Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1...

13
PreCalculus Mathematics 12 – 6.1 – Trigonometric Identities and Equations The FUNdamental TRIGonometric Identities In trigonometry, there are expressions and equations that are true for any given angle. These are called identities. An infinite number of trigonometric identities exist, and we are going to prove many of these identities, but we are going to need some basic identities first. The six basic trig ratios will lead to our first identities sin θ = cos θ = tan θ = csc θ = sec θ = cot θ = And our knowledge of Pythagoras will determine the remaining FUNdamental TRIGonometric Identities Goal: 1. Identify the Fundamental Trigonometric Identities 2. Simplify a Trigonometric Expression 3. Determine the restrictions on a Trigonometric Expression

Transcript of Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1...

Page 1: Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1 ......Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1+–+TrigonometricIdentitiesandEquations! Pythagorean+Identities:+ + sin cos 122θθ+=+ 1tan sec+=22 θθ++

Pre-­‐Calculus  Mathematics  12  –  6.1  –  Trigonometric  Identities  and  Equations  

 

 

 

The  FUNdamental  TRIGonometric  Identities  

 In  trigonometry,  there  are  expressions  and  equations  that  are  true  for  any  given  angle.    These  are  called  identities.    An  infinite  number  of  trigonometric  identities  exist,  and  we  are  going  to  prove  many  of  these  identities,  but  we  are  going  to  need  some  basic  identities  first.    The  six  basic  trig  ratios  will  lead  to  our  first  identities      

sin  θ  =                              cos  θ  =                            tan  θ  =                        

   

 csc  θ  =                            sec  θ  =                            cot  θ  =                              

   And  our  knowledge  of  Pythagoras  will  determine  the  remaining  FUNdamental  TRIGonometric  Identities                                    

Goal:            1.    Identify  the  Fundamental  Trigonometric  Identities                                  2.    Simplify  a  Trigonometric  Expression                                  3.    Determine  the  restrictions  on  a  Trigonometric  Expression  

Page 2: Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1 ......Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1+–+TrigonometricIdentitiesandEquations! Pythagorean+Identities:+ + sin cos 122θθ+=+ 1tan sec+=22 θθ++

Pre-­‐Calculus  Mathematics  12  –  6.1  –  Trigonometric  Identities  and  Equations  

Pythagorean  Identities:  

  2 2sin cos 1θ θ+ =   2 21 tan secθ θ+ =     2 21 cot cscθ θ+ =  

Reciprocal  and  Quotient  Identities:  

1seccos

θθ

=                      1cscsin

θθ

=                          1cottan

θθ

=                                sintancos

θθ

θ=                  

coscotsin

θθ

θ=  

 Corollary  Identities      (  a  statement  that  follows  readily  from  a  previous  statement)    

2 2sin cos 1θ θ+ =                                       2 21 tan secθ θ+ =     2 21 cot cscθ θ+ =  

               Simplifying  a  Trigonometric  Expression      There  are  many  different  strategies  to  simplifying  a  trigonometric  expression.    The  following  examples  will  look  at  the  most  common  types  of  strategies.      

Write  as  a  fraction  with  a  common  denominator  

cos𝜃 +sin𝜃cos𝜃  

         

     Factor  as  a  difference  of  squares  

                 1− 𝑐𝑜𝑠! 𝜃                                      𝑠𝑒𝑐!𝜃 − 𝑡𝑎𝑛!𝜃  

 

Change  everything  to  sine  and  cosine.  

 tan𝜃  sec𝜃  

     

 

Multiply  by  the  conjugate  

 1

 1− sin𝜃  

 

 

Page 3: Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1 ......Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1+–+TrigonometricIdentitiesandEquations! Pythagorean+Identities:+ + sin cos 122θθ+=+ 1tan sec+=22 θθ++

Pre-­‐Calculus  Mathematics  12  –  6.1  –  Trigonometric  Identities  and  Equations  

Now  we  can  use  these  strategies  along  with  the  eight  fundamental  identities  to  simplify  expressions                  Example  1:    Simplify            

sin𝜃 +𝑐𝑜𝑠!𝜃sin𝜃          

           

     

                 Example  2:    Simplify            

 1

𝑠𝑖𝑛! 𝜃  − 1      

 

Example  3:    Simplify              

   !!  !"! !

!"# !!!"# !  

                   

Example  4:    Simplify                                                                  𝑐𝑜𝑠!𝑥 − 2𝑐𝑜𝑠!𝑥 + 1      

Example  5:    Simplify                !"#!!!

!"#!!!"#! !"#!  

 

                   

     Example  6:    Simplify          !"# !

!!!"# !+ !"# !

!!!"# !  

 

         

     

Page 4: Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1 ......Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1+–+TrigonometricIdentitiesandEquations! Pythagorean+Identities:+ + sin cos 122θθ+=+ 1tan sec+=22 θθ++

Pre-­‐Calculus  Mathematics  12  –  6.1  –  Trigonometric  Identities  and  Equations  

Restrictions      Just  like  any  algebraic  expression,  a  trigonometric  expression  cannot  have  zero  in  the  denominator.    We  must  consider  the  exact  values  that  would  result  in  a  denominator  of  zero.      Example  7:        Determine  the  restrictions  on    tan 𝑥 − csc 𝑥    for      0 ≤ 𝑥 < 2𝜋    

 

 

 

 

 

 

 Practice:  Page  264  #2  -­‐  9  (as  many  as  needed)  

Page 5: Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1 ......Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1+–+TrigonometricIdentitiesandEquations! Pythagorean+Identities:+ + sin cos 122θθ+=+ 1tan sec+=22 θθ++

Pre-­‐Calculus  Mathematics  12  –  6.2  –  Verifying  Trigonometric  Identities  

 

 

Trigonometric  Identities  

When  verifying  trigonometric  identities,  the  key  is  using  the  rules  for  algebra  as  well  as  the  fundamental  trigonometric  identities  to  rewrite  and  simplify  expressions.    An  identity  has  been  proven  when  the  right  side  of  the  equal  sign  is  the  same  as  the  left  side  of  the  equal  side.                              

Example  1:        Prove  the  identity:            !!!"#! !

!"#!  != 𝑡𝑎𝑛!𝜃        

 

 

 

 

 

 

 

 

Example  2:        Prove  the  identity:            !!!"#!!"#!

= sin 𝜃 + cos 𝜃    

 

 

 

 

 

 

 

 

Goal:          Verify  and  prove  Trigonometric  Identities  

Page 6: Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1 ......Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1+–+TrigonometricIdentitiesandEquations! Pythagorean+Identities:+ + sin cos 122θθ+=+ 1tan sec+=22 θθ++

Pre-­‐Calculus  Mathematics  12  –  6.2  –  Verifying  Trigonometric  Identities  

   Example  3:        Prove  the  identity:            !"#$  !  !"#$      !"#!  !  !

= cot 𝜃        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 7: Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1 ......Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1+–+TrigonometricIdentitiesandEquations! Pythagorean+Identities:+ + sin cos 122θθ+=+ 1tan sec+=22 θθ++

Pre-­‐Calculus  Mathematics  12  –  6.2  –  Verifying  Trigonometric  Identities  

   Example  4:        Prove  the  identity:            sec 𝜃 csc 𝜃 tan 𝜃 = 𝑠𝑒𝑐!𝜃        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Practice:  Page  271  #1-­‐  26    

Page 8: Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1 ......Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1+–+TrigonometricIdentitiesandEquations! Pythagorean+Identities:+ + sin cos 122θθ+=+ 1tan sec+=22 θθ++

Pre-­‐Calculus  Mathematics  12  –  6.3  –Trigonometric  Equations  

 

 

Trigonometric  Equations  

A  trigonometric  equation  is  different  from  a  trigonometric  identity  in  that  the  equation  is  true  for  some  values  of  the  variable  and  not  all  values.    When  solving  a  trig  equation,  we  can  solve  for  a  specified  domain  of  values  (  usually  0 ≤ 𝜃 < 2𝜋  )  or  in  general  form  (  for  all  potential  values)                                

Example  1:        Solve:        𝑠𝑒𝑐 𝜃 = − !!    for                        

a)      0 ≤ 𝜃 < 2𝜋                                      b)    general  form                                  

Example  2:        Solve:            tan𝜃 = −0.3124        for                                    a)      0 ≤ 𝜃 < 2𝜋                                            b)    general  form    

   

Example  3:        Solve:        2  𝑐𝑜𝑠!𝑥 − cos 𝑥 − 1 = 0      for                      a)      0 ≤ 𝑥 < 2𝜋                                            b)    general  form  

 

 

 

 

 

 

 

Goal:            1.    Solve  trigonometric  equations  for  conditional  statements  and  general  form                                  2.    Solve  equation  with  angles  other  then  θ  or  x.  

Page 9: Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1 ......Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1+–+TrigonometricIdentitiesandEquations! Pythagorean+Identities:+ + sin cos 122θθ+=+ 1tan sec+=22 θθ++

Pre-­‐Calculus  Mathematics  12  –  6.3  –Trigonometric  Equations  

Solving  trigonometric  equations  with  angles  other  than  θ    

Solving  a  trig  equation  for  angles  with  coefficients  (  2θ,  3θ,  etc)  follows  very  similar  steps:      1. Isolate  the  trig  function.    eg.    sin  2θ  2. Determine  the  general  solution(s)  for  angle  2θ  3. Determine  the  general  solution(s)  for  angle  θ.  (divide  by  the  coefficient)    4. Determine  the  specific  (‘conditional’)  solution(s)  for  the  given  interval  

 

Example  4:        Solve:        𝑠𝑖𝑛 2𝑥 = −1    for                        a)      general  form                                          b)      0 ≤ 𝑥 < 2𝜋                                                                    

Example  5:        Solve:       3  𝑡𝑎𝑛  2𝜃 + 1 = 0              for                      a)            general  form                                                            b)      0 ≤ 𝜃 < 2𝜋                                              

 

Example  6:    Solve:        4  𝑠𝑖𝑛!2𝑥 + 2 sin 2𝑥 − 2 = 0      for                      a)      0 ≤ 𝜃 < 2𝜋                                            b)    general  form      

 

 

 

 

 

 

 

 

 Practice:  Page  281  #1  -­‐  5  

Page 10: Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1 ......Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1+–+TrigonometricIdentitiesandEquations! Pythagorean+Identities:+ + sin cos 122θθ+=+ 1tan sec+=22 θθ++

Pre-­‐Calculus  Mathematics  12  –  6.4  –Sum  and  Difference  Identities  

 

 

Sum  and  Difference  Identities  

Identities  are  not  limited  to  the  fundamental  identities  and  single  angles.    We  can  also  use  identities  involving  sums  and  differences.    The  derivations  of  these  identities  are  shown  on  page  287  of  your  textbook.    We  will  be  looking  not  at  proving  these  identities  but  using  these  identities.       ( )cos cos cos sin sinα + β = α β − α β     ( )sin sin cos cos sinα + β = α β + α β  

  ( )cos cos cos sin sinα − β = α β + α β     ( )sin sin cos cos sinα − β = α β − α β  

 ( ) ( )tan tan tan tantan tan

1 tan tan 1 tan tanα α

α + β α − β+ β = − β =

− α β + α β  

Goal:            1.  Use  sum  and  difference  identities  to  solve  complex  trig  problems                                  2.    Simplify  expressions  and  prove  identities  involving  sums  and  differences  

Example  1:        Find  the  exact  value:  

   𝑠𝑖𝑛 !!cos !

!+ cos !

!sin !

!  

                 

Example  2:        Find  the  exact  value:          cos  345°  

Example  3:        Express  as  a  single  function,  then  evaluate.                                𝑐𝑜𝑠! !

!− 𝑠𝑖𝑛! !

!  

 

 

 

 

 

 

Example  4:        Express  as  a  single  function,  then  evaluate.  !"#!!  !"#  !!!!  !"#!  !"#!!

 

Page 11: Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1 ......Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1+–+TrigonometricIdentitiesandEquations! Pythagorean+Identities:+ + sin cos 122θθ+=+ 1tan sec+=22 θθ++

Pre-­‐Calculus  Mathematics  12  –  6.4  –Sum  and  Difference  Identities  

Example  5:        Given  angle  A  in  quadrant  I  and  angle  B  in  quadrant  II,  such  that  𝑠𝑖𝑛𝐴 = !!    𝑎𝑛𝑑 cos𝐵 =  − !"

!",        

find    𝑡𝑎𝑛   𝐴 − 𝐵 .  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example  6:    Prove:                                                   !"# !!!"# !!!!

= 𝑡𝑎𝑛 𝑥  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Practice:  Page  292  #1  -­‐  6  

Page 12: Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1 ......Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1+–+TrigonometricIdentitiesandEquations! Pythagorean+Identities:+ + sin cos 122θθ+=+ 1tan sec+=22 θθ++

Pre-­‐Calculus  Mathematics  12  –  6.5–  Double-­‐Angle  Identities  

 

 

Double  Angle  Identities  

Using  the  sum  and  difference  identities,  we  can  determine  other  trigonometric  identities  

( )sin sin cos cos sinα + β = α β + α β      

 

 

 

 

( )cos cos cos sin sinα + β = α β − α β  

 

 

 

 

( ) ( )tan tan tan tantan tan1 tan tan 1 tan tan

α αα + β α − β

+ β = − β =− α β + α β  

 

 

 

 

 

Double  Angle  Identities  (same  angle)  

                                                           

2 2

2

2

cos2 cos sin2cos 11 2sin

θ θ θ

θ

θ

= −

= −

= −

                                               tan 2𝜃 =   ! !"#!!!!"# !!

 

 

Goal:            1.  Identify  the  double  angle  trigonometric  identities                                  2.    Simplify  and  prove  double-­‐angle  trigonometric  expressions  and  equations    

sin 2 2sin cosθ θ θ=

Page 13: Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1 ......Pre$Calculus+Mathematics+12+–+6.1+–+TrigonometricIdentitiesandEquations! Pythagorean+Identities:+ + sin cos 122θθ+=+ 1tan sec+=22 θθ++

Pre-­‐Calculus  Mathematics  12  –  6.5–  Double-­‐Angle  Identities  

 

Example  3:    Prove:                          !!!"# !!!"# !!

= !!!"# !!"# !!!"# !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example  1:        Simplify      

                21−cos4𝑥    

                     

Example  2:        Solve,  0 ≤ 𝑥   ≤ 2𝜋                                          csc 𝑥 = 2 sec 2𝑥!  

Practice:  Page  300  #1  –  6  (as  many  as  needed)