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Teorema de Ptolomeu e identidades trigonométricas

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  • Claudius Ptolemy
Ancient scroll depicting Ptolemy's Theorem with geometric diagrams for trigonometric identities.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

O teorema de Ptolomeu fornece uma demonstração geométrica elegante para as fórmulas de soma e diferença em trigonometria. Ao inscrever um quadrilátero em um círculo com um lado como diâmetro, os comprimentos dos lados podem ser expressos como senos e cossenos dos ângulos inscritos. Aplicando o teorema [latex]AC cdot BD = AB cdot CD + BC cdot DA[/latex] diretamente, obtêm-se identidades como [latex]sin(alpha + beta) = sinalphacosbeta + cosalphasinbeta[/latex].

A importância histórica do teorema de Ptolomeu está profundamente ligada ao desenvolvimento da trigonometria. O objetivo de Ptolomeu no Almagesto era criar um modelo matemático do cosmos, o que exigia uma ferramenta para calcular as posições dos corpos celestes. Essa ferramenta era a tabela de cordas, que listava o comprimento de uma corda que subtendia um determinado ângulo em um círculo de raio fixo. A função corda, crd(θ), está relacionada à função seno moderna por [latex]sin(theta) = frac{text{crd}(2theta)}{2R}[/latex], onde R é o raio do círculo.

To derive the sum and difference formulas, one can construct a cyclic quadrilateral ABCD where the diagonal AC is a diameter of the circumcircle, which we can set to have length 1 for simplicity. Let [latex]\angle CAD = \alpha[/latex] and [latex]\angle CAB = \beta[/latex]. Because angles subtended by a diameter are right angles, [latex]\triangle ADC[/latex] and [latex]\triangle ABC[/latex] are right-angled triangles. The side lengths can be expressed trigonometrically: [latex]CD = \sin\alpha[/latex], [latex]AD = \cos\alpha[/latex], [latex]BC = \sin\beta[/latex], and [latex]AB = \cos\beta[/latex]. The angle [latex]\angle DAB = \alpha+\beta[/latex]. Using the law of sines in [latex]\triangle DAB[/latex], the other diagonal [latex]BD = \sin(\alpha+\beta)[/latex]. Plugging these into Ptolemy’s theorem [latex]AC \cdot BD = AB \cdot CD + BC \cdot DA[/latex] gives [latex]1 \cdot \sin(\alpha+\beta) = (\cos\beta)(\sin\alpha) + (\sin\beta)(\cos\alpha)[/latex], which is the angle addition formula for sine. Similar constructions yield the other sum and difference identities, forming the bedrock of trigonometry.

UNESCO Nomenclature: 1209
Análise matemática

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • teorema de Ptolomeu
  • Definições de seno e cosseno (ou função corda)
  • propriedades dos ângulos inscritos em um círculo
  • propriedades dos triângulos retângulos em um círculo

Aplicações

  • trigonometria
  • astronomia (base histórica para tabelas de cordas)
  • signal processing (via fourier analysis which relies on these identities)
  • Cálculos de física e engenharia envolvendo ondas e oscilações
  • computação gráfica para matrizes de rotação

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

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Relacionado a: trigonometria, fórmula da adição de ângulos, seno, cosseno, teorema de Ptolomeu, tabela de cordas, almagesto, quadrilátero cíclico, demonstração geométrica, astronomia.

Contexto histórico

Teorema de Ptolomeu e identidades trigonométricas

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1736
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(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

Princípios relacionados à invenção, inovação e tecnologia

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