Forma harmónica

Introduz a e b (podes usar frações ou raízes, como √3) e escolhe a forma pedida no enunciado. O triângulo relaciona R cos α e R sen α com os coeficientes; o gráfico mostra as duas ondas a tracejado e a onda que resulta da sua soma. Se introduzires c, obténs as soluções de a sen x + b cos x = c num intervalo.

Amplitude R=a2+b2R=\sqrt{a^{2}+b^{2}}
Em função do seno asin⁡x+bcos⁡x=Rsin⁡(x+α)tan⁡α=ba\begin{aligned}&a\sin x+b\cos x=R\sin(x+\alpha)\\&\tan\alpha=\frac{b}{a}\end{aligned}
Em função do cosseno asin⁡x+bcos⁡x=Rcos⁡(x−α)tan⁡α=ab\begin{aligned}&a\sin x+b\cos x=R\cos(x-\alpha)\\&\tan\alpha=\frac{a}{b}\end{aligned}
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Lição

A teoria — Forma harmónica

A forma harmónica permite escrever a sen x + b cos x como uma única onda, R sen(x ± α) ou R cos(x ± α), com R > 0.

De onde vem a fórmula

  1. Desenvolve a forma pretendida com a fórmula do seno ou do cosseno da soma ou da diferença de dois ângulos, para obteres também uma soma de um múltiplo de sen x com um múltiplo de cos x.
    Rsin⁡(x+α)=Rcos⁡α sin⁡x+Rsin⁡α cos⁡xR\sin(x+\alpha)=R\cos\alpha\,\sin x+R\sin\alpha\,\cos x
  2. Iguala os coeficientes. Os coeficientes de sen x e de cos x dão R cos α e R sen α, com os sinais que resultam da forma escolhida.
    Rcos⁡α=a,Rsin⁡α=bR\cos\alpha=a,\qquad R\sin\alpha=b
  3. Eleva ao quadrado e soma para obter R; divide para obter α. A identidade cos²α + sen²α = 1 permite calcular R; o quociente dá tan α. Os sinais de R cos α e de R sen α indicam o quadrante de α.
    R2(cos⁡2α+sin⁡2α)=a2+b2 ⇒ R=a2+b2,tan⁡α=baR^{2}(\cos^{2}\alpha+\sin^{2}\alpha)=a^{2}+b^{2}\ \Rightarrow\ R=\sqrt{a^{2}+b^{2}},\qquad\tan\alpha=\frac{b}{a}
  4. Interpreta a onda. O seno e o cosseno variam entre −1 e 1, pelo que a expressão varia entre −R e R. Atinge R quando o argumento é 90°, no caso do seno, ou 0°, no caso do cosseno.
    −R≤asin⁡x+bcos⁡x≤R-R\le a\sin x+b\cos x\le R
  5. Resolve a sen x + b cos x = c tomando o argumento como incógnita. Na forma R sen(x + α), obténs sen(x + α) = c/R, e o intervalo do argumento resulta de somar α aos extremos do intervalo de x. Nas outras formas, o procedimento é o mesmo, com a respetiva função e o respetivo sinal. Se |c| > R, não há soluções.
    asin⁡x+bcos⁡x=c ⇒ sin⁡(x+α)=cRa\sin x+b\cos x=c\ \Rightarrow\ \sin(x+\alpha)=\frac{c}{R}

Problemas resolvidos na íntegra

  1. A forma habitual, R sen(x + α) 2 passos

    Escreve 3 sen x + 4 cos x na forma R sen(x + α), com R > 0 e 0° < α < 90°.

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    1. Desenvolve a forma pedida e iguala os coeficientes de sen x e de cos x:

      Rsin⁡(x+α)=Rcos⁡α sin⁡x+Rsin⁡α cos⁡x ⇒ Rcos⁡α=3,Rsin⁡α=4R\sin(x+\alpha)=R\cos\alpha\,\sin x+R\sin\alpha\,\cos x\ \Rightarrow\ R\cos\alpha=3,\quad R\sin\alpha=4
    2. Eleva as duas igualdades ao quadrado e soma-as; depois, divide-as:

      R=32+42=5,tan⁡α=43,α=53.13∘R=\sqrt{3^{2}+4^{2}}=5,\qquad\tan\alpha=\frac{4}{3},\quad\alpha=53{.}13^{\circ}

    Resposta

    3 sen x + 4 cos x = 5 sen(x + 53,13°).

    3sin⁡x+4cos⁡x=5sin⁡(x+53.13∘)3\sin x+4\cos x=5\sin(x+53{.}13^{\circ})
  2. Uma forma exata com uma raiz, R cos(x − α) 2 passos

    Escreve sen x + √3 cos x na forma R cos(x − α), indicando os valores exatos de R e de α.

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    1. Desenvolve R cos(x − α) e iguala os coeficientes:

      Rcos⁡(x−α)=Rcos⁡α cos⁡x+Rsin⁡α sin⁡x ⇒ Rcos⁡α=3,Rsin⁡α=1R\cos(x-\alpha)=R\cos\alpha\,\cos x+R\sin\alpha\,\sin x\ \Rightarrow\ R\cos\alpha=\sqrt{3},\quad R\sin\alpha=1
    2. Eleva as duas igualdades ao quadrado e soma-as; depois, divide-as. O valor tan α = 1/√3 corresponde a um ângulo notável:

      R=3+1=2,tan⁡α=13,α=30∘R=\sqrt{3+1}=2,\qquad\tan\alpha=\frac{1}{\sqrt{3}},\quad\alpha=30^{\circ}

    Resposta

    sen x + √3 cos x = 2 cos(x − 30°).

    sin⁡x+3cos⁡x=2cos⁡(x−30∘)\sin x+\sqrt{3}\cos x=2\cos(x-30^{\circ})
  3. O sinal de menos em R sen(x − α) 2 passos

    Escreve 5 sen x − 12 cos x na forma R sen(x − α), com R > 0 e 0° < α < 90°.

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    1. O sinal de menos que surge ao desenvolver corresponde ao da expressão dada, pelo que R sen α é positivo:

      Rsin⁡(x−α)=Rcos⁡α sin⁡x−Rsin⁡α cos⁡x ⇒ Rcos⁡α=5,Rsin⁡α=12R\sin(x-\alpha)=R\cos\alpha\,\sin x-R\sin\alpha\,\cos x\ \Rightarrow\ R\cos\alpha=5,\quad R\sin\alpha=12
    2. Eleva as duas igualdades ao quadrado e soma-as; depois, divide-as:

      R=25+144=13,tan⁡α=125,α=67.38∘R=\sqrt{25+144}=13,\qquad\tan\alpha=\frac{12}{5},\quad\alpha=67{.}38^{\circ}

    Resposta

    5 sen x − 12 cos x = 13 sen(x − 67,38°). Se escolhesses R sen(x + α), obterias α = −67,38°.

    5sin⁡x−12cos⁡x=13sin⁡(x−67.38∘)5\sin x-12\cos x=13\sin(x-67{.}38^{\circ})
  4. Máximo e mínimo: valores e onde ocorrem 2 passos

    Determina o máximo e o mínimo de 3 sen x + 4 cos x para 0° ≤ x < 360° e os valores de x em que ocorrem. Deduz o maior valor de 1/(10 + 3 sen x + 4 cos x).

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    1. Do primeiro exercício, sabemos que 3 sen x + 4 cos x = 5 sen(x + 53,13°). Como o seno varia entre −1 e 1:

      sin⁡(x+53.13∘)=1: x=36.87∘,sin⁡(x+53.13∘)=−1: x=216.87∘\sin(x+53{.}13^{\circ})=1:\ x=36{.}87^{\circ},\qquad\sin(x+53{.}13^{\circ})=-1:\ x=216{.}87^{\circ}
    2. A fração atinge o maior valor quando o denominador é mínimo, ou seja, no mínimo da onda:

      110+3sin⁡x+4cos⁡x≤110−5=15\frac{1}{10+3\sin x+4\cos x}\le\frac{1}{10-5}=\frac{1}{5}

    Resposta

    O máximo é 5, em x = 36,87°, e o mínimo é −5, em x = 216,87°; o maior valor da fração é 1/5, em x = 216,87°.

    max⁡=5,min⁡=−5,max⁡110+3sin⁡x+4cos⁡x=15\max=5,\quad\min=-5,\quad\max\frac{1}{10+3\sin x+4\cos x}=\frac{1}{5}
  5. Resolver a sen x + b cos x = c 3 passos

    Resolve 3 sen x + 4 cos x = 2 para 0° ≤ x < 360°.

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    1. Escreve o primeiro membro na forma harmónica e divide ambos os membros por R:

      5sin⁡(x+53.13∘)=2 ⇒ sin⁡(x+53.13∘)=0.45\sin(x+53{.}13^{\circ})=2\ \Rightarrow\ \sin(x+53{.}13^{\circ})=0{.}4
    2. Quando x percorre o intervalo dado, o argumento x + 53,13° varia de 53,13° a 413,13°. A partir do valor principal e do ângulo suplementar, obtêm-se os dois ângulos nesse intervalo:

      x+53.13∘=180∘−23.58∘=156.42∘,x+53.13∘=360∘+23.58∘=383.58∘x+53{.}13^{\circ}=180^{\circ}-23{.}58^{\circ}=156{.}42^{\circ},\qquad x+53{.}13^{\circ}=360^{\circ}+23{.}58^{\circ}=383{.}58^{\circ}
    3. Subtrai 53,13° a cada um:

      x=103.29∘,x=330.45∘x=103{.}29^{\circ},\qquad x=330{.}45^{\circ}

    Resposta

    x = 103,29° ou x = 330,45° (com 2 casas decimais).

    x=103.29∘, 330.45∘x=103{.}29^{\circ},\ 330{.}45^{\circ}
  6. Quando não há soluções 2 passos

    Mostra que sen x + cos x = 2 não tem soluções.

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    1. Escreve o primeiro membro na forma harmónica:

      sin⁡x+cos⁡x=2sin⁡(x+45∘)\sin x+\cos x=\sqrt{2}\sin(x+45^{\circ})
    2. O seno nunca ultrapassa 1, pelo que o primeiro membro nunca ultrapassa √2:

      −2≤2sin⁡(x+45∘)≤2≈1.4142<2-\sqrt{2}\le\sqrt{2}\sin(x+45^{\circ})\le\sqrt{2}\approx1{.}4142<2

    Resposta

    sen x + cos x ≤ √2 ≈ 1,4142 < 2 para qualquer x, pelo que a equação não tem soluções.

    sin⁡x+cos⁡x≤2<2\sin x+\cos x\le\sqrt{2}<2
  7. Um modelo: a profundidade máxima num porto 2 passos

    A profundidade da água num porto é dada por D = 6 + 3 sen(30t)° + 4 cos(30t)° metros, sendo t o tempo, em horas, decorrido desde a meia-noite. Determina a profundidade máxima e o primeiro instante após a meia-noite em que é atingida.

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    1. Faz x = 30t. A parte variável é a onda que já conhecemos:

      D=6+5sin⁡(x+53.13∘),x=30tD=6+5\sin(x+53{.}13^{\circ}),\qquad x=30t
    2. O seu máximo é 5 e ocorre em x = 36,87°, pelo que:

      Dmax⁡=6+5=11,30t=36.87∘ ⇒ t=1.229D_{\max}=6+5=11,\qquad 30t=36{.}87^{\circ}\ \Rightarrow\ t=1{.}229

    Resposta

    A profundidade máxima é 11 m e é atingida pela primeira vez cerca de 1,23 horas após a meia-noite, à 1:14 da manhã.

    Dmax⁡=11 m,t≈1.23 hD_{\max}=11\ \mathrm{m},\qquad t\approx1{.}23\ \mathrm{h}

Problemas suplementares, só com a resposta

  1. Escreve 2 cos x − 3 sen x na forma R cos(x + α), com R > 0 e 0° < α < 90°.

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    √13 cos(x + 56,31°)

    2cos⁡x−3sin⁡x=13cos⁡(x+56.31∘)2\cos x-3\sin x=\sqrt{13}\cos(x+56{.}31^{\circ})
  2. Escreve 7 cos x − 24 sen x na forma R cos(x + α) e indica o seu máximo.

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    25 cos(x + 73,74°), máximo 25

    7cos⁡x−24sin⁡x=25cos⁡(x+73.74∘),max⁡=257\cos x-24\sin x=25\cos(x+73{.}74^{\circ}),\quad\max=25
  3. Resolve √3 sen x − cos x = 1 para 0° ≤ x < 360°.

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    x = 60° ou x = 180°

    x=60∘, 180∘x=60^{\circ},\ 180^{\circ}
  4. Escreve 2 sen θ − 1,5 cos θ na forma R sen(θ − α), com α em radianos e com 3 casas decimais.

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    2,5 sen(θ − 0,644)

    2sin⁡θ−1.5cos⁡θ=2.5sin⁡(θ−0.644)2\sin\theta-1{.}5\cos\theta=2{.}5\sin(\theta-0{.}644)
  5. Determina o mínimo de 5 sen x − 12 cos x + 20.

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    7

    5sin⁡x−12cos⁡x+20≥20−13=75\sin x-12\cos x+20\ge20-13=7
  6. Resolve 2 cos x − 3 sen x = 1 para 0° ≤ x < 360°.

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    x = 17,59° ou x = 229,79°

    x=17.59∘, 229.79∘x=17{.}59^{\circ},\ 229{.}79^{\circ}

O máximo de 3 sen x + 4 cos x é 5, não 7

Clica em 3 sen x + 4 cos x. As ondas a tracejado atingem 3 e 4, mas com um desfasamento de um quarto de volta: quando sen x atinge o máximo, cos x passa por zero. A soma é uma única onda de amplitude 5, a hipotenusa de um triângulo de lados 3, 4 e 5. A expressão a sen x + b cos x é o produto escalar de (a; b) por (sen x; cos x), um vetor unitário que roda à medida que x varia. O produto escalar por um vetor unitário é máximo quando os vetores têm a mesma direção e o mesmo sentido; nesse caso, é igual à norma de (a; b), ou seja, √(a² + b²). Aqui, isso acontece em x = 36,87°, quando (sen x; cos x) = (0,6; 0,8), o vetor que se obtém dividindo (3; 4) por 5. A soma de duas ondas com o mesmo período é sempre uma onda desse período. É essa propriedade que permite encontrar R e α.

O quociente invertido dá o ângulo da outra forma

O erro mais frequente nestes exercícios é usar tan α = a/b quando a forma pedida exige b/a. Clica em 3 sen x + 4 cos x e alterna entre R sen(x + α) e R cos(x − α): α passa de 53,13° para 36,87°, mas a curva a traço contínuo fica exatamente no mesmo lugar. As expressões 5 sen(x + 53,13°) e 5 cos(x − 36,87°) estão ambas corretas, pois o seno corresponde ao cosseno com um atraso de um quarto de volta e 53,13° + 36,87° = 90°. Ao inverter o quociente e calcular a arcotangente, obtém-se o α correto para a outra forma. O erro está apenas em não usar a forma pedida. Quando nenhum dos coeficientes é nulo, os seus sinais determinam quantas formas permitem ter α agudo: duas se ambos forem positivos, uma se apenas um for negativo e nenhuma se ambos forem negativos.

Uma tabela de marés usa R e α trinta e sete vezes

A NOAA prevê a maré em The Battery, no extremo sul de Manhattan, somando 37 curvas de cosseno. São as constituintes harmónicas, cada uma descrita por uma amplitude e uma fase. A maior, M2, a principal constituinte lunar semidiurna, tem amplitude de 0,671 m e avança 28,984104° por hora, repetindo-se a cada 12,42 horas. Estas constantes são obtidas a partir de medições do nível da água: um mês de registos abrange a maioria dos ciclos lunares e solares; para identificar as 37 constituintes, é preciso um ano. A amplitude e a fase descrevem a forma harmónica de uma soma de seno e cosseno, precisamente a transformação feita nesta página. Essa representação permite perceber de imediato o efeito de cada constituinte: só a M2 faz subir a água 0,671 m acima do nível médio e descer 0,671 m abaixo dele.

Percurso de aprendizagem

Identidades e equações trigonométricas

Referências (2)