chapter 6 circular functions - my maths

27
Page 1 of 27 CIRCULAR FUNCTIONS 6A Trigonometric ratio revision EXAMPLE Find the value of ݔin each of the following triangles. (a) (b) (c)

Upload: others

Post on 08-Dec-2021

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Chapter 6 Circular functions - My Maths

Page 1 of 27 

CIRCULAR FUNCTIONS  

6A  Trigonometric ratio revision 

 

           

 

EXAMPLE 

Find the value of   in each of the following triangles. 

(a)  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(b)  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(c)  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Page 2: Chapter 6 Circular functions - My Maths

CIRCULAR FUNCTIONS  Page 2 of 27   

6B  The unit circle 

 

The unit circle is a circle with center  0, 0  and a radius of 1 unit. 

 

 

At point  , 

the  ‐coordinate is ____________. 

the  ‐coordinate is ____________. 

 

The “tangent line” on a unit circle is the line that is a tangent to the circle at the point  1, 0 . 

 

tan  is the height at which a line along an angle hits the tangent line. 

 

 

 

 

 

 

 

Page 3: Chapter 6 Circular functions - My Maths

  Page 3 of 27  CIRCULAR FUNCTIONS 

Quadrants 

The coordinate axes divide the unit circle into four quadrants as shown in the diagram below. 

 

 

EXAMPLE 

If   is any angle, find the quadrant where: 

(a) sin ° 0 and tan ° 0 

 

 

 

 

 

 

 

(b) sin ° 0 and cos ° 0. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 4: Chapter 6 Circular functions - My Maths

CIRCULAR FUNCTIONS  Page 4 of 27   

Exact values 

 

Angles of sin, cos or tan are taken from the positive  ‐axis, traversing in an anticlockwise direction. 

   

 

Consider two basic right angled triangles with common angles 30°, 45° and 60°. 

     

 

 

 

 

 

Angle ( °)  sin   cos   tan  

0  0  1 0 

30 1

√3

1

√3 

45 

1

√2 

1

√2 

60 √3

1

2  √3 

90  1  0  undefined

 

Page 5: Chapter 6 Circular functions - My Maths

  Page 5 of 27  CIRCULAR FUNCTIONS 

EXAMPLE 

Without using a calculator, find: 

(a) sin 90°  

 

 

 

 

 

 

(b) cos 180°  

 

 

 

 

 

 

(c) tan 270°  

 

 

 

 

 

 

 

EXAMPLE 

Without using a calculator, state the exact value of: 

(a) sin 45°  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(b) cos 60°  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(c) tan 30°  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Page 6: Chapter 6 Circular functions - My Maths

CIRCULAR FUNCTIONS  Page 6 of 27   

6C  Radians 

 

An alternative unit for angle measurement is the radian (c), on the calculator as (r). 

Radians are derived from the circumference of the unit circle: 

 

In a unit circle, 

 

 

 

 

 

 

 

 

Conversions 

Degrees to radians  Radians to degrees 

 

 

 

 

 

  the circumference     

 

 

Page 7: Chapter 6 Circular functions - My Maths

  Page 7 of 27  CIRCULAR FUNCTIONS 

EXAMPLE 

Convert the following angles into exact radians. 

(a) 120° 

 

 

 

 

(b) 270° 

 

 

 

 

 

EXAMPLE 

Convert the following angles to degrees. 

(a)  

 

 

 

 

 

(b) 0.8  

 

 

 

 

 

 

EXAMPLE 

Use a calculator to convert: 

(a) 57.2°  to  radians,  correct  to 3 decimal 

places. 

 

 

 

 

 

 

 

 

(b) 2.75c to the nearest tenth of a degree. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 8: Chapter 6 Circular functions - My Maths

CIRCULAR FUNCTIONS  Page 8 of 27   

Exact values and radians 

Since  180°, 

30°,  45°,  60°  and  90°. 

So the table of exact values can be written in terms of radian measurements: 

Angle ( )  sin   cos   tan  

0  0  1 0 

1

√3

1

√3 

1

√2 

1

√2 

√3

1

2  √3 

2  1  0  undefined 

 

 

 

   

   

Page 9: Chapter 6 Circular functions - My Maths

  Page 9 of 27  CIRCULAR FUNCTIONS 

6D  Symmetry 

 

The unit circle can be divided into symmetrical sections, as shown in the diagram below. 

Relationships between the circular  functions  (sine, cosine and tangent) can be established, based 

on these symmetrical properties. 

For simplicity, assume   is an acute angle, although the following properties hold for any  . 

 

 

 

2nd quadrant 

From symmetry: 

  sin    

  cos    

  tan    

1st quadrant

As already seen: 

  sin  

  cos  

  tan  

3rd quadrant 

From symmetry: 

  sin    

  cos    

  tan    

4th quadrant

From symmetry: 

  sin 2    

  cos 2    

  tan 2    

 

Note:  An angle measurement is assumed to be in radians unless the degree symbol is given. 

 

 

Page 10: Chapter 6 Circular functions - My Maths

CIRCULAR FUNCTIONS  Page 10 of 27   

Provided  an  angle  is  expressed  as   or 2 ,  the  trigonometric 

function remains the same, only the sign (  or  ) may change. 

 

Use this diagram to determine the sign. 

 

 

EXAMPLE 

(a) If sin 0.93, find sin 180° . 

 

 

 

 

 

(b) If cos 0.44, find cos 360° . 

 

 

 

 

 

(c) If tan 1.72, find tan . 

 

 

 

 

 

(d) If cos 0.83, find cos . 

 

 

 

 

 

 

 

Page 11: Chapter 6 Circular functions - My Maths

  Page 11 of 27  CIRCULAR FUNCTIONS 

EXAMPLE 

Without using a calculator, find the exact value of each of the following. 

(a) tan 150°  

 

 

 

 

 

 

 

(b) sin 330°  

 

 

 

 

 

 

 

(c) cos  

 

 

 

 

 

 

(d) tan  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 12: Chapter 6 Circular functions - My Maths

CIRCULAR FUNCTIONS  Page 12 of 27   

EXAMPLE 

If sin 0.924, evaluate each of the following: 

(a) sin  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(b) sin  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Page 13: Chapter 6 Circular functions - My Maths

  Page 13 of 27  CIRCULAR FUNCTIONS 

6E  Identities 

 

Pythagorean identity 

sin cos 1 

 

Tangent identity 

tansin

cos 

 

Complementary functions 

sin 90° cos °  

cos 90° sin °  

or equivalently 

sin2

cos  

cos2

sin  

 

EXAMPLE 

If sin 0.4 and 0° 90°, find, correct to 3 decimal places: 

(a) cos  

 

 

 

 

 

 

 

(b) tan  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 14: Chapter 6 Circular functions - My Maths

CIRCULAR FUNCTIONS  Page 14 of 27   

EXAMPLE 

Find all possible values of sin  if cos 0.75. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EXAMPLE 

If 0° ° 90° and cos ° , find the exact values of: 

(a) sin °  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(b) cos 90° °  

 

 

 

 

(c) tan °  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(d) sin 180° °  

 

 

 

 

 

   

Page 15: Chapter 6 Circular functions - My Maths

  Page 15 of 27  CIRCULAR FUNCTIONS 

6F  Sine and cosine graphs 

 

The graph of   

 

 

The graph of   

 

 

In general: 

sin  

cos  

where 

the amplitude is 

the period is 

the median is 

the maximum is 

the minimum is 

 

Note:  The amplitude is always positive. 

If  0, then 

 

Page 16: Chapter 6 Circular functions - My Maths

CIRCULAR FUNCTIONS  Page 16 of 27   

EXAMPLE 

State i. the period and ii. the amplitude of each of the following functions. 

(a)  

 

 

 

 

 

(b) 1.5 sin 4  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EXAMPLE 

Sketch the graphs of the following functions and state i. the period and ii. the amplitude of each. 

(a) 4 cos , for  ∈ 0, 12  

 

 

 

 

 

 

 

 

(b) sin 4 , for  ∈ 0, 2  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 17: Chapter 6 Circular functions - My Maths

  Page 17 of 27  CIRCULAR FUNCTIONS 

EXAMPLE: 

(a) Sketch the graph of  cos 2 3, ∈ 0, 2 , and state i. the period ii. the amplitude and 

iii. the maximum and minimum values. 

 

 

 

 

(b) Sketch the graph of  cos 2 3, ∈ 0, 2 , using a CAS calculator. 

 

Ensure  your  calculator  is  in  radian  mode.  On  a  Graphs  & 

Geometry page, complete the entry line as: 

1 cos 2 3|0 2  

Then press enter. 

Note:  The Window Settings should be adjusted. 

 

 

 

 

EXAMPLE 

Sketch the graph of the following function: 

: 2,4 → , 2cos2

 

 

 

 

   

Page 18: Chapter 6 Circular functions - My Maths

CIRCULAR FUNCTIONS  Page 18 of 27   

6G   Tangent graphs 

 

The graph of   

 

 

 

EXAMPLE 

For each function below, state  i. the period and  ii. the equation of the two asymptotes closest to 

the  ‐axis. 

(a) tan 4  

 

 

 

 

 

(b) 3 tan 3 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 19: Chapter 6 Circular functions - My Maths

  Page 19 of 27  CIRCULAR FUNCTIONS 

EXAMPLE 

Sketch the graph of the function  3 tan  over  ∈ 2, 4 : 

(a) without a CAS calculator 

 

 

 

 

 

(b) with a CAS calculator 

 

Ensure your calculator is in radian mode. 

On a Graphs & Geometry page, complete the entry line as: 

1 3 tan2

| 2 4 

Then press enter. 

Note:  The Window Settings should be adjusted. 

 

 

   

Page 20: Chapter 6 Circular functions - My Maths

CIRCULAR FUNCTIONS  Page 20 of 27   

6H  Solving trigonometric equations 

 

To find the solution to the equation sin√ where  ∈ 0, 4 , we can consider the graph of 

sin . 

 

By drawing  a horizontal  line  through √,  it  can be  seen  that  there  are  four  solutions  in  the 

domain  0, 4 . 

The solution for 0 , that is, in the first quadrant, is   (from our knowledge of exact values). 

Note:  For inexact solutions in the first quadrant, use a calculator. 

 

The sine function is also positive in the second quadrant. 

Using symmetry, the next solution is   

Since the graphs are periodic, any further solutions are found by adding (or subtracting) the period 

(in this case 2 ) to (or from) each of the first two solutions. 

For example, two further solutions are: 

42  and 

3

42  

   and  

Therefore, four solutions in the specified domain are: 

 

 

 

However,  if a domain  is not specified, there are an  infinite number of solutions as multiples of 2  

can be added (or subtracted) indefinitely to (or from)   and  . 

In this situation a general solution  is obtained where the solutions are  in terms of a parameter,   

where   is an integer, i.e.  ∈ . 

Page 21: Chapter 6 Circular functions - My Maths

  Page 21 of 27  CIRCULAR FUNCTIONS 

In general: 

If sin , then  2 arcsin  and  2 1 arcsin ; 

            where  ∈ 1, 1  and  ∈ . 

If cos , then  2 arccos ;  where  ∈ 1, 1  and  ∈ . 

If tan , then  arctan ;  where  ∈  and  ∈ . 

 

When solving trigonometric equations, the following need to be determined: 

the first quadrant angle, irrespective of the sign. 

the two quadrants in which the given function is positive or negative. 

the two solutions between  0 and  2 , using the appropriate symmetry property. 

 

If more solutions are required: 

Repeatedly add  (or  subtract)  the period  to  the  two  solutions  as many  times  as  required, 

noting solutions after each addition or subtraction. 

Stop when all solutions within the specified domain are found. 

If no domain is given, a general solution is required. 

 

 

 

EXAMPLE 

Find   to the nearest tenth of a degree if cos ° 0.58, given that  ∈ 0°, 360° . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 22: Chapter 6 Circular functions - My Maths

CIRCULAR FUNCTIONS  Page 22 of 27   

EXAMPLE 

Find  the  value  of   in  each  of  the  following  equations  if  ∈ 0, 4 .  Give  answers  correct  to  3 

decimal places, unless exact answers may be found. 

(a) sin 0.3 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(b) cos  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 23: Chapter 6 Circular functions - My Maths

  Page 23 of 27  CIRCULAR FUNCTIONS 

(c) Solve parts (a) & (b) using a CAS calculator. 

 

Ensure your calculator is in radian mode. 

 

 

EXAMPLE 

Find solutions to 2 sin 0.984 over the domain  0, 2 . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 24: Chapter 6 Circular functions - My Maths

CIRCULAR FUNCTIONS  Page 24 of 27   

EXAMPLE 

Find the general solution of the following equations. Hence, find all the solutions for 

2 2  for each equation. 

(a) cos√ 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Note  the  answer  from  step  2  could  be  further  simplified  by 

combining the two terms. A CAS calculator will give the answer in 

this form. 

 

(b) 2 sin 1 0 

 

 

 

 

 

 

Page 25: Chapter 6 Circular functions - My Maths

  Page 25 of 27  CIRCULAR FUNCTIONS 

(c) tan √3 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Page 26: Chapter 6 Circular functions - My Maths

CIRCULAR FUNCTIONS  Page 26 of 27   

6I  Applications 

 

Many  situations  arise  in  science  and  nature where  relationships  between  two  variables  exhibit 

periodic behavior. Tide heights, sound waves, biorhythms and ovulation cycles are examples. 

In these situations trigonometric functions can be used to model the behavior of the variables. The 

independent variable   is often a measurement such as time. 

When  modelling  with  trigonometric  functions  you  should  work  in  radians  unless  otherwise 

instructed. 

 

EXAMPLE 

E. coli is a type of bacterium. Its concentration,   parts per million (ppm), at a particular beach over 

a 12 hour period   hours after 6 am, is described by the function: 

0.05 sin12

0.1 

(a) Find the i. maximum and ii. minimum E. coli levels at this beach. 

 

 

 

 

 

 

 

(b) What is the level at 3 pm? 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 27: Chapter 6 Circular functions - My Maths

  Page 27 of 27  CIRCULAR FUNCTIONS 

(c) How long is the level above 0.125 ppm during the first 12 hours after 6 am? 

 

Sketch the graph first to see the solutions.