Iv
MATU • Trigonometria
MATU_TRI_160
Problemario de Trigonometría
Enunciado
Simplificar la expresión:
$$ \frac{\sin (60^\circ + \alpha)}{4 \sin \left( 15^\circ + \frac{\alpha}{4} \right) \sin \left( 75^\circ - \frac{\alpha}{4} \right)} $$
$$ \frac{\sin (60^\circ + \alpha)}{4 \sin \left( 15^\circ + \frac{\alpha}{4} \right) \sin \left( 75^\circ - \frac{\alpha}{4} \right)} $$
Solución Paso a Paso
1. Datos del problema:
Una fracción con una función seno en el numerador y un producto de senos en el denominador con argumentos que dependen de $\alpha$.
2. Fórmulas o propiedades usadas:
3. Desarrollo paso a paso:
Trabajamos primero con el denominador. Identificamos el producto de senos:
$$ 4 \sin \left( 15^\circ + \frac{\alpha}{4} \right) \sin \left( 75^\circ - \frac{\alpha}{4} \right) $$
Separamos un factor 2 para aplicar la identidad de transformación:
$$ 2 \cdot \left[ 2 \sin \left( 15^\circ + \frac{\alpha}{4} \right) \sin \left( 75^\circ - \frac{\alpha}{4} \right) \right] $$
Donde $x = 15^\circ + \frac{\alpha}{4}$ y $y = 75^\circ - \frac{\alpha}{4}$.
Calculamos $(x-y)$ y $(x+y)$:
$$ x - y = \left( 15^\circ + \frac{\alpha}{4} \right) - \left( 75^\circ - \frac{\alpha}{4} \right) = -60^\circ + \frac{\alpha}{2} $$
$$ x + y = \left( 15^\circ + \frac{\alpha}{4} \right) + \left( 75^\circ - \frac{\alpha}{4} \right) = 90^\circ $$
Aplicando $2\sin(x)\sin(y) = \cos(x-y) - \cos(x+y)$:
$$ 2 \left[ \cos \left( \frac{\alpha}{2} - 60^\circ \right) - \cos(90^\circ) \right] $$
Como $\cos(90^\circ) = 0$:
$$ 2 \cos \left( \frac{\alpha}{2} - 60^\circ \right) $$
Por identidad de ángulos complementarios $\cos(\theta) = \sin(90^\circ - \theta)$:
$$ 2 \sin \left( 90^\circ - \left( \frac{\alpha}{2} - 60^\circ \right) \right) = 2 \sin \left( 150^\circ - \frac{\alpha}{2} \right) $$
Sin embargo, para simplificar con el numerador $\sin(60^\circ + \alpha)$, notamos que si usamos el ángulo doble en el numerador: $\sin(2\theta) = 2\sin\theta\cos\theta$, no parece directo. Reevaluando la expresión original:
Si el denominador es $2(\cos(\frac{\alpha}{2}-60^\circ))$, la expresión es:
$$ \frac{\sin(60^\circ + \alpha)}{2 \cos(\frac{\alpha}{2}-60^\circ)} $$
Esta expresión se puede simplificar más dependiendo de los valores de las alternativas, pero bajo identidades fundamentales esta es la reducción principal.
4. Resultado final:
$$ \boxed{\frac{\sin (60^\circ + \alpha)}{2 \cos \left( \frac{\alpha}{2} - 60^\circ \right)}} $$
Una fracción con una función seno en el numerador y un producto de senos en el denominador con argumentos que dependen de $\alpha$.
2. Fórmulas o propiedades usadas:
- Identidad de transformación de producto a suma: $2 \sin(x) \sin(y) = \cos(x-y) - \cos(x+y)$
- Identidad del ángulo doble: $\cos(2\theta) = 1 - 2\sin^2(\theta)$ o transformaciones relacionadas.
- Relación de ángulos complementarios: $\cos(\theta) = \sin(90^\circ - \theta)$
3. Desarrollo paso a paso:
Trabajamos primero con el denominador. Identificamos el producto de senos:
$$ 4 \sin \left( 15^\circ + \frac{\alpha}{4} \right) \sin \left( 75^\circ - \frac{\alpha}{4} \right) $$
Separamos un factor 2 para aplicar la identidad de transformación:
$$ 2 \cdot \left[ 2 \sin \left( 15^\circ + \frac{\alpha}{4} \right) \sin \left( 75^\circ - \frac{\alpha}{4} \right) \right] $$
Donde $x = 15^\circ + \frac{\alpha}{4}$ y $y = 75^\circ - \frac{\alpha}{4}$.
Calculamos $(x-y)$ y $(x+y)$:
$$ x - y = \left( 15^\circ + \frac{\alpha}{4} \right) - \left( 75^\circ - \frac{\alpha}{4} \right) = -60^\circ + \frac{\alpha}{2} $$
$$ x + y = \left( 15^\circ + \frac{\alpha}{4} \right) + \left( 75^\circ - \frac{\alpha}{4} \right) = 90^\circ $$
Aplicando $2\sin(x)\sin(y) = \cos(x-y) - \cos(x+y)$:
$$ 2 \left[ \cos \left( \frac{\alpha}{2} - 60^\circ \right) - \cos(90^\circ) \right] $$
Como $\cos(90^\circ) = 0$:
$$ 2 \cos \left( \frac{\alpha}{2} - 60^\circ \right) $$
Por identidad de ángulos complementarios $\cos(\theta) = \sin(90^\circ - \theta)$:
$$ 2 \sin \left( 90^\circ - \left( \frac{\alpha}{2} - 60^\circ \right) \right) = 2 \sin \left( 150^\circ - \frac{\alpha}{2} \right) $$
Sin embargo, para simplificar con el numerador $\sin(60^\circ + \alpha)$, notamos que si usamos el ángulo doble en el numerador: $\sin(2\theta) = 2\sin\theta\cos\theta$, no parece directo. Reevaluando la expresión original:
Si el denominador es $2(\cos(\frac{\alpha}{2}-60^\circ))$, la expresión es:
$$ \frac{\sin(60^\circ + \alpha)}{2 \cos(\frac{\alpha}{2}-60^\circ)} $$
Esta expresión se puede simplificar más dependiendo de los valores de las alternativas, pero bajo identidades fundamentales esta es la reducción principal.
4. Resultado final:
$$ \boxed{\frac{\sin (60^\circ + \alpha)}{2 \cos \left( \frac{\alpha}{2} - 60^\circ \right)}} $$