РЕШЕНИЕ ПРОСТЕЙШИХ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ
Простейшими тригонометрическими уравнениями называют уравнения
Чтобы рассуждения по нахождению корней этих уравнений были более наглядными, воспользуемся графиками соответствующих функций.
19.1. Уравнение cos x = a
Объяснение и обоснование
- Корни уравненияcosx=a.
При |a| > 1 уравнение не имеет корней, поскольку |cos x| ≤ 1 для любого x (прямая y = a на рисунке из пункта 1 таблицы 1 при a > 1 или при a 1 уравнение не имеет корней, поскольку |sin x| ≤ 1 для любого x (прямая y = a на рисунке 1 при a > 1 или при a n arcsin a + 2πn, n ∈ Z (3)
2.Частые случаи решения уравнения sin x = a.
Полезно помнить специальные записи корней уравнения при a = 0, a = -1, a = 1, которые можно легко получить, используя как ориентир единичную окружность (рис 2).
Учитывая, что синус равен ординате соответствующей точки единичной окружности, получаем, что sin x = 0 тогда и только тогда, когда соответствующей точкой единичной окружности является точка C или тока D. Тогда
Аналогично sin x = 1 тогда и только тогда, когда соответствующей точкой единичной окружности является точка A, следовательно,
Также sin x = -1 тогда и только тогда, когда соответствующей точкой единичной окружности является точка B, таким образом,
Примеры решения задач
Замечание. Ответ к задаче 1 часто записывают в виде:
19.3. Уравнения tg x = a и ctg x = a
Объяснение и обоснование
1.Корни уравнений tg x = a и ctg x = a
Рассмотрим уравнение tg x = a. На промежутке функция y = tg x возрастает (от -∞ до +∞). Но возрастающая функция принимает каждое свое значение только в одной точке ее области определения, поэтому уравнение tg x = a при любом значении a имеет на этом промежутке только один корень, который по определению арктангенса равен: x1 = arctg a и для этого корня tg x = a.
Функция y = tg x периодическая с периодом π, поэтому все остальные корни отличаются от найденного на πn (n ∈ Z). Получаем следующую формулу корней уравнения tg x = a:
При a=0 arctg 0 = 0, таким образом, уравнение tg x = 0 имеет корни x = πn (n ∈ Z).
Рассмотрим уравнение ctg x = a. На промежутке (0; π) функция y = ctg x убывает (от +∞ до -∞). Но убывающая функция принимает каждое свое значение только в одной точке ее области определения, поэтому уравнение ctg x = a при любом значении a имеет на этом промежутке только один корень, который по определению арккотангенса равен: x1=arсctg a.
Функция y = ctg x периодическая с периодом π, поэтому все остальные корни отличаются от найденного на πn (n ∈ Z). Получаем следующую формулу корней уравнения ctg x = a:
таким образом, уравнение ctg x = 0 имеет корни
Примеры решения задач
Вопросы для контроля
- Какие уравнения называют простейшими тригонометрическими?
- Запишите формулы решения простейших тригонометрических уравнений. В каких случаях нельзя найти корни простейшего тригонометрического уравнения по этим формулам?
- Выведите формулы решения простейших тригонометрических уравнений.
- Обоснуйте формулы решения простейших тригонометрических уравнений для частных случаев.
Упражнения
Решите уравнение (1-11)
Найдите корни уравнения на заданном промежутке (12-13)
Решение простейших тригонометрических уравнений задачи
1. Решить уравнение cos2x = 1/2.
Используем метод решения простейших тригонометрических уравнений и получаем:
2x = ±arccos(1/2) + 2πn = ±π/3 + 2πn (здесь и далее, n ∈ Z).
Откуда x = ±π/6 + πn.
Ответ: x = ±π/6 + πn.
2. Решить уравнение sin(3 — 2x) = -1/2.
Используем формулу из методов решений, имеем:
3 — 2x = (-1)n(arcsin(-1/2)) + πn = (-1)n(-π/6) + πn (здесь и далее n ∈ Z).
Делаем преобразование и получаем x = 3/2 + π/12(-1)n — πn/2.
Ответ: x = 3/2 + π/12(-1)n — πn/2.
3. Решить уравнение cos2x — 3sinx = 2.
Воспользуемся формулой удвоенного угла косинуса (cos2a = 1 — 2sin2a) и получим:
1 — 2sin2x — 3sinx = 2.
Воспользуемся методом замены, обозначим sinx = y. Уравнение примет вид:
Находим его корни: y1 = -1, y2 = -1/2.
Возвращаемся к исходной переменной и получаем совокупность sinx = -1 и sinx = -1/2.
Из первого получаем решение — x = -π/2 + 2πn, из второго — x = (-1)m(-π/6) + πm (m, n ∈ Z).
Ответ: x = -π/2 + 2πn или x = (-1)m(-π/6) + πm.
4. Решить уравнение 2tgx — 3ctgx = 1.
Так как ctgx = 1/tgx при x ≠ πn/2 (n ∈ Z) получаем уравнение
2tgx — 3/tgx = 1 или 2tg2x — tgx — 3 = 0.
Вводим новую переменную tgx = y и решаем квадратное уравнение 2y2 — y — 3 = 0 относительно y.
Оно имеет два решения y1 = 3/2, y2 = -1.
Возвращаемся к исходной переменной и решаем два уравнения:
tgx = 3/2, откуда x = arctg(3/2) + πn, n ∈ Z.
tgx = -1, откуда x = arctg(-1) + πm = -π/4 + πm, m ∈ Z.
Ответ: x = arctg(3/2) + πn или x = -π/4 + πm.
5. Решить уравнение 3cosx — sin2x = 1 — sin3x.
Сделаем следующее преобразование 3(cosx + sinx) = 1 + sin2x.
Замена cosx + sinx = t приведет к уравнению 3t = t2. Оно имеет корни t1 = 0, t2 = 3.
Берем первый корень, возвращаем замену и получаем cosx + sinx = 0, делим на cosx ≠ 0, откуда tgx = -1, x = -π/4 + πn (n ∈ Z).
Второй корень t2 дает уравнение cosx + sinx = 3. Это уравнение не имеет решений, т.к. и cosx, и cosx меньше равны 1, в сумме меньше равны 2.
Ответ: x = -π/4 + πn.
6. Решить уравнение cos2x + cos4x + cos6x = 0.
Проделаем следующие преобразования
(cos2x + cos6x) + cos4x = 0;
2cos4xcos2x + cos4x = 0;
cos 4 x (2 cos 2 x + 1) = 0.
Имеем два случая:
cos4x = 0, откуда 4x = π/2 + πn, x = π/8 + πn/4 (n ∈ Z).
2cos2x + 1 = 0 или cos2x = -1/2, откуда 2x = ±2π/3 + 2πm, x = ±π/3 + πm (m ∈ Z).
Ответ: x = π/8 + πn/4 или x = ±π/3 + πm.
7. Решить уравнение cos5x = cos2x.
Переносим в одну сторону и применяем формулу разницы косинусов:
sin (7 x /2) sin (3 x /2) = 0;
Откуда либо sin(7x/2) = 0, либо sin(3x/2) = 0.
Из первого: 7x/2 = πn или x = 2πn/7 (n ∈ Z).
Из второго: 3x/2 = πn или x = 2πm/3 (m ∈ Z).
Ответ: x = 2πn/7 или x = 2πm/3.
8. Решить уравнение sin3x — 2cos2xsinx = 0.
Для начала отметим, что можно вынести sinx за скобки:
sinx(sin2x — 2cos2x) = 0.
Уравнение распадается на два случая:
sinx = 0, откуда x = πn (n ∈ Z).
sin2x — 2cos2x = 0. Заметим, что данное уравнение однородное. Делим его на cos2x ≠ 0 и получаем:
Ответ: x = πn или x = ±arctg√2 + πm
9. Решить уравнение 4sin2x — 3sinxcosx + 5cos2x = 3.
Заметим, что если бы в правой части был ноль, данное уравнение было бы однородным и мы знали как его решить. Проведем преобразование и сделаем его таковым:
sin2x — 3sinxcosx + 2cos2 + 3(sin2x + cos2x) = 3;
sin2x — 3sinxcosx + 2cos2x = 0.
А вот это уравнение является однородным, потому делим обе его части на sin2x ≠ 0 (ведь, если sinx = 0, то и cosx = 0, что одновременно невозможно).
1 — 3ctgx + 2ctg2x = 0;
2ctg2x — 3ctgx + 1 = 0.
Теперь мы можем использовать замену переменной, а именно ctgx = t и решать квадратное уравнение относительно t:
Уравнение имеет корни t1 = 1, t2 = 1/2.
Возвращаемся к неизвестному x и получаем
из t1: ctgx = 1, откуда x = π/4 + πn (n ∈ Z);
из t2: ctgx = 1/2, откуда x = arcctg(1/2) + πm (m ∈ Z).
Ответ: x = π/4 + πn или x = arcctg(1/2) + πm.
10. Решить уравнение sinx + tg(x/2) = 2.
Заметим, что числа π + 2πn (n ∈ Z) не являются корнями данного уравнения, потому можно воспользоваться универсальной заменой tg(x/2) = t. Тогда уравнение примет вид:
t3 — 2t2 + 3t — 2 = 0;
t2(t — 1) — (t2 — 3t + 2) = 0;
t2(t — 1) — (t — 2)(t — 1) = 0;
(t — 1)(t2 — t + 2) = 0;
Так как второй множитель всегда положителен, то решение одно t = 1. Возвращаясь к исходному неизвестному получаем:
x = π/2 + 2πn, n ∈ Z.
Ответ: x = π/2 + 2πn.
11. Решить уравнение 4sinx — 3cosx = 3.
Применим универсальную замену tg(x/2) = y. Отметим, что числа π + 2πn (n ∈ Z) являются корнями указанного уравнения, потому добавляем их к ответу.
Замена же приводит к следующему уравнению:
Делая преобразования получаем 8y = 6;
Возвращаемся к исходной переменной tg(x/2) = 3/4, откуда
x = 2arctg(3/4) + 2 π n (n ∈ Z).
Ответ : x = 2arctg(3/4) + 2 π n или x = π + 2 π n.
12. Решить уравнение sin3x cos8x = 1.
Используем формулу произведения синуса и косинуса:
(sin(3x + 8x) + sin(3x — 8x))/2 = 1;
sin11x — sin5x = 2.
Отметим, что |sin11x| ≤ 1 и |sin5x| ≤ 1, а потому левая часть может равняться 2 лишь в случае, когда sin11x = 1 и sin5x = -1.
Решая первое уравнение sin11x = 1 приходим к ответу x = π/22 + 2πn/11 (n ∈ Z).
Решая второе уравнение sin5x = -1 приходим к ответу x = -π/10 + 2πm/5 (m ∈ Z).
Найдем те случаи, когда оба условия выполняются, т.е.
π/22 + 2πn/11 = -π/10 + 2πm/5;
(4n + 1)π/22 = (4m — 1)π/10;
5n = 11m — 4 (n, m ∈ Z).
Данное уравнение называется диофантовым и имеет следующие решения: m = 4 + 5t, n = 8 + 11t (n, t, m ∈ Z).
Откуда x = -π/10 + 2πm/5 = -π/10 + 2π(4 + 5t)/5 = 3π/2 + 2πt (t ∈ Z).
Ответ: x = 3π/2 + 2πt.
13. Решить уравнение ctg2x = cos22x — 1.
Сделаем преобразование cos22x — 1 = -sin22x и получим:
Отметим, что ctg2x ≥ 0, а -sin22x ≤ 0. Равенство выполняется, когда ctg2x = 0 и sin22x = 0.
Первое уравнение ctg2x = 0 имеет решение x = π/2 + πn (n ∈ Z).
Второе уравнение sin22x = 0 имеет решение x = πm/2 (m ∈ Z).
Найдем общее решение:
n = 3 + 2t, m = 1 + t (m, n, t ∈ Z).
Откуда x = π m/2 = (1 + t) π /2 = 3 π /2 + π t (t ∈ Z).
Ответ: x = 3π/2 + πt.
14. Решить уравнение sin3x cos5x = 1.
Используем формулу произведения синуса и косинуса:
(sin8x — sin2x)/2 = 1;
sin8x — sin2x = 2.
Уравнение будет иметь решения лишь тогда, когда sin8x = 1, а sin2x = -1.
Первое уравнение sin8x = 1 имеет решения x = π/16 + πn/4 (n ∈ Z) (*).
Второе уравнение sin2x = -1 имеет решения x = -π/4 + πm (m ∈ Z) (**).
Найдем решения, удовлетворяющие оба случая:
π/16 + πn/4 = -π/4 + πm;
Левая часть уравнения делится на 4, правая — нет. Потому данное уравнение не имеет решения в целых числах. А значит и общих решений у (*) и (**) нет.
Алгебра
План урока:
Арккосинус
Напомним, что на единичной окружности косинус угла – это координата х точки А, соответствующей этому углу:
Можно утверждать, что косинус – это ф-ция, которая ставит каждому углу в соответствие некоторую координату х. Теперь предположим, что нам известна эта координата (пусть она будет равна величине а), и по ней надо определить значение угла. Отложим на оси Ох отрезок длиной а, проведем через него вертикальную прямую и отметим ее точки пересечения с единичной окружностью. Если – 1 1 либо а n ,будет равно единице, и мы получим первую серию. Если же n – нечетное число, то, то выражение (– 1) n окажется равным (– 1), и мы получим вторую серию.
Задание. Решите ур-ние
Задание. Запишите корни ур-ния
Теперь будем подставлять в это решение значения n, чтобы найти конкретные значения х. Нас интересуют корни, которые больше π, но меньше 4π, поэтому будем сразу сравнивать полученные результаты с этими числами.
Получили два корня, относящихся к промежутку – это 7π/3 и 8π/3. Нет смысла проверять другие возможные значения n, ведь они будут давать корни, заведомо меньшие 2π/3 или большие 13π/3:
Ответ: 7π/3 и 8π/3.
Как и в случае с косинусом, есть несколько частных случаев, когда решение ур-ния записывается проще. Ур-ние
Это видно из графика, где корням ур-ния соответствуют точки пересечения синусоиды с осью Ох:
Наконец, решениями ур-ния
Решение уравнений tgx = a и ctgx = a
Ур-ния вида tgx = a отличаются тем, что имеют решение при любом значении а. Действительно, построим одну тангенсоиду и проведем горизонтальную линии у = а. При любом а прямая пересечет тангенсоиду, причем ровно в одной точке, которая имеет координаты (arctga; a):
Таким образом, у ур-ния tgx = a существует очевидное решение
Однако напомним, что тангенс является периодической ф-цией, его график представляет собой бесконечное множество тангенсоид, расстояние между которыми равно π. Поэтому корень х = arctga порождает целую серию корней, которую можно записать так:
Задание. Решите ур-ние
Задание. Запишите формулу корней ур-ния
Далее рассмотрим ур-ние вида
Задание. Решите ур-ние
Существует особый случай, когда нельзя заменить котангенс на тангенс. В ур-нии
Из сегодняшнего урока мы узнали про обратные тригонометрические ф-ции – арксинус, арккосинус и арктангенс. Также мы научились находить решения простейших тригонометрических уравнений. Это поможет нам в будущем при изучении более сложных ур-ний.
http://www.sites.google.com/site/cortimoi/zadaci-s-reseniem-1
http://100urokov.ru/predmety/urok-4-prostejshaya-trigonometriya