Задача C1: логарифмы и тригонометрия в одном уравнении
19 февраля 2014
Сегодня у нас будет насыщенный урок, потому что уравнение, которое мы будем сегодня разбирать, содержит в себе и логарифмическую, и тригонометрическую функцию. Но все по порядку.
Задача C1. Решите уравнение. Найдите все корни этого уравнения, принадлежащие промежутку.
На первый взгляд, задача кажется весьма нестандартной: тут и логарифмы, и тригонометрия. Но если разобраться, то окажется, что уравнения такого типа вполне под силу большинству учеников.
Решение логарифмического уравнения
Итак, нужно решить уравнение:
log5 (cos x − sin 2 x + 25) = 2
Как видим, в первую очередь перед нами логарифмическое уравнение. Вспоминаем: как мы решаем логарифмическое уравнение? Очевидно, приводим его к каноническому виду, а именно:
log a f ( x ) = log a g ( x )
В нашем случае слева уже стоит логарифм по основанию 5. Следовательно, двойку тоже нужно представить в виде логарифма по тому же самому основанию 5. Вспоминаем, как это делается. С помощью нашей замечательной формулы:
Разумеется, мы можем подставить любое число b , удовлетворяющее требованиям, которые накладываются на основание логарифма:
Иначе наш логарифм просто не имеет смысла. Но какое именно b выбрать? Очевидно, что основание логарифма по нашей канонической записи должно быть равно основанию уже имеющегося логарифма, т. е. 5. Т.е. в нашем случае запишем:
Перепишем Все уравнение с учетом этого факта:
log5 (cos x − sin 2 x + 25) = log5 25
Перед нами каноническое логарифмическое уравнение. В нем мы можем смело убрать знаки логарифма (т.е. просто приравнять аргументы логарифмов). Получим:
cos x − sin 2 x + 25 = 25
Решение тригонометрического уравнения
Перед нами тригонометрическое уравнение. Переносим 25 влево и получаем:
cos x − sin 2 x = 0
Теперь нам нужно решить обычное тригонометрическое уравнение. Все тригонометрические уравнения должны быть сведены к простейшему уравнению одного из трех видов:
Подобно тому, как в логарифмах есть каноническая запись, точно так же и в тригонометрии есть каноническая запись уравнений. Давайте еще раз посмотрим на наше уравнение:
cos x − sin 2 x = 0
Что-то канонической записью тут не пахнет. Во-первых, аргументы у наших тригонометрических функций разные. И это первая проблема. Следовательно, надо каким-то образом избавится от аргумента 2 x и свести его к х. Или, наоборот: сделать так, чтобы вместо переменной x стояло 2 x .
Еще раз: когда мы видим тригонометрическое уравнение, первое, что нам нужно — это постараться сделать так, чтобы во всех тригонометрических функциях были одинаковые аргументы: везде либо х, либо 2х. Любыми правдами и неправдами, любыми преобразованиями функций мы должны добиться того, чтобы аргументы были равными.
При решении тригонометрических уравнений сводите все функции к одному и тому же аргументу.
Формула синуса двойного угла
В данном случае все очень легко. Вспоминаем формулу синуса двойного угла:
sin 2 x = 2sin x · cos x
Подставляем это выражение в наше уравнение:
cos x − 2sin x · cos x = 0
Мы видим, что и в первом, и во втором слагаемом есть cos x . Выносим его за скобку:
cos x (1- 2sin x · 1) = 0
Кто-то скажет, что 1 в скобках писать излишне. Да, я не спорю, можно сразу записать так:
cos x (1- 2sin x ) = 0
Однако если вы только разбираетесь в тригонометрических уравнениях, то лучше использовать эту избыточность и записать ту самую единицу. Почему? Да потому что если вы не запишете 1 в конце перед скобкой, то велика вероятность, что вы забудете про единицу и в начале. В итоге у вас получится неверное выражение и, соответственно, мы получим неверный ответ.
А вот так, с дополнительной единичкой, никаких проблем не возникнет. В общем, запомните правило: если из какого-то выражения выносим переменную или функцию, вместо этой нее мы везде пишем единицу. И лишь затем, после того, как мы запишем эту конструкцию в скобках, мы можем убрать лишние единицы, если это возможно.
Рекомендую оставлять единицы на месте <<всех>> общих множителей, которые выносятся за скобку. Так вы застрахуете себя от обидных ошибок.
Разложение уравнения на множители
В нашем случае все возможно. Получим:
cos x (1- 2sin x ) = 0
Произведение равно нулю, когда хотя бы один из множителей равен нулю: либо cos x = 0, либо 1 − 2sin x = 0
Перед нами совокупность из двух простейших тригонометрических уравнений:
cos x = 0; 1 = 2sin x = 0.
Однако cos x = 0 — это уже каноническая запись вида cos x = a — именно так, как нужно для решения задачи. А вот второе уравнение — 1− 2sin x — нужно преобразовать. Предлагаю выразить отсюда sin x :
-2sin x = -1;
sin x = 1/2.
Мы получили окончательную совокупность:
cos x = 0; sin x = 1/2.
Таким образом, перед нами два канонических уравнения, которые легко решаются. Вспоминаем, что cos x = 0 — это частный случай, поэтому x = π/2 + π n , n ∈ Z .
Особенности решения тригонометрических уравнений с синусом
С другой стороны, sin x = 1/2 — это не частный, а общий случай. Кроме того, всем своим ученикам я рекомендую расписывать решения уравнений вида sin x = a через совокупность двух множеств:
sin x = a ⇒
x = arcsin a + 2π n , n ∈ Z;
x = π − arcsin a + 2π n , n ∈ Z .
Обратите внимание: в обоих вариантах периодом будет именно величина 2π, т.е. полный оборот на тригонометрическом круге! В нашем случае получим:
Итого мы получили совокупность из трех наборов корней:
Область определения логарифмов — считать или не считать?
Внимательные ученики наверняка заметят: изначально мы решали логарифмическое уравнение и, следовательно, должны учесть область определения логарифма. Потому что если где-то в уравнении встречается выражение вида log a f ( x ) = log a g ( x ), мы обязаны проверить, что f ( x ) > 0.
Почему же при решении данного уравнения мы нигде это не записали? Это же ошибка! Спокойно: в данном случае никакой ошибки нет. Требование к логарифму, чтобы аргумент был больше нуля, выполняется автоматически на следующем шаге:
cos x − sin 2 x + 25 = 25
Получается, что выражение под знаком логарифма в нашем случае должно быть равно 25. А 25 заведомо больше нуля, т. е. область определения автоматически выполняется для всех корней, которые мы получим в процессе решения уравнения.
И вообще, запомните: когда в уравнении присутствует лишь один логарифм, в аргументе которого имеется функция переменного х, можно вообще не заморачиваться с проверкой области определения, потому что эта область определения будет автоматически выполняться в процессе решения уравнения. Но это работает только для уравнений и только в том случае, если логарифм с функцией присутствует лишь в одном экземпляре на все уравнение.
Требования к области определения выполняются автоматически, если функция стоит в аргументе логарифма, а сам логарифм встречается в уравнении лишь один раз.
В нашем случае это требование выполняется, потому что мы решаем именно уравнение, а не неравенство, и логарифм с функцией в аргументе встречается только один. Собственно, исходное уравнение вообще содержит только один логарифм, поэтому считать область определения в данном случае излишне. Следовательно, мы решили уравнение — получили ответ к первой части задачи.
Отбор корней на отрезке
Переходим ко второй части задачи и находим корни, лежащие на заданном отрезке [2π; 7π/2]. Искать корни будем с помощью тригонометрического круга.
Первым делом обозначаем все три корня на тригонометрическом круге. Кроме того, отметим концы отрезка: 2π и 7π/2. Точка 2π совпадает с точкой началом отсчета, а в числе 7π/2 давайте выделим целую часть — по аналогии с обычными дробями:
Отметим полученное число на тригонометрическом круге. Теперь проведем лучи из начала координат в каждую точку. После этого ставим маркер в точку 2π и начинаем двигаться к точке 7π/2 против часовой стрелки. Получим:
- Самый первый корень: 2π + π/6;
- Затем — второй корень: 2π + π/2;
- Следующий корень: 2π + 5π/6;
- Наконец, последний корень совпадает с концом отрезка: 7π/2.
Особенности вычисления дробных корней
Ключевой момент в решении задачи таким методом состоит в том, каким образом мы отбираем корни. В первую очередь мы ставим маркер (ручку, карандаш или что там к вас) в самый левый конец отрезка — в нашем случае это 2π. Затем мы начинаем двигаться против часовой стрелки, т. е. в положительном направлении отсчета на тригонометрическом круге.
Первая точка, которую мы встречаем на своем пути, будет x = π/6. Чтобы записать корень, мы добавляем π/6 к началу отсчета 2π — это мы и записали. Идем дальше и прибавляем π/2. Потом, если идти еще дальше, мы попадаем точку 5π/6. И когда мы дойдем до конца, то обнаружим еще один корень — точку 7π/2.
Осталось посчитать те три корня из четырех, которые мы записали в виде выражения, потому что оставлять их в таком нерассчитанном виде нехорошо. Давайте посчитаем:
С последним корнем 7π/2 никаких дополнительных преобразований проводить не нужно — он уже рассчитан. Итого при отборе корней из всего бесконечного множества, разделенного на три набора, которые мы получили при решении нашего уравнения, остались лишь четыре конкретных корня:
Заключительные выкладки
Вот и все — задача решена. Как ни странно, решение получилось довольно простым, хотя изначально уравнение выглядело весьма угрожающе: в нем есть и логарифм, и тригонометрические функции. А получилось, что любой среднестатистический ученик вполне в состоянии справится с такими уравнениями.
И это правда. Достаточно помнить два простых факта:
- Логарифмические уравнения мы всегда стараемся привести к каноническому виду: log_a f(x) = log_a g(x) — основания должны быть одинаковыми.
- Тригонометрические уравнения тоже сводятся к каноническому виду. Точнее, к одной из трех моделей: sin x = a; cos x = a; tg x = a.
Однако нашем случае на пути к каноническому виду есть одна заминка. Дело в том, что в одной из функций, а именно sin 2 x , присутствует аргумент 2 x , в то время как в cos x есть только переменная х. Следовательно, придется вспомнить формулу двойного угла: sin 2 x = 2sin x · cos x — и уже на основании этой формулы наше исходное уравнение легко раскладывается на множители, откуда возникают канонические уравнения.
В общем, все, что требуется для решения уравнений подобного вида — это научиться работать с логарифмами, выучить несколько тригонометрических формул (особенно это касается формул синуса и косинуса двойного угла) и, конечно, не бояться преобразовать наше уравнение для того, чтобы получить красивые и легко решаемые конструкции.
Логарифмические уравнения
Логарифмом положительного числа $b$ по основанию $а$, где $a>0, a ≠ 1$, называется показатель степени, в которую надо возвести число $а$, чтобы получить $b$.
$log_<2>8 = 3$, т.к. $2^3 = 8;$
Особенно можно выделить три формулы:
Основное логарифмическое тождество:
Это равенство справедливо при $b> 0, a> 0, a≠ 1$
Некоторые свойства логарифмов
Все свойства логарифмов мы будем рассматривать для $a> 0, a≠ 1, b> 0, c> 0, m$ – любое действительное число.
1. Для любого действительного числа $m$ справедливы равенства:
2. Для решения задач иногда полезно следующее свойство: Если числа $а$ и $b$ на числовой оси расположены по одну сторону от единицы, то $log_b>0$, а если по разные, то $log_b 0$
Представим обе части уравнения в виде логарифма по основанию 2
Если логарифмы по одинаковому основанию равны, то подлогарифмические выражения тоже равны.
Т.к. основания одинаковые, то приравниваем подлогарифмические выражения
Перенесем все слагаемые в левую часть уравнения и приводим подобные слагаемые
Проверим найденные корни по условиям: $\<\table \x^2-3x-5>0; \7-2x>0;$
При подстановке во второе неравенство корень $х=4$ не удовлетворяет условию, следовательно, он посторонний корень
4. Уравнения вида $a^x=b$. Решаются логарифмированием обеих частей по основанию $а$.
Решить уравнение $log_5log_2(x+1)=1$
Сделаем в обеих частях уравнения логарифмы по основанию $5$
Т.к. основания одинаковые, то приравниваем подлогарифмические выражения
Далее представим обе части уравнения в виде логарифма по основанию $2$
ОДЗ данного уравнения $x+1>0$
Подставим вместо х в неравенство $31$ и проверим, получиться ли верное условие $32>0$, следовательно, $31$ корень уравнения.
Задания по теме «Показательно-тригонометрические уравнения»
Открытый банк заданий по теме показательно-тригонометрические уравнения. Задания C1 из ЕГЭ по математике (профильный уровень)
Задание №1168
Условие
а) Решите уравнение 0,2^<2\cos x-1>-26\cdot 0,2^<\cos x-\tfrac12>+25=0.
б) Укажите корни этого уравнения, принадлежащие отрезку \left[ -\pi ; \frac<3\pi >2\right].
Решение
а) Запишем уравнение в виде
5\cdot 0,2^<2 \cos x>-26\sqrt 5\cdot 0,2^<\cos x>+25=0. После замены t=0,2^ <\cos x>исходное уравнение примет вид 5t^2-26\sqrt 5t+25=0. Корни этого уравнения t=5\sqrt 5, t=\frac1<\sqrt 5>. Возвращаясь к переменной x , получим:
Первое уравнение совокупности не имеет корней. Решая второе уравнение, получим:
x=\pm \frac\pi 3+2\pi n, n \in \mathbb Z.
б) Запишем решение уравнения в виде x=\frac\pi 3 +2\pi k, k \in \mathbb Z или x=-\frac\pi 3+2\pi n,n\in \mathbb Z и выясним, для каких целых значений n и k справедливы неравенства -\pi \leqslant -\frac <\pi>3+2\pi n \leqslant \frac<3\pi >2 и -\pi \leqslant \frac\pi 3+2\pi k\leqslant \frac<3\pi >2.
Получим: -\frac13\leqslant n\leqslant \frac<11> <12>и -\frac23\leqslant k\leqslant \frac<7><12>, откуда следует, что два целых значения n=0 и k=0 удовлетворяют соответствующим неравенствам.
При n=0\enspace x=\frac\pi 3+2\pi\cdot 0=\frac\pi 3.
При k=0\enspace x=-\frac\pi 3+2\pi\cdot 0=-\frac\pi 3.
Итак, \frac\pi 3 и -\frac\pi 3 — корни уравнения, принадлежащие промежутку \left[ -\pi ; \frac<3\pi >2\right].
Ответ
а) \pm\frac\pi 3+2\pi n, n\in \mathbb Z;
б) -\frac\pi 3, \frac\pi 3;
http://examer.ru/ege_po_matematike/teoriya/logarifmicheskie_uravneniya
http://academyege.ru/theme/pokazatelno-trigonometricheskie-uravneniya.html