кРепетито · методичка · 10–11 класс · ЕГЭ
Тригонометрические формулы и уравнения
Единичная окружность, основные тождества, формулы двойного угла и приведения, простейшие уравнения и отбор корней.
В 10–11 классе синус и косинус определяют через единичную окружность, и они становятся функциями любого угла. Для ЕГЭ нужны три умения: вычислять значения по формулам, решать простейшие уравнения и отбирать корни на промежутке (задание №13).
Единичная окружность
Точка единичной окружности, повёрнутая на угол $\alpha$ от точки $(1;\ 0)$ против часовой стрелки, имеет координаты $(\cos \alpha;\ \sin \alpha)$. Тангенс: $\operatorname{tg} \alpha = \frac{\sin \alpha}{\cos \alpha}$.
Радианы: $180° = \pi$, поэтому $30° = \frac{\pi}{6}$, $45° = \frac{\pi}{4}$, $60° = \frac{\pi}{3}$, $90° = \frac{\pi}{2}$.
Знаки по четвертям
| Четверть | Углы | $\sin$ | $\cos$ | $\operatorname{tg}$ |
|---|---|---|---|---|
| I | $(0;\ \frac{\pi}{2})$ | + | + | + |
| II | $(\frac{\pi}{2};\ \pi)$ | + | − | − |
| III | $(\pi;\ \frac{3\pi}{2})$ | − | − | + |
| IV | $(\frac{3\pi}{2};\ 2\pi)$ | − | + | − |
Основные формулы
Справочник
| Группа | Формулы |
|---|---|
| тождества | $\sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1$, $\quad 1 + \operatorname{tg}^2\alpha = \dfrac{1}{\cos^2\alpha}$ |
| двойной угол | $\sin 2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha$, $\quad \cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha = 1 - 2\sin^2\alpha = 2\cos^2\alpha - 1$ |
| сложение | $\sin(\alpha \pm \beta) = \sin\alpha\cos\beta \pm \cos\alpha\sin\beta$, $\quad \cos(\alpha \pm \beta) = \cos\alpha\cos\beta \mp \sin\alpha\sin\beta$ |
| чётность | $\sin(-\alpha) = -\sin\alpha$, $\quad \cos(-\alpha) = \cos\alpha$ |
| периоды | $\sin$, $\cos$ — период $2\pi$; $\operatorname{tg}$ — период $\pi$ |
Формулы приведения упрощают $\sin(\pi \pm \alpha)$, $\cos(\frac{\pi}{2} + \alpha)$ и т. п. Правило: если в аргументе $\frac{\pi}{2}$ или $\frac{3\pi}{2}$, функция меняется на «кофункцию» (синус на косинус); если $\pi$ или $2\pi$ — не меняется. Знак ставится тот, который имела исходная функция в этой четверти, считая $\alpha$ острым. Пример: $\cos(\pi - \alpha) = -\cos\alpha$, так как угол во II четверти, где косинус отрицателен.
Пример 1.
Известно, что $\sin\alpha = -0{,}6$ и $\alpha \in (\pi;\ \frac{3\pi}{2})$. Найдите $\cos\alpha$ и $\operatorname{tg}\alpha$.
Решение. $\cos^2\alpha = 1 - 0{,}36 = 0{,}64$. В III четверти косинус отрицателен: $\cos\alpha = -0{,}8$. $\operatorname{tg}\alpha = \frac{-0{,}6}{-0{,}8} = 0{,}75$.
Ответ: $-0{,}8$; $0{,}75$.
Пример 2.
Найдите значение $\dfrac{12\sin 11°\cos 11°}{\sin 22°}$.
Решение. $2\sin 11°\cos 11° = \sin 22°$, поэтому числитель равен $6\sin 22°$. Ответ 6.
Ответ: 6.
Простейшие уравнения
Общие решения ($n \in \mathbb{Z}$)
| Уравнение | Решение |
|---|---|
| $\sin x = a$, $|a| \le 1$ | $x = (-1)^n \arcsin a + \pi n$ |
| $\cos x = a$, $|a| \le 1$ | $x = \pm\arccos a + 2\pi n$ |
| $\operatorname{tg} x = a$ | $x = \operatorname{arctg} a + \pi n$ |
| $\sin x = 0$ | $x = \pi n$ |
| $\cos x = 0$ | $x = \frac{\pi}{2} + \pi n$ |
| $\sin x = 1$ / $-1$ | $x = \frac{\pi}{2} + 2\pi n$ / $x = -\frac{\pi}{2} + 2\pi n$ |
Если $|a| \gt 1$, у уравнений $\sin x = a$ и $\cos x = a$ решений нет.
Пример 3.
Решите уравнение $2\cos x = \sqrt{3}$.
Решение. $\cos x = \frac{\sqrt{3}}{2}$, $x = \pm\frac{\pi}{6} + 2\pi n$, $n \in \mathbb{Z}$.
Ответ: $\pm\frac{\pi}{6} + 2\pi n$, $n \in \mathbb{Z}$.
Уравнения, сводящиеся к квадратным
Пример 4 (в формате ЕГЭ №13).
а) Решите уравнение $2\sin^2 x + 3\cos x - 3 = 0$. б) Найдите корни на отрезке $[-\pi;\ \frac{\pi}{2}]$.
Решение. а) Заменяем $\sin^2 x = 1 - \cos^2 x$: $2 - 2\cos^2 x + 3\cos x - 3 = 0$, то есть $2\cos^2 x - 3\cos x + 1 = 0$. Пусть $t = \cos x$: $2t^2 - 3t + 1 = 0$, $t = 1$ или $t = \frac{1}{2}$.
$\cos x = 1$: $x = 2\pi n$. $\ \cos x = \frac{1}{2}$: $x = \pm\frac{\pi}{3} + 2\pi n$.
б) На отрезке $[-\pi;\ \frac{\pi}{2}]$: из первой серии $x = 0$; из второй $x = \frac{\pi}{3}$ и $x = -\frac{\pi}{3}$ (следующие, $\pm\frac{\pi}{3} \pm 2\pi$, выходят за отрезок).
Ответ: а) $2\pi n$, $\pm\frac{\pi}{3} + 2\pi n$, $n \in \mathbb{Z}$; б) $-\frac{\pi}{3}$, $0$, $\frac{\pi}{3}$.
Пример 5 (разложение на множители).
Решите уравнение $\sin 2x = \sqrt{2}\cos x$.
Решение. $2\sin x\cos x - \sqrt{2}\cos x = 0$, $\cos x(2\sin x - \sqrt{2}) = 0$. Либо $\cos x = 0$: $x = \frac{\pi}{2} + \pi n$; либо $\sin x = \frac{\sqrt{2}}{2}$: $x = \frac{\pi}{4} + 2\pi n$ или $x = \frac{3\pi}{4} + 2\pi n$.
Ответ: $\frac{\pi}{2} + \pi n$, $\frac{\pi}{4} + 2\pi n$, $\frac{3\pi}{4} + 2\pi n$, $n \in \mathbb{Z}$.
Как отбирать корни
- На окружности: отметьте отрезок дугой и найдите точки серий на ней. Быстро и наглядно для отрезков длиной до $2\pi$.
- Перебором $n$: подставляйте $n = -1, 0, 1, \ldots$, пока значения в отрезке.
- Двойным неравенством: $-\pi \le \frac{\pi}{3} + 2\pi n \le \frac{\pi}{2}$ решаем относительно целого $n$.
- Делить уравнение на $\cos x$, теряя корни $\cos x = 0$.
- Ошибаться со знаком при извлечении $\cos\alpha$ из $\cos^2\alpha$ — смотрите на четверть.
- Писать для косинуса $x = \arccos a + \pi n$ вместо $\pm\arccos a + 2\pi n$.
- Не проверять ограничения после замены: $t = \cos x$ должно быть в $[-1;\ 1]$.
Задачи для самопроверки
- Найдите $\sin\frac{7\pi}{6}$.
Ответ
$-\frac{1}{2}$.
- $\cos\alpha = \frac{5}{13}$, $\alpha \in (\frac{3\pi}{2};\ 2\pi)$. Найдите $\sin\alpha$.
Ответ
$-\frac{12}{13}$.
- Упростите $\sin(\pi + \alpha) + \cos(\frac{\pi}{2} - \alpha)$.
Ответ
$-\sin\alpha + \sin\alpha = 0$.
- Решите уравнение $\operatorname{tg} x = -\sqrt{3}$.
Ответ
$x = -\frac{\pi}{3} + \pi n$, $n \in \mathbb{Z}$.
- Решите уравнение $2\sin^2 x - \sin x = 0$.
Ответ
$x = \pi n$; $x = (-1)^n\frac{\pi}{6} + \pi n$, $n \in \mathbb{Z}$.
- Найдите корни уравнения $\cos x = -\frac{1}{2}$ на отрезке $[0;\ 2\pi]$.
Ответ
$\frac{2\pi}{3}$ и $\frac{4\pi}{3}$.
- Вычислите $\cos^2 15° - \sin^2 15°$.
Ответ
$\cos 30° = \frac{\sqrt{3}}{2}$.
Задачи по теме на сайте
- Математика 10 класс → №1 · Тригонометрия → Значения тригонометрических функций — https://doska.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-1/matematika-10-klass-razdel-1-znacheniya-trigonometricheskih-funktsiy/
- Математика 10 класс → №1 · Тригонометрия → Основное тригонометрическое тождество — https://doska.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-1/matematika-10-klass-razdel-1-osnovnoe-trigonometricheskoe-tozhdestvo/
- Математика 10 класс → №8 · Тригонометрические уравнения → Простейшие тригонометрические уравнения — https://doska.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-8/matematika-10-klass-razdel-8-prosteyshie-trigonometricheskie-uravneniya/
- Математика (профиль) → №7 · Вычисления и преобразования → Тригонометрические и логарифмические выражения — https://doska.tikhonovdev.ru/bank/matematika/zadanie-7/zadanie-7-trigonometricheskie-i-logarifmicheskie-vyrazheniya/
- Математика 10 класс → №1 · Тригонометрия — https://doska.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-1/
- Математика 10 класс → №8 · Тригонометрические уравнения — https://doska.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-8/
- Математика (профиль) → №6 · Уравнения — https://doska.tikhonovdev.ru/bank/matematika/zadanie-6/
- Математика (профиль) → №7 · Вычисления и преобразования — https://doska.tikhonovdev.ru/bank/matematika/zadanie-7/