Risolvere le equazioni goniometriche lineari senza formule parametriche

Risolvere le equazioni goniometriche lineari
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Vediamo una tecnica che ci permette di risolvere le equazioni goniometriche lineari senza dover ricorrere alle formule parametriche razionali. Vedremo cioè come risolvere equazioni goniometriche nella forma:

\[ a \cos x + b \sin x = c, \quad \text{con } a,b,c \in \mathbb{R}, \quad a, b \neq 0 \]

Il termine ​\( c \)​ può anche essere nullo, per cui il metodo risolutivo proposto non è legato strettamente alle equazioni goniometriche lineari ma riguarda anche le equazioni goniometriche omogenee di primo grado, ovvero le equazioni goniometriche nella forma:

\[ a \cos x + b \sin x = 0 \]

Il metodo non è applicabile invece per equazioni goniometriche omogenee di grado superiore al primo.

Vediamo allora questo metodo alternativo per risolvere le equazioni goniometriche lineari senza utilizzare le formule parametriche razionali. 🙂

 

Procedimento alternativo per risolvere le equazioni goniometriche lineari in seno e coseno

Data un’equazione goniometrica nella forma:

\[ a \cos x + b \sin x = c \]

con ​\( a,b,c \)​ reali e ​\( a,b \)​ non nulli, questa può essere risolta dividendo entrambi i membri per il termine ​\( \sqrt{a^2+b^2} \)​. In tal modo, grazie alle formule di addizione e sottrazione del seno e del coseno, è possibile trasformare il primo membro dell’equazione data in un termine del tipo ​\( \cos(x +\alpha) \)​ oppure ​\( \sin (x + \alpha) \)​. Si ottiene così un‘equazione goniometrica riconducibile ad elementare per sostituzione dell’argomento.

Vediamo subito un esempio. 🙂

 

Esempio 1

Risolvere l’equazione:

\[ \sin x + \cos x = 1 \]

Abbiamo ​\( a=1 \)​ e ​\( b = 1 \)​. Di conseguenza ​\( \sqrt{a^2+b^2}=\sqrt{2} \)​. Dividiamo entrambi i membri dell’equazione per la quantità ottenuta:

\[ \dfrac{\sin x}{\sqrt{2}}+\dfrac{\cos x}{\sqrt{2}}=\dfrac{1}{\sqrt{2}} \]

Poiché ​\( \sin \left(\dfrac{\pi}{4} \right)=\dfrac{\sqrt2}{2}=\dfrac{1}{\sqrt{2}} \)​ e pure ​\( \cos\left(\dfrac{\pi}{4} \right)=\dfrac{1}{\sqrt{2}} \)​ possiamo riscrivere l’equazione come:

\[ \sin x \cdot \sin \left(\dfrac{\pi}{4} \right)+ \cos x \cdot \cos \left(\dfrac{\pi}{4} \right)=\dfrac{1}{\sqrt{2}} \]

Il primo membro ha la stessa struttura del risultato della formula di sottrazione del coseno. In particolare si ha \( \sin x \cdot \sin \dfrac{\pi}{4}+\cos x \cdot \cos \dfrac{\pi}{4}=\cos \left(\dfrac{\pi}{4}-x \right) \). Di conseguenza, possiamo sostituire il primo membro dell’equazione con il termine ​\( \cos \left(\dfrac{\pi}{4}-x \right) \)​. Scriviamo quindi:

\[ \cos \left(\dfrac{\pi}{4}-x \right)= \dfrac{1}{\sqrt{2}} \]

NOTA: in base alla formula di sottrazione del coseno avremmo potuto sostituire il primo membro dell’equazione anche con il termine ​\( \cos\left(x-\dfrac{\pi}{4}\right) \)​. Osserviamo che ciò sarebbe stato del tutto equivalente, poiché per gli archi associati abbiamo in generale ​\( \cos(x) = \cos(-x) \)​, e quindi nel nostro caso \( \cos \left(\dfrac{\pi}{4}-x \right)= \cos\left(x-\dfrac{\pi}{4}\right) \). 😉

A questo punto ci siamo ricondotti ad una equazione goniometrica quasi elementare, riconducibile ad una elementare sostituendo l’argomento. Poniamo:

\[ t = \dfrac{\pi}{4}-x \]

Si tratta ora di risolvere la seguente equazione elementare nella variabile ​\( t \)​:

\[ \cos t = \dfrac{1}{\sqrt{2}} \]

Risolviamola graficamente sulla circonferenza goniometrica:

 

Risolvere le equazioni goniometriche lineari

 

L’equazione ha soluzioni:

\[ t_1 = \dfrac{\pi}{4}+2k\pi, \quad t_2 = \dfrac{7}{4}\pi + 2k \pi, \quad k \in \mathbb{Z} \]

Ora non ci resta che esplicitare le soluzioni rispetto ad ​\( x \)​. Abbiamo:

\[ t_1 = \dfrac{\pi}{4}+2k\pi \quad \Rightarrow \quad \dfrac{\pi}{4}-x=\dfrac{\pi}{4}+2k\pi \]

E quindi:

\[ x_1 = 2 k \pi, \quad k \in \mathbb{Z} \]

Abbiamo inoltre:

\[ t_2 = \dfrac{7}{4}\pi + 2k \pi \quad \Rightarrow \quad \dfrac{\pi}{4}-x=\dfrac{7}{4}\pi+2k \pi \]

Da cui:

\[ x_2 = -\dfrac{3}{2}\pi + 2k \pi, \quad k \in \mathbb{Z} \]

o equivalentemente:

\[ x_2 = \dfrac{\pi}{2}+2k\pi, \quad k \in \mathbb{Z} \]

Le soluzioni trovate sono proprio le soluzioni dell’equazione goniometrica lineare assegnata. 🙂

 

Esempio 2

Risolvere:

\[ \sqrt{3}\sin x + \cos x = 2 \]

Abbiamo ​\( a=\sqrt{2} \)​ e ​\( b=1 \)​. Così ​\( \sqrt{a^2+b^2}=\sqrt{3+1}=2 \)​. Dobbiamo quindi dividere entrambi i membri dell’equazione data per ​\( 2 \)​:

\[ \dfrac{\sqrt{3}}{2}\sin x+ \dfrac{1}{2}\cos x =\dfrac{2}{2} \]

Osservando che ​\( \sin \dfrac{\pi}{3}=\dfrac{\sqrt{3}}{2} \)​ e che ​\( \cos \left(\dfrac{\pi}{3} \right)=\dfrac{1}{2} \)​ possiamo riscrivere l’equazione come:

\[ \sin \left(\dfrac{\pi}{3} \right)\sin x + \cos \left(\dfrac{\pi}{3} \right)\cos x= 1 \]

Ancora, per la formula di sottrazione del coseno, l’equazione diventa:

\[ \cos \left(\dfrac{\pi}{3}-x \right)=1 \]

Poniamo

\[ t=\dfrac{\pi}{3}-x \]

Si tratta così di risolvere la disequazione goniometrica elementare:

\[ \cos t = 1 \]

Avente le soluzioni:

\[ t= 2 k \pi \]

Esplicitando le soluzioni in ​\( x \)​, otteniamo le soluzioni per l’equazione goniometrica assegnata:

\[ x=\dfrac{\pi}{3}+2k \pi, \quad k \in \mathbb{Z} \]

Esempio 3

Il metodo mostrato funziona benissimo anche per le equazioni goniometriche omogenee di primo grado. Proviamo a risolverne una. 😉

\[ \sin x + \cos x = 0 \]

Abbiamo ​\( a=1 \)​ e ​\( b=1 \)​. Di conseguenza ​\( \:\sqrt{a^2+b^2}=2 \). Dividiamo ciascun membro dell’equazione per ​\( 2 \)​ (al secondo membro avremo ovviamente ​\( 0:2=0 \)​):

\[ \dfrac{\sin x}{\sqrt{2}}+\dfrac{\cos x}{\sqrt{2}}=0 \]

Poiché ​\( \dfrac{1}{\sqrt{2}}= \dfrac{\sqrt{2}}{\sqrt{2} \cdot \sqrt{2}}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}=\cos \left(\dfrac{\pi}{4} \right) \)​ e inoltre poiché ​\( \dfrac{1}{\sqrt{2}}=\sin \left(\dfrac{\pi}{4} \right) \)​ l’equazione diventa:

\[ \sin \left(\dfrac{\pi}{4}\right)\sin x + \cos \left(\dfrac{\pi}{4} \right) \cos x = 0 \]

Applicando la formula di sottrazione del coseno:

\[ \cos \left(\dfrac{\pi}{4}-x \right)=0 \]

Risolvendo tale equazione goniometrica mediante sostituzione dell’argomento otteniamo dopo passaggi del tutto simili a quelli svolti nei precedenti esempi:

\[ x = -\dfrac{\pi}{4}+k \pi \]

Queste sono le soluzioni dell’equazione goniometrica assegnata.

Osserviamo che risolvendo l’equazione data con la usuale regola per le equazioni omogenee otteniamo ovviamente le stesse soluzioni. Infatti:

\[ \begin{align} &\sin x + \cos x = 0 \\ \\ &\dfrac{\sin x}{\sin x}+ \dfrac{\cos x }{\sin x } = 0 \\ \\ & 1 + \cot x = 0 \\ \\ &\cot x = -1 \end{align} \]

Dobbiamo così risolvere l’equazione goniometrica elementare:

\[ \cot x = – 1 \]

 

Risolvere le equazioni goniometriche lineari

 

Risolvendo l’equazione elementare con la circonferenza goniometrica otteniamo:

\[ x = \dfrac{3 \pi}{4} + k \pi, \quad k \in \mathbb{Z} \]

Ovvero:

\[ x = -\dfrac{\pi}{4}+k \pi, \quad k \in \mathbb{Z} \]

Ritroviamo così il precedente risultato. 🙂

 

Per concludere: quale metodo scegliere per svolgere gli esercizi sulle equazioni goniometriche lineari in seno e coseno? Diciamo che l’uso delle formule parametriche razionali è sicuramente il metodo risolutivo più classico, anche se algebricamente un po’ scomodo. Il metodo presentato in questa lezione è forse più comodo dal punto di vista algebrico ma richiede una certa dimestichezza con le formule di addizione e sottrazione. Per cui, non lascio che a voi (e al vostro insegnante) la scelta del metodo migliore.

 

Qui termina questa lezione su come risolvere le equazioni goniometriche lineari senza le formule parametriche. Ciao a tutti e buono studio con Altramatica! 🙂