Números e funções Guia do professor Software Ondas trigonométricas Objetivos da unidade 1. Mostrar alguns fenômenos descritos por funções trigonométricas; 2. Usar dados experimentais ou observacionais e fazer ajustes aproximados a funções elementares. requisitos de software Requisitos de software Navegador moderno (Internet Explorer 7.0+ ou Firefox 3.0+), Java 1.6+ e Adobe Flash Player 9.0+. restrições de acessibilidade Este software não possui recurso nativo de alto contraste nem possibilita navegação plena por teclado. licença Esta obra está licenciada sob uma licença Creative Commons Secretaria de Educação a Distância Ministério da Ciência e Tecnologia Ministério da Educação Guia do professor Ondas trigono métricas Sinopse Neste software, estudamos fenômenos periódicos e aprendemos a modelar tais fenômenos usando a função seno. Ao longo das atividades, aprende◦◦sen ◦ ◦sen ◦+ aaaabb, bb dda df(x) f(x) cfunção f(x) f(x) = d == aa =f(x) a sen sen asen sen (bx (bx =(bx a (bx + + sen + c) c) +c) + (bx + c)+ dd+d +dπ180 c) π180 π180 + π180 d sen π180 sen (x (x(x + (x + c) sen c) +c)c mos como cada parâmetro ,ccacecdd,b pode ser ajustado ao fenômeno observado. Os alunos verão que essa função pode ser aplicada para modelar as mais diversas situações, como, por exemplo, a rotação de uma roda gigante, as oscilações da maré ou o brilho de uma estrela. Conteúdos Trigonometria, Função Seno; Trigonometria, Função Cosseno; Funções periódicas Objetivos 1. Mostrar alguns fenômenos descritos por funções trigonométricas; 2. Usar dados experimentais ou observacionais e fazer ajustes aproximados a funções elementares. Duração Uma aula dupla. Recomendação de uso Este software trata de algumas aplicações de funções trigonométricas e, portanto, os alunos já devem conhecer os princípios das funções seno e cosseno. Embora as atividades possam ser feitas em qualquer ordem, deve-se sugerir ao aluno que execute a sequência indicada no software. Além disso, é importante que os alunos se dirijam ao ambiente informático munidos de caderno de rascunho e de lápis ou caneta para anotações. Material relacionado Experimentos: Roda Gigante; Vídeos: Os ângulos e as Torres, Um caminho para o Curral, Transportando, Alice e as relações trigonométricas; Software: Trigonometria e Raios Luminosos. Introdução As ativiDaDes 2, 3 e 4 são aplicações interessantes, envolvendo fenôa nas b quais c d a f(x) = a sen (bx + c) + d é útil π180◦ sen (x + menos ou situações periódicas função para a descrição do brilho de uma estrela variável, da altura das marés e de uma roda gigante composta. Não é necessário que os alunos resolvam todas essas atividades, ficando a critério do professor decidir quais devem ser resolvidas. Além de fornecer ferramentas geométricas e resultados matemáticos importantíssimos, a trigonometria dá origem a funções que são usadas em muitos ramos das ciências e das tecnologias. Apesar dessa importância, os alunos do ensino médio usualmente não entendem o significado ou o papel das funções trigonométricas no mundo moderno. Este software não cobre todas as funções trigonométricas e usa apenas alguns exemplos de aplicações da trigonometria, mas já é um ponto de partida para os alunos entenderem as muitas implicações das funções trigonométricas. tela 1 Mapa do software. Os valores digitados por um aluno ficam armazenados no computador que ele usar. Assim, se o aluno voltar ao mesmo computador, os dados que ele usou no software estarão disponíveis, a não ser que outro aluno utilize o mesmo computador para estudar o mesmo software. Estes valores podem ser apagados no canto superior direito da página do mapa do software, para que outro aluno também possa desenvolver a atividade plenamente. O software Estrutura do software ◦ senpria b c dda função f(x) = a sen (bx + c) + d. Nas π180 (x + c) A ativiDaDe 1 é uma revisão quatro meiras partes, permite-se a variação de um parâmetro por vez, e, na quinta e última parte, o aluno pode variar os quatro parâmetros à vontade. Ondas trigonométricas a sen (x) sen (bx) sen (x) + d a sen (bx + c) + d π ≈ 3, 14 Guia do professor 2/7 1 A função seno ATIVIDADE 2 Brilho estelar ATIVIDADE A Atividade é composta por cinco partes, e é nelas que o aluno vai se Quando vemos as estrelas em um céu claro, podemos ter a impressão de que o brilho delas varia um pouco. Geralmente, essa variação se deve a familiarizar com a abordagem mais matemática do assunto. Esta atividade é longa em relação às demais, mas é fundamental para que as aplicações flutuações de transparência da atmosfera. Mas a variação de que trata sejam significativas em termos de aprendizagem. esta atividade só é observada por sensíveis telescópios profissionais. Os astrônomos descobriram que algumas estrelas brilham com intensidade É importante lembrar que estamos usando radianos para os argumentos que varia com frequências muito regulares e permanentes. Essas estrelas destas funções trigonométricas, e não graus. Se os alunos tiverem alguma b c d f(x) = a sen a lembre-os (bx b +cc) + dque d f(x) π180 = ◦asen sen(x (bx + c) + c)a+sen d (x) π180◦sen (x + c)sena(x) sen +(x) d a sen sen(bx) (bx + c) sen +(x) d classifi + π d≈ 3a ,cadas 14 sen (bx + c)“estrelas +d π ≈ 3, 14 dificuldade, radianos correspondem a . sen(bx) foram como variáveis”, e são muito importantes, Na Primeira Parte, o aluno vai estudar o comportamento da função pois servem de referências para medir distâncias intergalácticas. ◦sen a + db π180 c d◦ sen f(x) (x + = c) a,sen a (bx senpossível + (x)c) +sen dvariar (bx) π180 sen(x) (x + +c) d, que a ésen (bx (x) +sen c)de+(bx) d π≈ sen 3,(x) 14 + d a sen (bx + c)Esta + datividade π ≈ 3, 14 tem duas partes. Na primeira, os alunos são desafiados sendo o parâmetro chamado “fase”. ◦ sense aa encontrar b c d a função f(x) = a sen (bx + c) + d que π180 (x ajusta + c) ou a sen (x) sen (bx) s Nesta parte, o aluno vai aprender que as funções seno e cosseno estão melhor se aprorelacionadas apenas por uma diferença de fase. xima às observações dadas. Na segunda parte, os alunos verão que a curva ◦ sen (x = a sen (bx + c) d π180Parte, + c) a sen (x)é estudada, sen (bx) para seno(x) + dentender a sen (bx + c) + d π ≈ 3, 14 de luminosidade mais realista tem alguns aspectos similares à função Na+seGuNDa a função aluno ◦ ◦ b c d f(x) = a sena(bx b+terceira c) c +dd Parte, f(x) π180=éasen (x(bx + estudar c)+ c)a+sen (x) π180sen sen (bx) (x,+ c) sen (x) a sen + d(x)aasen senb(bx (bx) c+ c) destudada, sen +f(x) d(x)π= +≈ d a 3sen ,a 14sen (bx(bx + c)++c)d+ d π180 π◦≈sen 3, 14 (x + c)características a sen (x) diferentes sen (bx) sen (x) + d a amplitude . Na a sen vez de adfunção para , mas tem algumas também. a compreensão da frequência e do período desta função trigonométrica. a b. E,cna dQuarta f(x) Parte, = a sen Desta vez, o aluno deverá variar o parâmetro é a(bx vez+ c) + d π180◦ sen (x + c) a sen (x) sen (bx) sen (x) + d a sen (bx + c) + d π ≈ 3, 14 a sen (x) sen (bx) sen (x) + d, para a sen (bx + ter c) + d noção π ≈ 3,de 14 magnitude de uma da função o aluno uma b c d. f(x) = a sen (bx + c) + d π180◦ sen (x + c) a sen (x) sen (bx) sen (x) + d a sen (bx + c) + d π ≈ 3, 14 função oscilatória variando oaparâmetro A Parte 5 é o fechamento da atividade. Nela, o aluno pode variar todos ◦ sen (x +ac) a b c dda função f(x) = a sen (bx + c) + d, para π180encontrar a sen os parâmetros curva que(x) sen (bx) sen (x) + d a sen (bx + c) + d π ≈ 3, 14 melhor se ajuste à curva previamente dada. Essa curva é gerada randomicamente pelo software, assim, os alunos podem ter curvas distintas para fazer os ajustes. ) As questões para serem respondidas na AtiviDaDe 1 são simples, mas exigem o uso da calculadora em algumas delas. Os alunos podem usar a calculadora incluída no software ou outra calculadora científica. Para os a sen (x)propósitos sen (bx)da sen (x) + da aproximação a sen (bx + c) + d π ≈ 3, 14 é suficiente. atividade, decimal tela 2 Ondas trigonométricas Guia do professor 3/7 As questões e as respostas da primeira parte desta atividade são as seguintes: ◦ sen ◦◦sen a a ba, b cbe d cc, ed f(x) d f(x) f(x) = a=sen =aasen (bx sen(bx +(bx c)++c)c) d++d π180 d π180 π180 (x sen +(x (x c)++c) a c)sen aasen (x) sen(x) (x) sen sen (bx) sen(bx) (bx) sen sen (x) sen+ (x) (x) d++d adsen aasen (bx sen(bx +(bx c)++c)c) d++d πd≈π3π,≈14 ≈33, 14 , 14 na função 1. Quais valores devem ser atribuídos aos parâmetros x + c) + d f(t) = a sen (bt) + d, de a modo = 0, 36quebela = 1descreva , 16 d =o 4brilho , 00 da t =estrela 0 c =Delta 1, 50 Cephei? Resposta esperada: Com base nas informações dadas, encontramos nbt) (bt) (bt) +++ ddd aa= a== 00, 36 0, 36 , 36;bb= b== 11, 16 1, 16 , 16; dd= d== 44, 00 4, 00 , 00 t== 000 cc= c== 11, 50 1, 50 , 50 . t t= ◦ sen (x a bde c para d f(x) a sen (bx c) + dseja π180 + c) a sen (x) sen (bx) sen (x) + d a sen (bx + c) + d π ≈ 3, 14 2. Ajuste o valor que = o brilho da + estrela máximo quando d = 4, 00 t = 0. c = 1, 50 Resposta esperada: Pela curva do gráfico, obtemos aproximadamente 00 t = 0 c = 1, 50. 3 Marés ATIVIDADE tela 3 Os fenômenos das marés altas e baixas estão relacionados à interação ATIVIDADE 4 Roda gigante composta gravitacional da Terra, que pode ser analisada como um corpo elástico e fluido (em contraste com um ponto matemático ou com um corpo rígido, como a Lua e o Sol). No entanto, mesmo não conhecendo as causas das marés altas e baixas, temos os dados observados, aos quais podemos a b ajustar c d a função f(x) = a sen (bx + c) + d. π180◦ sen (x + c) a sen (x) sen (bx) sen (x) + d a sen (bx + c) + d deπengrenagens, ≈ 3, 14 A composição em especial as de rodas, é comum em máquinas e em ferramentas desde a revolução industrial. Nesta atividade, Os alunos devem ajustar os parâmetros para os dados plotados no ◦ sen (x a b será c bd≈ 12 f(x) + c) + d π180 + c) ver, a sen senlúdica, (bx) asen (x) + d adesen (bxrodas + c) + os alunos podem de (x) maneira composição duas nod gráfico. Observe que o valor aproximado para o parâmetro , 2.=2aπ ≈ 0(bx , 5125 bsen modelo de uma roda gigante. O valor com maior precisão é 12,26. Isto implica no período da função ser b ≈ 12, 2 2 π b ≈ 0, 5125. A unidade utilizada foi dia e, portanto, 0,5125 dia equivale a 12,3 horas, ou seja, o período entre as marés é de 12 horas e 20 minutos (de acordo com estes dados e com esta precisão). A Parte 2 desta atividade apenas apresenta os dados de alguns meses em que outras variações aparecem. Ondas trigonométricas Guia do professor 4/7 π ≈ 3, 14 3. A. B. Qual é a altura máxima em metros que a cadeira pode atingir? Resposta esperada: 48. De quanto em quanto tempo em segundos uma pessoa pode descer da cadeira? Note que uma pessoa só pode descer quando a cadeira está na altura mínima. Resposta esperada: 120, que é o mínimo múltiplo comum de 24 e 120. Fechamento Este software vai dar uma noção aos alunos das possibilidades de usar as a funções b c dda f(x) = a sen (bx + c) + d, em π180 a◦asen ab b, c+ cecc) ddsão df(x) af(x) f(x) sen == (x) = aasen asen sen sen (bx (bx (bx (bx) ++c) +c)c) ++ sen d +d classe que , b(x parâmetros ◦ a b c d f(x) = a sen (bx + d π180 sen (x + c) com a sen (x) sen (bx) sen (x) + d a s ajustáveis, e + é ac)variável. Esperamos que, este software, os alunos tela 4 possam entender vários movimentos ou fenômenos periódicos. Uma das principais características destas funções é a periodicidade. Na Parte 1, ajustamos os parâmetros da função Uma função periódica se repete a cada período, ou melhor, seja f(x) o x p f(x + f(x) f(x(bx) + np) = a valor b cda d f(x)para = a algum sen (bx,+então c) + d π180◦ésen (x + c)de a senx(x)p sesen se função a função periódica período f(x) f(x) sen p (b (x) f(x + cos f(x) na. 22π sen 10b−15 cos número h1 (t) = a1 × sen (b1 × t + c1 ) + d1 a1 = 20 b1 = 0, 052 c1f(x) = −1x, 62p df(x 24np)h= =para a2nx×qualquer sen tnp) + (x) c= +tg d2(x) = 4 (x) 0,(x) 26 ctg = 0 2π d2 =10 0 1 =+ 2 (t) 2× 2 )inteiro 2= 2 (x) −15 −15 de f(x) f(x) x x pAs p funções f(x f(x++np) np) ==f(x) f(x) nn sen sen(x) (x), cos cos(x) (x)e tgtg(x) (x)são 2π 2π 1010 trigonométricas exemplos f(x) x p f(x + np) = f(x) nfunções sen (x) cos (x)de período tg (x) 2π radianos. 10−15 para a descrição da altura de um ponto P na circunferência maior. Com auxílio periódicas das informações e da animação, ; c1c1==−1 aproveite para chamar alunos h1h(t) ==a a1××sen sen (bos (b ××t + t +cdevem ) +dobter d1 a1a1==2020; b1b1==0,0052 , 052 −1 , 62 , 62 d1d1==2424 hProfessor, h(t) ==a2a2× ×sen sen (b(b × ×t + t+ c2c)2+ ) +d2da2atenção a2a2==4 4dos b2b2= =0,026 , 26para c2c2=vários =0 0 d2d2==0 0 t t h 1 (t) 1 1 alunos 1 1c)1+ 1 2 2 (t) 22 ; . fenô menos periódicos ou quase periódicos que acontecem todos os dias: = = 0 0 , 052 , 052 c c = = −1 −1 , 62 , 62 d d = = 24 24 h h (t) (t) = = a a × × sen sen (b (b × × t t + + c c ) ) + + d d a a = = 4 4 b b = = 0 0 , 26 , 26 c c = = 0 0 d d = = 0 0 t t h h (t) (t) + + h h (t) (t) 1 11 11 22 22 22 22 22 22 22 22 22 11 22 Na Parte 2, ajustamos os parâmetros da função o Sol nasce e se põe periodicamente, assim como a Lua; o nosso coração se expande e se contrai muitas vezes a cada minuto; nós inspiramos e 052 c1 = −1, 62 d1 = 24 h2 (t) = a2 × sen (b2 × t + c2 ) + d2 a2 = 4 b2 = 0, 26 c2 = 0 d2 = 0 texpiramos h1 (t) +algumas h2 (t) vezes por minuto; os processadores dos computadores fazem suas operações dentro de um ciclo de microssegundos; o som é para que ela descreva a altura da cadeira (ponto amarelo) em relação ao a vibração do ar no qual a pressão oscila em um período de milissegundos; P ponto .(b Os obter a luz é a vibração de campos eletromagnéticos que variam periodicamente 424 424hh2h2(t) h2(t) (t) === a= a2a2a × sen × sen sen sen (b (b × t× t+t+ t+ c+ c2devem c2)c2)+ )+ d+ d2d = == 4= 444b;b2b2b= == 0= 0, 26 0,026 , ,26 26;cc2c2c= == 0= 00;0dd2d2d= == 0= 0. 00t ttthh1h1(t) h1(t) (t) +++ h+ h2h2(t) h2(t) (t) 2(t) 2× 2× 2(b 2alunos 2× 2× 2)+ 2d22aa 2a 2a 22 22 22 22 1(t) 2(t) f(x)poderão x p perceber f(x + np)que = f(x) n dosen (x) cos (x) tg (x) a cada 2π 10−15 segundos dependendo da cor, etc. Finalmente, na Parte 3, os alunos a altura ponto em momento a22××tsen + c(b dt2 + caP +4drelação 0,ao 426 chão bc22==no 00, 26 d2c= 0 0 t édh 0 +por th2h (t) 2 ) 2+× 22)= 2 b2a= 2= 2= 2dada 1=(t) 1 (t) + h2 (t) . Ondas trigonométricas Guia do professor 5/7 Aprofundamento Bibliografia −15 −15 ◦nsen f(x) a x b Ap função np) =xa f(x) p (bx n f(x+ + sen np) (x)d= pode f(x) cos (x) tg sen (x) (x) 10 (x) tg (x) 2π 10 c f(x d +f(x) sen c) + π180 (x + c)2πcos a sen sen (bx) sen (x) + d a sen (bx +Luiz c) +Roberto. d π ≈ 3Matemática , 14 ser expandida para a(x) seguinte Dante, – contexto e aplicações. São Paulo: forma: Editora Ática, 2007. Cap 17, sec. 7. f(x) = d + a sen (c) cos (bx) + a cos (c) sen (bx) 2π/b x f(x) = f(x) x = x/b d = f x ∈ [−b, b] x ∈ [−π, π] a1 = a sen (c) b1 = a cos (c) f(x) = f + a1 co Paiva, Manoel. Matemática – Conceitos, linguagem e aplicações. São x/bprimeiros d + a sen (c)que cos (bx) + afunção cos (c)de sen (bx) 2π/b. Esta x f(x) = f(x) x =nos d = f x ∈ [−b, b] x ∈ [−π, π]Paulo: a1 = a sen (c)2007. b1 Vol = a2,cos (c)10. f(x) = f + a1 cos (x) + b1 sen (x) é uma período forma consiste Moderna, Cap termos da série de Fourier. Para melhor comparar com os livros textos do 2π/b x e os ) = d + a senassunto, (c) cos (bx) + amudar cos (c) sen (bx) f(x) = f(x) = x/b d = f x ∈ [−b, b] x ∈ [−π , π] William a1 = a sen b1 = a cos (c) f(x) =Diferenciais f + a1 cos (x) + b1 sen (x) vamos a escala da variável nomes dosxparâmetros: Boyce, e di(c) Prima, Richard. Equações Elementares 2π 2π 2π x x x ncos (bx) (c) /b sen x/b(bx) f(x) x =f(x) f(x) /b= xf(x) x= f(x) /xb = df(x) /= b, fo d xx= =∈f [−b /bx ∈ , b] d[−b =x f, éb] ∈um x[−π ∈xvalor [−b ∈ , π][−π ,médio b]a, 1π]= x∈ aa[−π sen =,(c) aπ]senab(c) = aabsen cos =(c) a cosf(x) b(c) fProblemas cos +a = (c) + f(x) a(x) cos + = b(x) f1+sen + a1bde (x) cos (x)(x) + b1 sen (x) ltc, 2008, 8ª. ed. Cap 10, , em que parâmetro da função eaf(x) Valores Contorno, Editora 1 11 = 1 1 == 1fcos 1de 1 sen x x/ x/x = = )== f(x) f(x) f(x) f(x) xxx= x=== b /b/bintervalo bd dd= d=== ffff xxx∈ x∈∈∈ [−b [−b [−b [−b ,,b] ,b] b] , b] x∈∈∈ [−π [−π [−π [−π ,,π] ,π] π] , π],aaa11a1= = = = a a a a sen sen sen sen (c) (c) (c) (c) b b b b = = = = a a a a cos cos cos cos (c) (c) (c) (c) f(x) f(x) f(x) f(x) = = = = f f f + + f + + a a a a cos cos cos cos (x) (x) (x) (x) + + + + b b b b sen sen sen sen (x) (x) (x) (x) no ouxxx∈ , . sec. 2. 1 1111 1111 1111 1 Assim, temos = a sen (c) b1 = a cos (c) f(x) = f + a1 cos (x) + b1 sen (x) π/b dx x f algumas a1 b1 proprie Fourier mostrou que, de posse de uma função g(x) com x f(x)dades = f(x) x menos = /b integrável d = f xno ∈ [−b , b] x ∈ [−π, π]), podemos a1 = a sen (c) b1 = a cos (c) (pelo intervalo encontrar g(x) g(x) g(x) ff f ,aa1a11e bb1b1de os parâmetros 1 maneira inequívoca: f= f= 1 a1 = π π 1 2π −π π gdx −π g cos (x)dx 1 2π a1 = 1 π 1 b1 = π π −π π gdx a1 = g cos (x)dx −π π 1 π π g cos (x)dx b1 = 1 π −π π b1 = 1 π π f(x) = f + a1 cos (x) + b1 sen (x) g sen (x)dx −π g sen (x)dx −π g sen (x)dx −π g(x) ≈ f(x) g(x) f(x) = f + a1 cos (x) + b1 sen (x) f aser b1 E, assim, a função g(x) pode pela parte da série de 1 aproximada (x) ≈ f(x) Fourier g(x) f(x) = f + a1 cos (x) + b1 sen (x). Se quiser conhecer mais sobre este assunto, procure na biblioteca de sua faculdade ou na internet o tema Séries de Fourier. Ondas trigonométricas Guia do professor 6 / 7 Ficha técnica Autor Samuel Rocha de Oliveira Projeto gráfico Preface Design Revisores Língua Portuguesa Ana Cecília Agua de Melo Ilustrador Lucas Ogasawara Universidade Estadual de Campinas Reitor Fernando Ferreira Costa Vice-Reitor Edgar Salvadori de Decca Pró-Reitor de Pós-Graduação Euclides de Mesquita Neto Matemática Multimídia Coordenador Geral Samuel Rocha de Oliveira Coordenador de Software Leonardo Barichello Coordenador de Implementação Matias Costa Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica (imecc – unicamp) Diretor Jayme Vaz Jr. Vice-Diretor Edmundo Capelas de Oliveira licença Esta obrá está licenciada sob uma licença Creative Commons Secretaria de Educação a Distância Ministério da Ciência e Tecnologia Ministério da Educação