Analisi matematica I/Funzioni circolari

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Circonferenza unitaria

La circonferenza unitaria , detta anche goniometrica è la circonferenza con centro nell'origine e raggio 1.

Per brevità la indicheremo con U={z : |u|=1} la circonferenza unitaria e con U+ la semicirconferenza unitaria formata dai complessi con parte immaginaria non negativa, cioè in altri termini primo e quatro quadrante.
Definiamo poi l' arco di estremi 1 e v l'insieme dei punti di U+ tali che la parte reale di ogni punto di questo insieme sia minore uguale di v.

Notiamo che per ogni punto di U esiste un solo αU+ tale che α2=u. Infatti se così non fosse, avremmo che u2α2=0 e di conseguenza (uα)(u+α)=0, che implica u=α o u=α. Ma per ipotesi αU+ e dunque non è possibile che anche αU+ e dunque non può essere u=α e così l'unicità è dimostrata.
Ponendo (sempre considerandoci in U+

α=1+u|1+u|

si ha infatti:

(1+u|1+u|)2=(1+2u+u2)2(2(1+u)+2(1+u))2=1+2(a+ib)+a2+2aibb2((1+a)2+b2)2. Ora, ricordando che a2+b2=1 perché cos2x+sin2x=1 e sostituendo al numeratore b2 con a21, abbiamo
=2a+2a2+2ib(a+1)2+2a=(a+1)(a+ib)a+1=a+ib=u.

Graficamente, α è il punto medio dell'arco da 1 ad u.

Definiamo poi una successione α(u): tale che

{α0(u)=uαn+1(u)=α(α(n)).

In altri termini, abbiamo definito la successione "punto medio" di ogni segmento tale da creare segmenti sempre più piccoli avvicinandosi sempre di più alla circonferenza, per n che tende all'infinito.

Definiamo un'altra successione estremamente importante: la successione "lunghezza dell'arco" da 1 a u come

Ln:
Ln(u)=2n|α(n)1|

cioè, la lunghezza dell'arco trovato per ogni n applicato alla successione α comporta che il segmento disti |α(n)1| e dunque, siccome sono 2n, la lunghezza dell'intero arco fino ad u è data da 2n|α(n)1|. La figura sotto chiarisce meglio la situazione ad esempio, nel caso di n=2.

Poniamo infine π:=L(1) (in accordo con l'usuale conoscenza che abbiamo di π come 180.

Osservazioni sulla funzione lunghezza dell'arco

Vediamo ora alcuni aspetti importanti di L(u) e di α(u).
Siano uU+ e vU{0}. Si ha allora che

α(uv)=α(u)α(v).

Per definizione di α(u) sappiamo che è quell'unico elemento tale che α2(u)=u. Notiamo però che (α(u)α(v))2=uv e dunque è quell'unico elemento in U+ che elevato al quadrato da uv. Quindi è α(uv).

Inoltre, L(uv)=L(u)+L(v). La dimostrazione la omettiamo per brevità, ma vi invitiamo a darci un'occhiata sul libro di testo che avete. Osserviamo solo che

L(u)=π+L(u),  uUU+

Infatti, nel caso u1, visto che uUU+, uU+ e dunque

L(u)=L((1)(u))=L(1)+L(u)=π+L(u).

Proposizione (biiettività della funzione lunghezza dell'arco)

Template:Riquadro Non dimostreremo questa proposizione adesso in quanto si richiedono conoscenze di continuità e di connessione che vedremo più avanti. Per ora, accettate "con fiducia" quanto detto.

Per ogni t[0,2π[ poniamo

eit=L1(t),   t[0,2π[
ei(t2kπ)=L1(t2kπ),   t

.

Essendo eitU, possiamo porre

cost=eit     sint=eit

Formula di Eulero

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Radici n-esime complesse