Підручник Алгебра і початки аналізу 10 клас (профільний рівень) - Г. П. Бевз - Освіта 2018 рік
Розділ 4 ТРИГОНОМЕТРИЧНІ РІВНЯННЯ І НЕРІВНОСТІ
§ 23 Найпростіші тригонометричні рівняння
Рівняння називають тригонометричним, якщо його невідомі входять тільки під знаки тригонометричних функцій. Приклади тригонометричних рівнянь:
Задача. Сторони трикутника дорівнюють 15 см і 8 см. Знайдіть кут між ними, якщо площа трикутника становить 30 см 2.
Розв’язання. Площу S трикутника можна визначати за формулою S =
аb sin а, де а, b — його сторони; а — кут між ними. Якщо шуканий кут даного трикутника містить х градусів, то 30 =
∙ 15 ∙ 8 ∙ sin х, звідси sin х =
.
Мал. 145
Одержали тригонометричне рівняння. Розв’яжемо його. Синус кута дорівнює 0,5, коли кут становить 30° або 150° (мал. 145).
Трикутники з такими кутами існують.
Відповідь. 30° або 150°.
У розглянутому випадку кути не можуть бути від’ємними або більшими за 180°. А взагалі рівняння sinх =
має безліч розв’язків: 30° + 360° ∙ n і 150° + 360° ∙ n, де n ∈ Z.
Розв’язуючи тригонометричне рівняння, найчастіше знаходять усю множину його розв’язків. І виражають їх здебільшого не в градусах, а в абстрактних числах.
Наприклад, множину розв’язків рівняння sinх =
записують так:
+ 2
k,
+ 2
k, де k ∈ Z.
Те, що рівняння sіnx
має безліч розв’язків, видно з його графічного розв’язання: графіки функцій у = sin х і у =
мають безліч спільних точок (мал. 146).
Мал. 146
З’ясуємо, як у загальному вигляді розв’язувати найпростіші тригонометричні рівняння, тобто рівняння виду sin x= a, cos x= a, tg x= a, ctg x= а.
1. Розв’язування рівняння виду sin x = а.
Якщо |а| >1, то рівняння розв’язків не має,оскільки завжди -1 ≤ sin х ≤ 1.
Якщо |а| ≤ 1, то рівняння має безліч коренів (мал. 146).
Запишемо формулу для їх знаходження. Пряма у = а, якщо -1 ≤ а ≤ 1, перетинає одиничне коло у двох точках: Р x1 і Р x2, де х 1 і х 2 — корені рівняння sin х = а (мал. 147).
Мал. 147
тому х
1 = arcsin а. З малюнка 147 видно, що х
2 =
- x
1 тобто х
2 =
— arcsin а. Враховуючи періодичність функції у = sin x, можемо записати множину всіх розв’язків рівняння sin x = а. Вона складається з двох серій: x
1= arcsin a + 2
n і х
2 = k — arcsin a + 2
n, n ∈ Z.
Дві останні формули можна об’єднати в одну.
x
1 = arcsin a +
∙ 2n, х
2 = -arcsin a + n(2
+ 1).
Якщо множник при
парний чи непарний, то arcsin a береться відповідно зі знаком «плюс» чи «мінус». Ці випадки об’єднує рівність
х = (-1)
narcsin a +
n, n ∈ Z.
Така загальна формула розв’язків рівняння sin x = а, якщо |а| ≤ 1. Якщо а дорівнює 0, 1 або -1, рівняння sin x= а можна розв’язувати і за загальними формулами, але зручніше — уявляючи одиничне коло (мал. 148):
якщо sin x= 1, то х =
+ 2
k, k ∈ Z;
якщо sin x= 0, то х =
k, k ∈ Z;
якщо sin x= -1, то х = -
+ 2
k, k ∈ Z.
Мал. 148
Зауваження. Традиційно невідомі змінні у рівняннях позначають буквою х, як і вісь абсцис. Усе ж їх не слід ототожнювати, розв’язуючи тригонометричні рівняння на одиничному колі.
Приклад 1. Розв’яжіть рівняння:
Розв’язання.
а)
Корені рівняння sin x =-
знайдемо за загальноюформулою:
Оскільки
то отримаємо
б) Рівняння sin 2x= 0 краще розв’язувати так:
в) 3 рівняння sin x = 0,2 випливає, що х = (-1)
karcsin 0,2 +
k, k ∈ Z. Оскільки arcsin 0,2 — нетабличне значення, то розв’язок залишається у такому самому вигляді, а в разі потреби обчислюється наближено за допомогою калькулятора чи програми Excel на комп’ютері: arcsin0,2 ≈ 0,2.
Відповідь.
2. Розв’язування рівняння виду cos x = а.
Якщо |а| >1, то рівняння розв’язків не має, оскільки завжди-1 ≤ cos х ≤ 1.
Якщо |а| ≤ 1, то рівняння має безліч коренів.
Пряма х = а, -1 ≤ а ≤ 1, перетинає одиничне коло у двох точках: Р x1 і Р x2 де х 1 і х 2 — корені рівняння cos х = а (мал. 149).
Оскільки х
1 ∈ [0;
], то х
1 = arccos а. Точки Р
x1 і P
x2 симетричні відносно осі абсцис, тому кути(числа) х
1 і х
2 — протилежні. Отже, х
2 = -х
1 = -arccos а. Враховуючи, що функція у = cos х періодична з періодом 2
, можемо записати множину всіх розв’язків рівняння cosх = а:
Мал. 149
Одержана формула є загальною. Але якщо а дорівнює 0, 1 або -1, зручніше уявляти одиничне коло (мал. 150) і відразу писати:
якщо соs х = 1, то х = 2
k, k ∈ Z;
якщо соs х = 0, то х =
+
k, k ∈ Z;
якщо соs х = -1, то х = p + 2
k, k ∈ Z.
Мал. 150
Приклад 2. Розв’яжіть рівняння:
Розв’язання. а) За загальною формулою коренів рівняння cos x = а отримаємо:
б) За загальною формулою отримаємо:
Оскільки
в) Уявивши малюнок, можна писати одразу: 2х - 2
k, n ∈ Z; х =
n, n ∈ Z.
Відповідь.
3. Розв’язування рівняння виду tg x = а і ctg x = а.
Побудуємо графік функції у = tg x для х ∈ (-
;
).
Пряма у = а перетинає цей графік (мал. 151) в одній точці, для якої tg x = а, тоді х = arctg a. Враховуючи, що функція у = tg x періодична з періодом p, множину всіх розв’язків рівняння tg x = а можна визначити за формулою:
Аналогічно, використовуючи графік функції у = ctg x (мал. 152), можна визначити розв’язки рівняння ctg x = а: х = arcctg a +
к, k ∈ Z.
Мал. 151
Мал. 152
Приклад 3. Розв’яжіть рівняння:
Розв’язання. а) За формулою
Оскільки
Обчислимо аrcctg(-1):
Тоді
Відповідь.
Формули розв’язків найпростіших тригонометричних рівнянь наведено в таблиці. У ній k ∈ Z.
Рівняння |
Формула розв’язків |
|
sin x = а, |
a ≤1 |
х = (-1)karcsin а +
|
a >1 |
розв’язків немає |
|
cos х = а, |
a ≤1 |
х = ±arccos a + 2
|
a >1 |
розв’язків немає |
|
tg x = а |
х = arctg a +
|
|
ctg x = а |
х = arcctg а +
|
Хочете знати ще більше?
До тригонометричних рівнянь звичайно відносять рівняння, невідомі яких входять тільки під знаки тригонометричних функцій. А наприклад, у рівнянні х 2 — cos х + 1 = 0 невідома змінна х входить не тільки під знак косинуса, айв одночлен х 2. Такі рівняння не вважають тригонометричними, їх відносять до ширшого класу рівнянь — трансцендентних (transcendens— той, що виходить за межі). Тригонометричні рівняння — один із видів трансцендентних рівнянь (мал. 153).
Мал. 153
Більшість трансцендентних рівнянь найзручніше розв’язувати (наближено) графічним способом. Наведене вище рівняння можна записати у вигляді соs х - х 2 + 1. Побудуємо графіки функцій у = соs х і у = х 2 + 1 (мал. 154). Очевидно, що дане рівняння має єдиний корінь х = 0.
Мал. 154
Перевірте себе
1. Які рівняння називають тригонометричними?
2. За якою формулою розв’язують рівняння sin x = а?
3. При яких значеннях а рівняння sin x = а не має розв’язків?
4. Назвіть корені рівнянь sin x = 0; sin x = 1; sin x = -1.
5. За якою формулою знаходять розв’язки рівняння cos x = а?
6. Як найкраще знайти розв’язки рівнянь cos x = 0; cos x = 1; cos x = -1?
7. За якими формулами розв’язують рівняння tg x = а, ctg х = а?
Виконаємо разом
1. Розв’яжіть рівняння:
Розв’язання. Запишемо рівняння у вигляді:
Тоді, за загальною формулою коренів рівняння cos x = а, маємо:
Отриману відповідь можна так і залишити, а можна записати у вигляді сукупності:
Відповідь.
2. Розв'яжіть рівняння: sin
2х =
.
Розв’язання. Спосіб 1. Рівняння рівносильне сукупності рівнянь:
Спосіб 2 (пониження степеня).
Відповідь. ±
+
n, n ∈ Z.
3. Знайдіть область визначення функції
Розв’язання. Область визначення даної функції знайдемо, розв’язавши систему:
або
звідси
Які значення х з множини х =
k, k ∈ Z, належать даному відрізку? Оскільки k — число ціле, будемо надавати k різних цілих значень і обчислювати х. При k = 0 х = 0 і 0 ∈ [-1; 4]. При k = 1 х - k і також
∈ [-1;4].
При інших значеннях k значення
k виходять за межі відрізка [- 1; 4].
Отже, відрізку [-1; 4] належать числа х = 0 (при k = 0) і х =
(при k = 1). Тому область визначення даної функції — множина всіх дійсних чисел з відрізка [-1; 4], крім х = 0 і х =
, тобто х ∈ [-1;0) ⋃ (0;
) ⋃ (
;4] (мал. 155).
Відповідь. x ∈ [-1; 0) ⋃ (0;
) ⋃ (
; 4].
Мал. 155
4. При якому значенні параметра а рівняння 3соs х = а - 1 має розв’язки? Знайдіть ці розв’язки.
Розв’язання. Запишемо рівняння у вигляді: соs х =a -
.
Оскільки -1 ≤ соs х ≤ 1, то рівняння матиме розв’язки при -1 ≤ a -
≤ 1, звідки -3 ≤ а - 1 ≤ 3, -2 ≤ а ≤ 4.
Отже, дане рівняння має розв’язки при a ∈ [-2; 4]. Знайдемо ці розв’язки:
Відповідь. Якщо а ∈ [-2; 4], то рівняння має розв’язки
Виконайте усно
1183. Які з рівнянь є тригонометричними?
1184. Чи має розв’язки рівняння:
а) sin х = 1,5;
б) соs х = 1;
в) tg x = 3,5;
г) ctg x = 0,5;
ґ) sin х = p?
Розв’яжіть рівняння (1185-1186).
1185.
а) sin х = 1;
б) соs х = -1;
в) tg x = 0;
г) ctg x = 1.
1186.
а) sin х = -1;
б) соs х = 0;
в) tg х = 1;
г) ctg x = 0.
1187. При яких значеннях параметра а рівняння не має розв’язків:
a) sin x = а;
б) cos x = 2а;
в) tg x = а?
1188. При яких значеннях параметра а рівняння має розв’язки:
a) cos 2x = а;
б) sin x = 3а;
в) ctg x = а?
1189. На малюнку 156 зображено графік функції у = cos x і пряму, рівняння якої у = 0,5. Укажіть абсциси точок їх перетину.
Мал. 156
Рівень А
Розв’яжіть рівняння (1190-1200).
1190.
1191.
1192.
1193.
1194.
1195.
1196.
1197.
1198.
1199.
1200.
1201. Практичне завдання. На цупкому папері зобразіть модель «тригонометричного кола» (мал. 157). За його допомогою ви зможете швидко і впевнено розв’язувати простіші тригонометричні рівняння. Наприклад, sin x = 0,5. Запишіть кілька рівнянь та їх розв’язки, що подані на малюнку 157.
Мал. 157
Рівень Б
Розв’яжіть рівняння (1202-1209).
1202.
1203.
1204.
1205.
1206.
1207.
1208.
1209.
1210. При яких значеннях параметра а число х =
є коренем рівняння:
1211. Укажіть координати точок перетину графіків функцій у = tg x і у = -1.
1212. Висота припливу (H(t), у метрах) над середнім рівнем моря у пункті М моделюється приблизно такою формулою H(t) = 3 sin
t, де t — кількість годин після півночі, 0 ≤ t ≤24. Установіть, коли висота припливу дорівнювала 1,5 м.
Рівень В
1213. Скільки коренів рівняння належать проміжку [0; 2
]; [1; 7]:
1214. Скільки коренів рівняння належать проміжку
1215. Знайдіть (у градусах) найменший додатний корінь рівняння:
Знайдіть область визначення функції (1216-1217).
1216.
1217.
Розв’яжіть рівняння (1218-1219).
1218.
«Цифри не керують світом, але вони показують, як світом керують».
Й. В. Гете
1219.
1220. Розв’яжіть графічно рівняння:
а) |sin х| = -х 2;
б) |соs х| = x+ 1.
1221. При яких значеннях параметра а рівняння має розв’язки? Знайдіть ці розв’язки:
1222. При яких значеннях параметра а рівняння:
а) (2sin 3х - 1)(sin 3x - а) має три корені на відрізку [
;
] ;
б) (2соs 3х - 1)(соs 3x - а2 +4) має п’ять коренів на відрізку [-
;
]?
1223. Відкрита задача. Для кожного значення параметра а знайдіть кількість коренів рівняння
на проміжку….
Вправи для повторення
1224. Спростіть вираз
1225. Розв’яжіть систему нерівностей:
1226. У 100 г апельсина вітаміну С у 10 разів менше, а в 100 г лимонів — у 15 разів менше, ніж у 100 г чорної смородини. Разом в 1 кг чорної смородини, 1 кг апельсинів і 1 кг лимонів міститься 3 г 500 мг вітаміну С. Скільки вітаміну С міститься:
а) у 100 г лимона;
б) у 100 г апельсина;
в) у 100 г чорної смородини;
г) у 5 кг апельсинів і 3 кг лимонів;
ґ) в 1 кг чорної смородини?