Формулы двойного аргумента решение уравнений

Алгебра и начала математического анализа. 10 класс

Конспект урока

Алгебра и начала математического анализа, 10 класс

Урок №35. Формулы двойного аргумента.

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• формулы синуса, косинуса, тангенса и котангенса двойного аргумента;
• преобразование тригонометрических выражений на основе использования формулы синуса, косинуса, тангенса и котангенса двойного аргумента;
• вычисление значений тригонометрических выражений на основе формулы синуса, косинуса, тангенса и котангенса двойного аргумента;
• доказательство тригонометрических тождеств на основе формулы синуса, косинуса, тангенса и котангенса двойного аргумента;
• решение уравнений с использованием формулы синуса, косинуса двойного аргумента.

Глоссарий по теме

Формулы двойного аргумента — это формулы, позволяющие ; и выразить через ; и . Аргументом может быть не только угол, но и любое выражение.

Колягин Ю.М., Ткачева М.В., Федорова Н.Е. и др., под ред. Жижченко А.Б. Алгебра и начала математического анализа (базовый и профильный уровни) 10 кл.– М.: Просвещение, 2014.

Открытые электронные ресурсы:

Решу ЕГЭ образовательный портал для подготовки к экзаменам https://ege.sdamgia.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Рассмотрим выражение . Представим как и подставим в формулу синуса суммы. Получим:

(1)

Эту формулу называют синус двойного аргумента.

Например, . В этом случае .

Рассмотрим выражение , где так же . Применяем формулу косинуса суммы:

Получили формулу косинуса двойного аргумента (2)

Например,

Так как , а , то получим ещё две формулы косинуса двойного аргумента.

(3)

(4)

Рассмотрим выражение tg и с помощью формулы тангенса суммы выведем формулу тангенса двойного угла. Помним, что . Получаем:

, где (5)

Для котангенса двойного угла применяем формулу:
, где (6)

Например, .

Формулы (1)-(6) можно использовать как слева направо, так и справа налево. Аргументом может быть не только угол, но и любое выражение. Например,

Докажем формулу для тройного угла.

Представим . По формуле синуса суммы получим:

(используем формулы двойного аргумента)

(применяем формулу

Получили формулу синуса тройного угла:

(7)

Можно доказать, что косинус тройного угла вычисляется по формуле:

. (8)

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля

Пример 1. Найти , если

Применим формулу (3)

Пример 2. Доказать тождество

Доказательство: Преобразуем левую часть, воспользуясь тем, что формулой (1) и формулой квадрата суммы, получаем:

Левая часть равна правой. Доказано.

Пример 3. Найти ,если

Формулы двойного аргумента решение уравнений

Ключевые слова: тригонометрия, синус, косинус, тангенс, котангенс, формула двойного угла

В формулах синуса и косинуса суммы двух углов
$$sin(\alpha + \beta)= sin\alpha \cdot cos\beta + cos\alpha \cdot sin\beta$$,
$$cos(\alpha + \beta)= cos\alpha \cdot cos\beta — sin\alpha \cdot sin\beta$$
заменим $$\beta$$ на $$\alpha$$, получим соотношения:

$$sin(\alpha + \beta)= sin(\alpha + \alpha) = sin\alpha \cdot cos\alpha + cos\alpha \cdot sin\alpha \Leftrightarrow sin 2\alpha = 2sin \alpha \cdot cos\alpha$$;

$$cos(\alpha + \beta)= cos(\alpha + \alpha) = cos\alpha \cdot cos\alpha — sin\alpha \cdot sin\alpha \Leftrightarrow cos2\alpha = cos^<2>\alpha — sin^<2>\alpha$$.

Если подставить формулы $$sin^<2>\alpha = 1 — cos^<2>\alpha$$, $$cos^<2>\alpha = 1 — sin^<2>\alpha$$ в последнем соотношении,
то получим еще две формулы косинуса двойного угла: $$cos2\alpha = 1 — 2 sin^<2>\alpha$$ и $$cos2\alpha = 2cos^<2>\alpha — 1$$.

В формуле тангенса суммы двух углов $$tg(\alpha + \beta)= \frac<1- tg\alpha \cdot tg\beta>$$
заменим $$\beta$$ на $$\alpha$$, получим соотношение
$$tg(\alpha + \beta)= tg(\alpha + \alpha) = \frac <1- tg\alpha \cdot tg\alpha>\Leftrightarrow tg2\alpha = \frac<2tg\alpha><1- tg^<2>\alpha>$$.

Формулы двойного и половинного аргумента. Универсальная подстановка

п.1. Формулы двойного аргумента

Выведем формулы двойного аргумента, исходя из формул суммы (см. §13 и §14 данного справочника)

\begin sin2\alpha=sin(\alpha+\alpha)=sin\alpha cos\alpha+cos\alpha sin\alpha=2sin\alpha cos\alpha\\ cos2\alpha=cos(\alpha+\alpha)=cos\alpha cos\alpha-sin\alpha sin\alpha=cos^2\alpha-sin^2\alpha\\ tg2\alpha=tg(\alpha+\alpha)=\frac<1-tg\alpha\cdot tg\alpha>=\frac<2tg\alpha> <1-tg^2\alpha>\end

Умножим полученное выражение на котангенс вверху и внизу дроби, и получим еще одно полезное выражение:

Например:
Найдем \(sin2\alpha\) и \(tg2\alpha\), если \(sin\alpha=0,8,\ \frac\pi2\lt\alpha\lt\pi\)
Угол \(\alpha\) во 2-й четверти, косинус отрицательный:
\(cos\alpha=-\sqrt<1-sin^2\alpha>=-\sqrt<1-0,8^2>=-0,6\)
\(tg\alpha=\frac=\frac<0,8><-0,6>=-\frac43\)
Синус двойного угла: \(sin2\alpha=2sin\alpha cos\alpha=2\cdot 0,8\cdot(-0,6)=-0,96\)
Тангенс двойного угла: \(tg2\alpha=\frac<2tg\alpha><1-tg^2\alpha>=\frac<2\cdot \left(-\frac43\right)><1-\left(-\frac43\right)^2>=\frac<-\frac83><1-\frac<16><9>>=\frac83 : \frac79=\frac83\cdot\frac97=\frac<24><7>=3\frac37\)

п.2. Формулы половинного аргумента

По формуле двойного аргумента для косинуса: \(cos2\alpha=2cos^2\alpha-1\)
Заменим слева угол \(2\alpha\rightarrow \alpha\), а справа угол \(\alpha\rightarrow\frac<\alpha><2>\).
Получаем: \begin cos\alpha=2cos^2\frac<\alpha><2>-1\Rightarrow 2cos^2\frac<\alpha><2>=1+cos\alpha\Rightarrow cos^2\frac<\alpha><2>=\frac<1+cos\alpha> <2>\end Из другой формулы двойного аргумента для косинуса: \(cos2\alpha=1-2sin^2\alpha\), получаем: \begin cos\alpha=1-2sin^2\frac<\alpha><2>\Rightarrow 2sin^2\frac<\alpha><2>=1-cos\alpha\Rightarrow sin^2\frac<\alpha><2>=\frac<1-cos\alpha> <2>\end Для квадрата тангенса и котангенса половинного угла: \begin tg^2\frac<\alpha><2>=\frac<2>><2>>=\frac<1-cos\alpha><1+cos\alpha>,\ \ \ ctg^2\frac<\alpha><2>=\frac<1><2>>=\frac<1+cos\alpha> <1-cos\alpha>\end

п.3. Формулы универсальной подстановки

Универсальная подстановка эффективна при решении тригонометрических уравнений, а также интегрировании.

п.4. Примеры

в) \( \sqrt<2+\sqrt<2+2cos4\alpha>> \), где \(0\le \alpha\le\frac\pi2\) \begin \sqrt<2+\sqrt<2+2cos4\alpha>>=\sqrt<2+\sqrt<2(1+cos4\alpha)>>=\sqrt<2+\sqrt<2\cdot 2cos^2 2\alpha>>=\\ =\sqrt<2+2\cdot |cos2\alpha|>=\sqrt<2(1+|cos2\alpha|)>= \left[ \begin \sqrt<2(1+cos2\alpha)>,\ \ cos2\alpha\geq 0\\ \sqrt<2(1-cos2\alpha)>,\ \ cos2\alpha\lt 0 \end \right. =\\ = \left[ \begin \sqrt<2\cdot 2cos^2\alpha>,\ \ 0\leq 2\alpha\leq\frac\pi2\\ \sqrt<2\cdot 2sin^2\alpha>,\ \ \frac\pi2\lt 2\alpha\leq \pi \end \right. = \left[ \begin 2cos\alpha,\ \ 0\leq \alpha\leq\frac\pi4\\ 2sin\alpha,\ \ \frac\pi4\lt \alpha\leq \frac\pi2 \end \right. \end Ответ: \(2cos\alpha\) при \(0\leq \alpha\leq\frac\pi4;\ \ 2sin\alpha\) при \(\frac\pi4\lt \alpha\leq \frac\pi2\)
г) \( 4(sin^4x+cos^4x)-4(sin^6x+cos^6x)-1 \)
Основное тригонометрическое тождество: \(sin^2x+cos^2x=1\)
Возведём в квадрат: \begin (sin^2x+cos^2x)^2=sin^4x+cos^4x+2sin^2x cos^2x=1\\ sin^4x+cos^4x=1-\frac<(2sinx cosx)^2><2>=1-\frac <2>\end Возведём в куб: \begin (sin^2x+cos^2x)^3=sin^6x+cos^6x+3sin2x cos^4x+3sin^4x cos^2x=1\\ sin^6x+cos^6x = 1-3sin^2x cos^2x\underbrace<(cos^2x+sin^2x)>_<=1>=\\ =1-\frac34(2sinx cosx)^2=1-\frac<3sin^2 2x> <4>\end

Подставляем: \begin 4\left(1-\frac<2>\right)-4\left(1-\frac<3sin^2 2x><4>\right)=1=4-2sin^2 2x-4+3sin^2 2x-1=\\ =sin^2 2x-1=-cos^2 2x \end Ответ: \(-cos^2 2x\)