercicios
✏️ Ejercicio 5.1 — Conversión de ángulos
Convertí:
a. a radianes b. a grados c. ¿Cuántos radianes tiene un ángulo recto?
Solución
a.
b.
c. radianes
✏️ Ejercicio 5.2 — Valores trigonométricos
Sin calculadora, calculá:
a. b. c. d.
Solución
a. . Cuadrante II, referencia . .
b. . Cuadrante II, referencia . .
c. . .
d. Función impar: .
✏️ Ejercicio 5.3 — Identidad pitagórica
Si y está en el segundo cuadrante:
a. Encontrá . b. Encontrá . c. Verificá que .
Solución
a. . Cuadrante II: seno positivo. .
b. .
c. ✓
✏️ Ejercicio 5.4 — Triángulo rectángulo
Un camión de la aduana en la frontera El Amatillo sube por una rampa que forma un ángulo de con el terreno plano. Si la rampa mide 80 m de largo, ¿cuánto sube verticalmente el camión?
Solución
La altura vertical es el lado opuesto al ángulo de .
El camión sube aproximadamente 20.7 metros verticalmente.
✏️ Ejercicio 5.5 — Gráfica y período
Para la función :
a. ¿Cuál es la amplitud? b. ¿Cuál es el período? c. ¿Cuál es el desplazamiento horizontal? d. ¿Cuál es el valor máximo y mínimo de ?
Solución
Forma: con , , , .
a. Amplitud .
b. Período .
c. Desplazamiento horizontal hacia la derecha.
d. Máximo: . Mínimo: .
5.7 Para profundizar
- Stewart, Pre-Cálculo, capítulos de trigonometría y funciones trigonométricas.
- Khan Academy — sección "Trigonometry", con el círculo unitario animado.
- Física Mecánica: el cap. 2 sobre vectores usa directamente y para descomposición de fuerzas.
- Cálculo Diferencial: el cap. 4 sobre reglas de derivación incluye derivadas de funciones trigonométricas.
Definiciones nuevas: radian, círculo unitario, seno, coseno, tangente, secante, cosecante, cotangente, identidad pitagórica, amplitud, período, desplazamiento horizontal, ángulo de referencia, ángulo de elevación, ángulo de depresión.