Ii
MATU • Trigonometria
MATU_TRI_197
Litvidenko - Problemas y Ejercicios de Análisis Matemático
Enunciado
Demostrar la siguiente identidad trigonométrica:
$$ 2 \left( \frac{1}{\sin 2\alpha} + \cot 2\alpha \right) = \cot \frac{\alpha}{2} - \tan \frac{\alpha}{2} $$
$$ 2 \left( \frac{1}{\sin 2\alpha} + \cot 2\alpha \right) = \cot \frac{\alpha}{2} - \tan \frac{\alpha}{2} $$
Solución Paso a Paso
1. Datos del problema:
Se busca verificar la igualdad simplificando ambos miembros o transformando uno en el otro.
2. Fórmulas y propiedades usadas:
3. Desarrollo paso a paso:
Trabajamos primero con el miembro izquierdo ($LHS$):
$$ \begin{aligned} LHS &= 2 \left( \frac{1}{\sin 2\alpha} + \frac{\cos 2\alpha}{\sin 2\alpha} \right) \\ &= 2 \left( \frac{1 + \cos 2\alpha}{\sin 2\alpha} \right) \end{aligned} $$
Aplicando las identidades de ángulo doble:
$$ \begin{aligned} LHS &= 2 \left( \frac{2 \cos^2 \alpha}{2 \sin \alpha \cos \alpha} \right) \\ &= 2 \left( \frac{\cos \alpha}{\sin \alpha} \right) \\ &= 2 \cot \alpha \end{aligned} $$
Ahora trabajamos con el miembro derecho ($RHS$):
$$ \begin{aligned} RHS &= \cot \frac{\alpha}{2} - \tan \frac{\alpha}{2} \\ &= \frac{1 + \cos \alpha}{\sin \alpha} - \frac{1 - \cos \alpha}{\sin \alpha} \\ &= \frac{(1 + \cos \alpha) - (1 - \cos \alpha)}{\sin \alpha} \\ &= \frac{2 \cos \alpha}{\sin \alpha} \\ &= 2 \cot \alpha \end{aligned} $$
4. Conclusión:
Puesto que ambos miembros reducen a la misma expresión, la identidad queda demostrada.
$$ \boxed{2 \cot \alpha = 2 \cot \alpha} $$
Se busca verificar la igualdad simplificando ambos miembros o transformando uno en el otro.
2. Fórmulas y propiedades usadas:
- Identidad de la cotangente: $\cot \theta = \frac{\cos \theta}{\sin \theta}$
- Identidad de la tangente: $\tan \theta = \frac{\sin \theta}{\cos \theta}$
- Ángulo doble: $\sin 2\alpha = 2 \sin \alpha \cos \alpha$
- Ángulo doble (coseno): $1 + \cos 2\alpha = 2 \cos^2 \alpha$
- Ángulo mitad: $\tan \frac{\alpha}{2} = \frac{1 - \cos \alpha}{\sin \alpha}$ y $\cot \frac{\alpha}{2} = \frac{1 + \cos \alpha}{\sin \alpha}$
3. Desarrollo paso a paso:
Trabajamos primero con el miembro izquierdo ($LHS$):
$$ \begin{aligned} LHS &= 2 \left( \frac{1}{\sin 2\alpha} + \frac{\cos 2\alpha}{\sin 2\alpha} \right) \\ &= 2 \left( \frac{1 + \cos 2\alpha}{\sin 2\alpha} \right) \end{aligned} $$
Aplicando las identidades de ángulo doble:
$$ \begin{aligned} LHS &= 2 \left( \frac{2 \cos^2 \alpha}{2 \sin \alpha \cos \alpha} \right) \\ &= 2 \left( \frac{\cos \alpha}{\sin \alpha} \right) \\ &= 2 \cot \alpha \end{aligned} $$
Ahora trabajamos con el miembro derecho ($RHS$):
$$ \begin{aligned} RHS &= \cot \frac{\alpha}{2} - \tan \frac{\alpha}{2} \\ &= \frac{1 + \cos \alpha}{\sin \alpha} - \frac{1 - \cos \alpha}{\sin \alpha} \\ &= \frac{(1 + \cos \alpha) - (1 - \cos \alpha)}{\sin \alpha} \\ &= \frac{2 \cos \alpha}{\sin \alpha} \\ &= 2 \cot \alpha \end{aligned} $$
4. Conclusión:
Puesto que ambos miembros reducen a la misma expresión, la identidad queda demostrada.
$$ \boxed{2 \cot \alpha = 2 \cot \alpha} $$