Sumar dos ángulos significa componer dos giros. El seno de esa suma no se obtiene sumando dos alturas sin más, porque al girar también cambia la dirección horizontal. Vamos a justificar las fórmulas, aplicarlas a ángulos conocidos y deducir las de ángulo doble y medio ángulo, con sus condiciones.
Si necesitas repasar:
1. Componer giros no equivale a sumar directamente los valores del seno
Un ángulo α seguido de un giro β llega a la dirección α + β. Las coordenadas del punto final son cos(α + β) y sen(α + β), no la suma automática de las coordenadas iniciales. La suma ocurre dentro del ángulo de entrada.
Por ejemplo, 30° + 30° = 60°, pero sen 60° = √3/2 mientras sen 30° + sen 30° = 1. Es un primer control para no distribuir una función sobre una suma como si fuera una multiplicación.
Las letras α y β se leen alfa y beta y nombran ángulos. Su unidad debe ser la misma. Las identidades que construiremos valen para ángulos reales generales, no solo agudos.
Comprobar una distribución falsa
¿cos(0° + 0°) es cos 0° + cos 0°?
Valor de la entrada sumada
cos 0° = 1.Suma de valores por separado
1 + 1 = 2.Comparamos
No coinciden.
No; uno vale uno y el otro dos.
Una fórmula de suma necesita términos que mezclan seno y coseno.
Separar el dato del resultado
Si α = 20° y β = 40°, ¿cuál es la entrada de sen(α + β)?
Sumamos ángulos
60°.
Evaluamos después
sen 60° = √3/2.
La entrada es 60° y su seno √3/2.
No hemos tenido que hallar primero sen 20° ni sen 40°.
2. Las fórmulas de suma combinan productos cruzados
Las relaciones son sen(α + β) = sen α cos β + cos α sen β y cos(α + β) = cos α cos β − sen α sen β. Cada producto conserva qué función corresponde a qué ángulo. En el seno hay suma de productos cruzados; en el coseno, diferencia de productos de la misma función.
Podemos elegir descomposiciones como 75° = 45° + 30° o 105° = 60° + 45° porque conocemos los valores exactos de cada parte. Primero escribimos la identidad y después sustituimos, para no cambiar un signo de memoria.
En el siguiente apartado justificaremos estas relaciones con distancias y giros. Las fórmulas no dependen de que las dos piezas del ángulo sean positivas: las simetrías de seno y coseno permiten usar también diferencias.
Coseno exacto de 75°
Calcula cos 75° usando 45° + 30°.
Escribimos la suma de coseno
cos 45° cos 30° − sen 45° sen 30°.
Sustituimos
(√2/2)(√3/2) − (√2/2)(1/2).
Mismo denominador
(√6 − √2)/4.
cos 75° = (√6 − √2)/4.
Es positivo y pequeño porque 75° está cerca de 90°.
Seno exacto de 105°
Usa 60° + 45°.
Productos cruzados
sen 60° cos 45° + cos 60° sen 45°.
Sustituimos
(√3/2)(√2/2) + (1/2)(√2/2).
Sumamos
(√6 + √2)/4.
sen 105° = (√6 + √2)/4.
Es positivo en el segundo cuadrante y coincide con el seno de 75° por simetría.
3. La misma cuerda medida antes y después de girar demuestra el coseno de una diferencia
Tomamos dos puntos del círculo unitario: P = (cos α; sen α) y Q = (cos β; sen β). La distancia al cuadrado es d² = (cos α − cos β)² + (sen α − sen β)². Al desarrollar y usar dos veces la identidad fundamental queda d² = 2 − 2(cos α cos β + sen α sen β).
Giramos todo el dibujo −β. Las distancias se conservan. Q queda en (1; 0) y P en la dirección α − β. La misma distancia se calcula ahora como d² = [cos(α − β) − 1]² + sen²(α − β) = 2 − 2cos(α − β).
Igualamos las dos expresiones de la misma distancia y simplificamos: cos(α − β) = cos α cos β + sen α sen β. Este argumento usa ángulos generales, no solo los 75° y 30° que ilustran el dibujo.
Sustituir β por −β y usar cos(−β) = cos β, sen(−β) = −sen β da la fórmula del coseno de una suma. Para el seno usamos sen t = cos(90° − t): aplicamos el coseno de una diferencia a (90° − α) − β y obtenemos los dos productos cruzados.
En radianes, ese 90° se escribe π/2.
La cuerda del dibujo
Los puntos iniciales están a 75° y 30°. ¿Qué separación angular queda al girar todo −30°?
Primero
75° − 30° = 45°.Segundo
30° − 30° = 0°.Diferencia conservada
45° − 0° = 45°.
La separación sigue siendo 45°.
La cuerda mantiene longitud, aunque cambie su posición.
Comprobar un caso de la demostración
Haz α = β en cos(α − β) = cos α cos β + sen α sen β.
Lado izquierdo
cos 0 = 1.Lado derecho
cos²α + sen²α = 1.
Recuperamos la identidad fundamental.
Este caso comprueba la coherencia; la demostración general fue la comparación de distancias.
4. Las diferencias se deducen cambiando el signo del segundo ángulo
Escribimos α − β como α + (−β). El seno del ángulo negativo cambia de signo y el coseno se conserva. Así sen(α − β) = sen α cos β − cos α sen β y cos(α − β) = cos α cos β + sen α sen β.
El cambio de signo aparece en el término correspondiente, no en toda la expresión sin más. Una buena revisión compara el cuadrante del ángulo final con el signo obtenido.
Seno de 15°
Usa 45° − 30°.
Identidad de diferencia
sen 45° cos 30° − cos 45° sen 30°.
Sustituimos
√6/4 − √2/4.
Reunimos
(√6 − √2)/4.
sen 15° = (√6 − √2)/4.
Es positivo y coincide con cos 75° por complementariedad.
El coseno de una diferencia tiene suma
Calcula cos(60° − 30°) usando la identidad.
Productos
cos 60° cos 30° + sen 60° sen 30°.
Sustituimos
√3/4 + √3/4.
Resultado
√3/2.
cos 30° = √3/2.
El valor conocido confirma el signo más de esta diferencia.
5. El seno doble aparece al sumar un ángulo consigo mismo
Ponemos β = α en la fórmula de suma: sen(2α) = sen α cos α + cos α sen α = 2sen α cos α. El dos multiplica al producto de ambos valores, no solo al seno.
La identidad vale aunque alguno de los factores sea cero o negativo, porque no hemos dividido. Si sabemos seno pero no el signo del coseno, puede faltar información para determinar el signo de sen(2α).
Dos razones dadas
sen α = 5/13 y cos α = 12/13. Halla sen(2α).
Identidad
2sen α cos α.
Sustituimos
2 · (5/13) · (12/13).
Multiplicamos
120/169.
sen(2α) = 120/169.
Está entre −1 y 1 y es positivo.
Un factor nulo
α = 90°. Comprueba sen(2α).
Ángulo final
2α = 180°, cuyo seno es cero.Producto
2 · sen 90° · cos 90° = 2 · 1 · 0 = 0.
El valor es cero.
No hubo que dividir entre coseno, así que este ángulo está permitido.
6. El coseno doble tiene tres formas según el dato que conozcamos
La suma de coseno con β = α da cos(2α) = cos²α − sen²α.
Las tres formas son la misma identidad. Elegimos la que use los datos disponibles sin calcular una raíz innecesaria. Para coseno doble, conocer sen²α o cos²α basta; el signo de la razón original desaparece al cuadrar.
Coseno negativo conocido
cos α = −5/13. Halla cos(2α).
Elegimos solo coseno
cos(2α) = 2cos²α − 1.Cuadramos el dato completo
cos²α = 25/169.Calculamos
50/169 − 169/169 = −119/169.
cos(2α) = −119/169.
No se necesitó elegir entre los dos posibles signos de sen α.
Seno negativo conocido
sen α = −1/2. Halla cos(2α).
Usamos el cuadrado del seno
cos(2α) = 1 − 2sen²α.Cuadrado
1/4.
Resultado
1 − 1/2 = 1/2.
cos(2α) = 1/2.
El dato negativo se elevó al cuadrado antes de multiplicar por dos.
7. La tangente de una suma nace de dividir las dos fórmulas anteriores
Dividimos sen(α + β) entre cos(α + β). Si cos α y cos β no son cero, podemos dividir además numerador y denominador entre cos α cos β y obtenemos tan(α + β) = (tan α + tan β)/(1 − tan α tan β).
Además, el denominador 1 − tan α tan β debe ser no nulo para que exista la tangente de la suma. La fórmula usa las tangentes individuales, así que no se puede aplicar si alguna de ellas no existe, aunque la tangente final pudiera existir.
Para la diferencia, tan(α − β) = (tan α − tan β)/(1 + tan α tan β), con las condiciones correspondientes. Mantener paréntesis evita dividir solo el último término por el denominador.
Tangente exacta de 75°
Usa 45° + 30°.
Sustituimos
(1 + 1/√3)/(1 − 1/√3).
Multiplicamos arriba y abajo por √3
(√3 + 1)/(√3 − 1).
Racionalizamos
(√3 + 1)²/(3 − 1) = (4 + 2√3)/2.
tan 75° = 2 + √3.
El denominador no es cero y el valor es positivo, mayor que uno.
Una condición que no se puede omitir
Intenta usar la fórmula con α = 45° y β = 45°.
Tangentes individuales
Ambas valen uno.
Denominador de suma
1 − 1 · 1 = 0.Ángulo final
90°, cuya tangente no existe.
La tangente de la suma no está definida.
No se asigna un valor al cociente entre cero.
8. La tangente doble requiere que existan la razón inicial y el cociente final
Se necesita que tan α exista y que 1 − tan²α ≠ 0. Esta condición se corresponde con cos(2α) no nulo bajo la primera hipótesis.
A veces conviene usar seno y coseno del doble directamente para evitar una fórmula intermedia fuera de dominio. Por ejemplo, para α = 90° no existe tan α, pero tan(2α) = tan 180° = 0 sí existe. La fórmula escrita con tan α no sirve para calcular ese caso.
Tangente inicial dada
tan α = 1/2. Halla tan(2α).
Denominador
1 − 1/4 = 3/4, no nulo.Numerador
2 · 1/2 = 1.Dividimos
1/(3/4) = 4/3.
tan(2α) = 4/3.
La condición del denominador se revisó antes de dividir.
Fórmula inaplicable, resultado final válido
α = 90°. Halla tan(2α).
No usamos tan α
Está indefinida.
Evaluamos el ángulo final
2α = 180°.Coordenadas finales
Seno cero y coseno menos uno: cociente cero.
tan(2α) = 0.
El dominio de una forma intermedia puede ser más pequeño que el del valor final.
9. El medio ángulo se deduce de las fórmulas del coseno doble
Aplicamos cos α = 1 − 2sen²(α/2) y despejamos: sen²(α/2) = (1 − cos α)/2.
Al sacar raíz hay que elegir el signo según el cuadrante de α/2. La raíz principal da una magnitud positiva y no decide el signo de una razón trigonométrica. Para 0° < α < 180°, el medio ángulo es agudo y ambas raíces se toman positivas.
También tan(α/2) = sen α/(1 + cos α), donde 1 + cos α ≠ 0. La variante (1 − cos α)/sen α tiene una exclusión adicional cuando sen α = 0; no se intercambian sin revisar sus dominios.
Un valor exacto nuevo
Halla cos 22,5° a partir de cos 45°.
Fórmula del medio ángulo
cos²22,5° = (1 + √2/2)/2 = (2 + √2)/4.Elegimos signo
22,5° es agudo: coseno positivo.
Raíz
cos 22,5° = √(2 + √2)/2.
cos 22,5° = √(2 + √2)/2.
El resultado es positivo y menor que uno.
Una raíz necesita signo negativo
Usa medio ángulo con α = 480° para hallar cos 240°.
Coseno de α
cos 480° = cos 120° = −1/2.Magnitud del medio ángulo
cos²240° = (1 − 1/2)/2 = 1/4.Cuadrante de 240°
Tercero: coseno negativo.
cos 240° = −1/2.
Elegir solo la raíz positiva habría perdido el signo del tercer cuadrante.
10. Una comprobación usa estructura, dominio y dirección del ángulo
Antes de operar, elegimos una descomposición con valores que conozcamos. Después revisamos signos y productos. Los valores de seno y coseno deben estar entre −1 y 1; el signo final debe coincidir con el cuadrante del ángulo compuesto.
Una evaluación numérica sirve para revisar una cuenta, pero la validez para todos los ángulos procede de las identidades demostradas. Si aparece una tangente, comprobamos su dominio antes de calcular. Para una raíz de medio ángulo volvemos al signo de la dirección final.
Detectar un resultado imposible
Se obtiene sen 75° = (√6 + √2)/2. ¿Puede estar bien?
Estimamos el numerador
√6 + √2 es aproximadamente 3,864.
Dividir entre dos
Da aproximadamente 1,932, mayor que uno.
Revisamos productos de medios
El denominador correcto al multiplicar dos mitades es cuatro.
No; el valor correcto es (√6 + √2)/4.
La cota del seno detecta el error de denominador.
Elegir una descomposición simple
Para hallar cos 15° exactamente, ¿qué descomposición usa solo ángulos notables?
Elegimos
45° − 30°.
Fórmula de diferencia
cos 45° cos 30° + sen 45° sen 30°.
Resultado
(√6 + √2)/4.
cos 15° = (√6 + √2)/4.
Coincide con sen 75° por complementariedad.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Un ángulo compuesto
Calcula sen75°.
Descomponemos la entrada
75° = 45° + 30°.Identidad de suma de seno
sen75° = sen45° cos30° + cos45° sen30°.Valores exactos
(√2/2)(√3/2) + (√2/2)(1/2).
Multiplicamos y sumamos
√6/4 + √2/4 = (√6 + √2)/4.Comprobamos magnitud y signo
Es aproximadamente 0,966, positivo y menor que uno.
(√6+√2)/4.
El resultado es positivo y próximo a 1.
EJEMPLO RESUELTO 2
Ángulo doble
Si sen a=3/5 y cos a=4/5, halla cos2a.
Tenemos ambas razones del mismo ángulo
sen a = 3/5 y cos a = 4/5.Coseno doble como diferencia de cuadrados
cos2a = cos²a − sen²a.Sustituimos
16/25 − 9/25 = 7/25.Comprobamos otra forma
1 − 2sen²a = 1 − 18/25 = 7/25.
7/25.
También 1−2·9/25=7/25.
Los símbolos que hemos usado
- a, b
- Ángulos reales expresados en la misma unidad.
- sen(a+b)
- Seno del ángulo suma completo; no equivale a sen a+sen b.
- cos(a+b)
- Coseno de la suma completa.
- sen²a, cos²a
- Cuadrados de las razones, no razones del ángulo doble.
- 2a
- Ángulo doble: dos veces la amplitud a.
- tan a
- Cociente sen a/cos a, con cos a≠0.
- Dominio común
- Ángulos para los que todas las expresiones de una identidad están definidas.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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