Квант
Практикум абитуриента

Преобразование решений тригонометрического уравнения

Иванов В.

34

Преобразование решения тригонометрического уравнения

Очевидно, произвольное натуральное число nn представимо в виде либо n=2tn=2t, либо n=2t+1n=2t+1. Кроме того, любое натуральное число nn представимо в виде либо n=3tn=3t, либо n=3t+1n=3t+1, либо n=3t+2n=3t+2. Далее, все коэффициенты число nn представимо в виде либо n=4tn=4t, либо n=4t+1n=4t+1, либо n=4t+2n=4t+2, либо n=4t+3n=4t+3. Ит. д. Эта серия утверждений является теоретической основой преобразования, которое приходит иногда делать с решениями тригонометрического уравнения.

Пример 1 (НГУ, мехмат, 1974). Решить уравнение

cos⁡2x−sin⁡4x=sin⁡x−cos⁡x.\sqrt{\cos 2x - \sin 4x} = \sin x - \cos x. (1)

Напращивающийся путь решения уравнения (1) — возведение обеих частей уравнения в квадрат:

cos⁡2x−sin⁡4x=(sin⁡x−cos⁡x)2.\cos 2x - \sin 4x = (\sin x - \cos x)^2. (2)

После легких равносильных х преобразованный получаем

sin⁡x(sin⁡x+cos⁡3x)=0.\sin x (\sin x + \cos 3x) = 0.

Таким образом, уравнение (2) имеет ответ:

{x1=πk(k∈Z),x2=π4+πl(l∈Z),x3=−π8+π2m(m∈Z).\begin{cases} x_1 = \pi k & (k \in \mathbb{Z}), \\ x_2 = \frac{\pi}{4} + \pi l & (l \in \mathbb{Z}), \\ x_3 = -\frac{\pi}{8} + \frac{\pi}{2} m & (m \in \mathbb{Z}). \end{cases}

Но уравнение (2), вообще говоря, не равносильно уравнению (1); оно является лишь вводным из (1). Поэтому необходимо сделать проверку.

Наименьший общий период функций 2x2x, sin⁡4x\sin 4x, sin⁡x\sin x и cos⁡x\cos x — 2π2\pi. Значит, если число aa является корнем уравнения (1), то и все числа a+2πta+2\pi t (t∈Zt \in \mathbb{Z}) являются его корнями. Поэтому запишем решение (3) «с периодом 2π2\pi».

Заменив в x1x_1 переменную kk на k=2tk=2t и k=2t+1k=2t+1, получим

{x11=2πt,x12=π+2πt.\begin{cases} x_{11} = 2\pi t, \\ x_{12} = \pi + 2\pi t. \end{cases}

Аналогично из x2x_2 получим

{x21=π4+2πt,x22=54π+2πt.\begin{cases} x_{21} = \frac{\pi}{4} + 2\pi t, \\ x_{22} = \frac{5}{4} \pi + 2\pi t. \end{cases}

Заменив в x3x_3 переменную mm на m=4tm=4t, m=4t+1m=4t+1, m=4t+2m=4t+2 и m=4t+3m=4t+3, получим

{x31=−π8+2πt,x32=38π+2πt,x33=78π+2πt,x34=118π+2πt.\begin{cases} x_{31} = -\frac{\pi}{8} + 2\pi t, \\ x_{32} = \frac{3}{8} \pi + 2\pi t, \\ x_{33} = \frac{7}{8} \pi + 2\pi t, \\ x_{34} = \frac{11}{8} \pi + 2\pi t. \end{cases}

Из (313_1), (323_2), (333_3) видно, что, ввиду вышесказанного, достаточно проверить числа 0, π\pi, π4\frac{\pi}{4}, 54π\frac{5}{4}\pi, −π8-\frac{\pi}{8}, 38π\frac{3}{8}\pi, 78π\frac{7}{8}\pi, 118π\frac{11}{8}\pi. Можно просто подставить эти 8 чисел в (1). Проще, однako, сообщить, что уравнение (1) равносильно «смешанной системе».

Рис. 1.

35

{cos⁡2x−sin⁡4x=(sin⁡x−cos⁡x)2,sin⁡x−cos⁡x≥0.\begin{cases} \cos 2x - \sin 4x = (\sin x - \cos x)^2, \\ \sin x - \cos x \geq 0. \end{cases}

Таким образом, достаточно посмотреть (рис. 1), какие из выписанных чисел удовлетворяют неравенству sin⁡x≥cos⁡x\sin x \geq \cos x. «Выдерживают» это неравенство π,π4,54π,38π\pi, \frac{\pi}{4}, \frac{5}{4}\pi, \frac{3}{8}\pi и 78π\frac{7}{8}\pi.

Значит, в ответ уравнения (1) входят x12,x21,x22,x32x_{12}, x_{21}, x_{22}, x_{32} и x33x_{33}. При желании x21x_{21} и x22x_{22} можно объединить «обратно».

Пример 2. Решить уравнение

sin⁡7x+cos⁡2x=−2.(4)\sin 7x + \cos 2x = -2. \tag{4}

Поскольку min⁡sin⁡7x=min⁡cos⁡2x=−1\min \sin 7x = \min \cos 2x = -1, уравнение (4) равносильно системе

{sin⁡7x=−1,cos⁡2x=−1.\begin{cases} \sin 7x = -1, \\ \cos 2x = -1. \end{cases}

Решение первого уравнения системы

x1=314π+2π7k(k∈Z),(5)x_1 = \frac{3}{14}\pi + \frac{2\pi}{7}k (k \in \mathbb{Z}), \tag{5}

решение второго уравнения

x2=π2+πl(l∈Z).(6)x_2 = \frac{\pi}{2} + \pi l (l \in \mathbb{Z}). \tag{6}

Чтобы найти пересечение множеств (5), (6), запишем их «с периодом 2л». Заменив в (5) переменную kk на 7t,7t+1,7t+2,7t+3,7t+4,7t+57t, 7t+1, 7t+2, 7t+3, 7t+4, 7t+5 и 7t+67t+6, получим

{x11=314π+2πt,x12=π2+2πt,x13=1114π+2πt,x14=1514π+2πt,x15=1914π+2πt,x16=2314π+2πt,x17=2714π+2πt.(7)\begin{cases} x_{11} = \frac{3}{14}\pi + 2\pi t, \\ x_{12} = \frac{\pi}{2} + 2\pi t, \\ x_{13} = \frac{11}{14}\pi + 2\pi t, \\ x_{14} = \frac{15}{14}\pi + 2\pi t, \\ x_{15} = \frac{19}{14}\pi + 2\pi t, \\ x_{16} = \frac{23}{14}\pi + 2\pi t, \\ x_{17} = \frac{27}{14}\pi + 2\pi t. \end{cases} \tag{7}

Заменив в (6) переменную ll на l=2tl=2t и l=2t+1l=2t+1, получим

{x21=π2+2πt,x22=32π+2πt.(8)\begin{cases} x_{21} = \frac{\pi}{2} + 2\pi t, \\ x_{22} = \frac{3}{2}\pi + 2\pi t. \end{cases} \tag{8}

Из сравнения (7) и (8) виден ответ:

x12.x_{12}.

Пример 3 (МГУ, химфак, 1977). Найти решение уравнения

2−3cos⁡2x+sin⁡2x=4cos⁡23x,(9)2 - \sqrt{3}\cos 2x + \sin 2x = 4\cos^2 3x, \tag{9}

удовлетворяющие неравенству

cos⁡(2x−π4)>0.\cos \left(2x - \frac{\pi}{4}\right) > 0.

Уравнение (9) равносильно уравнению

1−cos⁡(2x+π6)=1+cos⁡6x.1 - \cos \left(2x + \frac{\pi}{6}\right) = 1 + \cos 6x.

Позному его ответ:

{x1=548π+π4k(k∈Z),x2=724π+π2l(l∈Z).\begin{cases} x_1 = \frac{5}{48}\pi + \frac{\pi}{4}k (k \in \mathbb{Z}), \\ x_2 = \frac{7}{24}\pi + \frac{\pi}{2}l (l \in \mathbb{Z}). \end{cases}

Чтобы 2x−π42x - \frac{\pi}{4} имел период 2π2\pi, запишем этот ответ «с периодом ll». Заменив в x1x_1 переменную kk на k=4t,k=4t+1,k=4t+2k = 4t, k = 4t+1, k = 4t+2 и k=4t+3k = 4t+3, получим

{x11=548π+πt,x12=1748π+πt,x13=2948π+πt,x14=4148π+πt.\begin{cases} x_{11} = \frac{5}{48}\pi + \pi t, \\ x_{12} = \frac{17}{48}\pi + \pi t, \\ x_{13} = \frac{29}{48}\pi + \pi t, \\ x_{14} = \frac{41}{48}\pi + \pi t. \end{cases}

Отсюда

{2x11−π4=−π24+2πt,2x12−π4=1124π+2πt,2x13−π4=2324π+2πt,2x14−π4=3524π+2πt.\begin{cases} 2x_{11} - \frac{\pi}{4} = -\frac{\pi}{24} + 2\pi t, \\ 2x_{12} - \frac{\pi}{4} = \frac{11}{24}\pi + 2\pi t, \\ 2x_{13} - \frac{\pi}{4} = \frac{23}{24}\pi + 2\pi t, \\ 2x_{14} - \frac{\pi}{4} = \frac{35}{24}\pi + 2\pi t. \end{cases}

Видно, что нужноу неравенству удовлетворяющей неравенству x11x_{11} и x12x_{12}.

Аналогично, заменив в x2x_2 переменную ll на l=2tl=2t и l=2t+1l=2t+1, получим