Метод вспомогательного угла в тригонометрических уравнениях

23 октября 2015

На уроках алгебры учителя рассказывают, что существует небольшой (на самом деле — очень даже большой) класс тригонометрических уравнений, которые не решаются стандартными способами — ни через разложение на множители, ни через замену переменной, ни даже через однородные слагаемые. В этом случае в дело вступает принципиально другой подход — метод вспомогательного угла.

Что это за метод и как его применять? Для начала вспомним формулы синуса суммы/разности и косинуса суммы/разности:

\[\begin{align}& \sin \left( \alpha \pm \beta \right)=\sin \alpha \cos \beta \pm \cos \alpha \sin \beta \\& \cos \left( \alpha \pm \beta \right)=\cos \alpha \cos \beta \mp \sin \alpha \sin \beta \\\end{align}\]

Думаю, эти формулы хорошо знакомы вам — из них выводятся формулы двойного аргумента, без которых в тригонометрии вообще никуда. Но давайте теперь рассмотрим простое уравнение:

\[3\sin x+4\cos x=5\]

Разделим обе части на 5:

\[\frac{3}{5}\sin x+\frac{4}{5}\cos x=1\]

Заметим, что ${{\left( \frac{3}{5} \right)}^{2}}+{{\left( \frac{4}{5} \right)}^{2}}=1$, а это значит, что обязательно найдётся такой угол $\alpha $, для которого эти числа являются соответственно косинусом и синусом. Поэтому наше уравнение перепишется следующим образом:

\[\begin{align}& \cos \alpha \sin x+\sin \alpha \cos x=1 \\& \sin \left( \alpha +x \right)=1 \\\end{align}\]

А это уже легко решается, после чего останется лишь выяснить, чему равен угол $\alpha $. Как это выяснить, а также как правильно подбирать число для деления обеих частей уравнения (в данном простом примере мы делили на 5) — об этом в сегодняшнем видеоуроке:

Сегодня мы будем разбирать решение тригонометрических уравнений, а, точнее, один-единственный прием, который называется «метод вспомогательного угла». Почему именно этот метод? Просто потому, что за последние два-три дня, когда я занимался с учениками, которым рассказывал о решении тригонометрических уравнений, и мы разбирали, в том числе, метод вспомогательного угла, и все ученики как один допускают одну и ту же ошибку. А ведь метод вообщем-то несложный и, более того, это один из основных приемов в тригонометрии. Поэтому многие тригонометрические задачи иначе как методом вспомогательного угла вообще не решаются.

Поэтому сейчас для начала мы рассмотрим пару простеньких задач, а потом перейдем к задачам посерьезней. Однако все эти они так или иначе потребуют от нас применение метода вспомогательного угла, суть которого я расскажу уже в первой конструкции. 

Решение простых тригонометрических задач

Пример № 1

\[\cos 2x=\sqrt{3}\sin 2x-1\]

Немного преобразуем наше выражение:

\[\cos 2x-\sqrt{3}\sin 2x=-1\left| \left( -1 \right) \right.\]

\[\sqrt{3}\cdot \sin 2x-\cos 2x=1\]

Как мы будем решать его? Стандартный прием состоит в том, чтобы раскрыть $\sin 2x$ и $\cos 2x$ по формулам двойного угла, а затем переписать единицу как ${{\sin }^{2}}x{{\cos }^{2}}x$, получить однородное уравнение, привести его к тангенсам и решить. Однако это долгий и нудный путь, который требует большого объема вычислений.

Предлагаю задуматься вот на чем. У нас есть $\sin $ и $\cos $. Вспомним формулу косинуса и синуса суммы и разности:

\[\sin \left( \alpha \pm \beta \right)=\sin \alpha \cos \beta \pm \cos \alpha \sin \beta \]

\[\cos \left( \alpha +\beta \right)=\cos \alpha \cos \beta -\sin \alpha \sin \beta \]

\[\cos \left( \alpha -\beta \right)=\cos a\cos \beta +\sin \alpha \sin \beta \]

Вернемся к нашему примеру. Все сведем к синусу разности. Но для начала уравнение необходимо немного преобразовать. Найдем коэффициент:

\[l={{\left( \sqrt{3} \right)}^{2}}+{{\left( -1 \right)}^{2}}=3+1=4\]

\[\sqrt{l}=2\]

$\sqrt{l}$ — это тот самый коэффициент, на который необходимо разделить обе части уравнения, чтобы перед синусом и косинусом появились числа, которые сами по себе являются синусами и косинусами. Давайте разделим:

\[\frac{\sqrt{3}}{2}\cdot \sin 2x-\frac{1}{2}\cdot \cos 2x=\frac{1}{2}\]

Посмотрим на то, что у нас получилось слева: существует ли такой $\sin $ и $\cos $, чтобы $\cos \alpha =\frac{\sqrt{3}}{2}$, а $\sin \alpha =\frac{1}{2}$? Очевидно существует: $\alpha =\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{6}$. Поэтому мы можем переписать наше выражение следующим образом:

\[\cos \frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{6}}\cdot \sin 2x-\sin \frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{6}}\cdot \cos 2x=\frac{1}{2}\]

\[\sin 2x\cdot \cos \frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{6}}-\cos 2x\cdot \sin \frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{6}}=\frac{1}{2}\]

Теперь перед нами формула синуса разности. Мы можем написать так:

\[\sin \left( 2x-\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{6}} \right)=\frac{1}{2}\]

Перед нами простейшая классическая тригонометрическая конструкция. Напомню:

\[\sin x=a\]

\[x=\arcsin a+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n\]

\[x=\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }-\arcsin a-2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n\]

Это и запишем для нашего конкретного выражения:

\[\left[ \begin{align}& 2x-\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{6}=\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{6}=2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n \\& 2x-\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{6}}=\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }-\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{6}}+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n \\\end{align} \right.\]

\[\left[ \begin{align}& 2x=\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{3}+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n \\& 2x=\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n \\\end{align} \right.\]

\[\]

\[\left[ \begin{align}& x=\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{6}+\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n \\& x=\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{2}+\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n \\\end{align} \right.\]

\[n\in Z\]

Нюансы решения

Итак, что нужно делать, если вам попалось подобный пример:

  1. Преобразовать конструкцию, если нужно.
  2. Найти поправочный коэффициент, взять из него корень и разделить обе части примера на него.
  3. Смотрим, какие значения синуса и косинуса получаются у чисел.
  4. Раскладываем уравнение по формулам синуса или косинуса разности или суммы.
  5. Решаем простейшее тригонометрическое уравнение.

В связи с этим у внимательных учеников наверняка возникнет два вопроса.

Что нам мешает на этапе нахождения поправочного коэффициента записать $\sin $ и $\cos $? — Нам мешает основное тригонометрическое тождество. Дело в том, что полученные $\sin $ и $\cos $, как любые другие при одном и том же аргументе, должны при возведении в квадрат в сумме давать ровно «единицу». В процессе решения нужно быть очень внимательным и не потерять «двойку» перед «иксами».

Метод вспомогательного угла — это инструмент, который помогает свести «некрасивое» уравнение к вполне адекватному и «красивому».

Пример № 2

\[\sqrt{3}\sin 2x+2{{\sin }^{2}}x-1=2\cos x\]

Мы видим, что у нас есть ${{\sin }^{2}}x$, поэтому давайте воспользуемся выкладками понижения степеней. Однако прежде чем ними воспользоваться, давайте их выведем. Для этого вспомним, как найти косинус двойного угла:

\[\cos 2x={{\cos }^{2}}x-{{\sin }^{2}}x=2{{\cos }^{2}}x-1=1-2{{\sin }^{2}}x\]

Если мы запишем $\cos 2x$ в третьем варианте, то получим:

\[\cos 2x=1-2{{\sin }^{2}}x\]

\[2{{\sin }^{2}}x=1-\cos 2x\]

\[{{\sin }^{2}}x=\frac{1-{{\cos }^{2}}x}{x}\]

Я выпишу отдельно:

\[{{\sin }^{2}}x=\frac{1-\cos 2x}{2}\]

То же самое можно сделать и для ${{\cos }^{2}}x$:

\[{{\cos }^{2}}x=\frac{1+\cos 2x}{2}\]

Нам потребуется только первые выкладки. Давайте приступим к работе над задачей:

\[\sqrt{3}\cdot \sin 2x+2\cdot \frac{1-\cos 2x}{2}-1=2\cos x\]

\[\sqrt{3}\cdot \sin 2x+1-\cos 2x-1=2\cos x\]

\[\sqrt{3}\cdot \sin 2x-\cos 2x=2\cos x\]

Теперь воспользуемся выкладками косинуса разности. Но для начала посчитаем поправку $l$:

\[l={{\left( \sqrt{3} \right)}^{2}}+{{\left( -1 \right)}^{2}}=4\]

\[\sqrt{l}=2\]

Перепишем с учетом этого факта:

\[\frac{\sqrt{3}}{2}\cdot \sin 2x-\frac{1}{2}\cdot \cos 2x=\cos x\]

В этом случае мы можем записать, что $\frac{\sqrt{3}}{2}=\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{3}$, а $\frac{1}{2}=\cos \frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{3}$. Перепишем:

\[\sin \frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{3}}\cdot \sin 2x-\cos \frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{3}}\cdot \cos 2x=\cos x\]

\[-\cos \left( \frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{3}}+2x \right)=\cos x\]

Внесем «минус» в скобку хитрым способом. Для этого заметим следующее:

\[\cos \left( \frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{3}}+2x \right)=\cos \left( \text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }-\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ +}\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{3}}+2x \right)=\]

\[=\cos \left( \text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }-\frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{3}+2x \right)=\cos \left( \text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }+\varphi \right)=-\cos \varphi \]

Возвращаемся к нашему выражению и вспоминаем, что в роли $\varphi $ у нас выражение $-\frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{3}+2x$. Поэтому запишем:

\[-\left( -\cos \left( -\frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{3}+2x \right) \right)=\cos x\]

\[\cos \left( 2x-\frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{3} \right)=\cos x\]

Чтобы решить подобною задачу, нужно вспомнить такое:

\[\cos \alpha =\cos \beta \]

\[\left[ \begin{align}& \alpha =\beta +2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n \\& \alpha =-\beta +2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n \\\end{align} \right.\]

Разберемся с нашим примером:

\[\left[ \begin{align}& 2x-\frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{3}=x+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n \\& 2x-\frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{3}=-x+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n \\\end{align} \right.\]

Давайте посчитаем каждое из этих уравнений:

\[x=\frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{3}+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n\]

И вторую:

\[3x=\frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{3}+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }\]

\[x=\frac{2\pi }{9}+\frac{2\pi n}{3}\]

Запишем окончательный ответ:

\[\left[ \begin{align}& x=\frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{3}+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n \\& x=\frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{9}+\frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n}{3} \\\end{align} \right.\]

Нюансы решения

На самом деле, это выражение решается множеством различных способов, однако именно метод вспомогательного угла является в данном случае оптимальным. Кроме того, на примере данной конструкции хотелось бы обратить ваше внимание еще на несколько интересных приемов и фактов:

Но и это еще не все. До сих пор $\sin $ и $\cos $, которые мы выводили в качестве дополнительного аргумента, мы считали, что они должны быть положительными. Поэтому сейчас мы решим более сложные задачи.

Разбор более сложных задач

Пример № 1

\[\sin 3x+4{{\sin }^{3}}x+4\cos x=5\]

Преобразуем первое слагаемое:

\[\sin 3x=\sin \left( 2x+x \right)=\sin 2x\cdot \cos x+\cos 2x\cdot \sin x\]

Второе:

\[4{{\sin }^{3}}x=4\cdot {{\sin }^{2}}x\cdot \sin x=4\cdot \frac{1-{{\cos }^{2}}x}{2}\cdot \sin x=\]

\[=2\left( 1-\cos 2x \right)\cdot \sin x\]

А теперь подставим все это в нашу исходную конструкцию:

\[\sin 2x\cos x+\cos 2x\sin x+2\sin x-2\cos x\sin x+4\cos x=5\]

\[\sin 2x\cos x-\operatorname{cosx}-cos2\sin x+2\sin x+4\cos x=5\]

\[\sin \left( 2x-x \right)+2\sin x+4\cos x=5\]

\[3\sin x+4\cos x=5\]

Давайте введем нашу поправку:

\[l=9+16=25\]

\[\sqrt{l}=5\]

Записываем:

\[\frac{3}{5}\sin x+\frac{4}{5}\cos x=1\]

Таких $\alpha $, для которых $\sin $ или $\cos $ был бы равен $\frac{3}{5}$ и $\frac{4}{5}$ в тригонометрической таблице нет. Поэтому давайте просто так и напишем и сведем выражение к синусу суммы:

\[\sin x\cdot \cos \varphi +\cos x\cdot \sin \varphi =1\]

\[\sin \left( x+\varphi \right)=1\]

Это частный случай, простейшая тригонометрическая конструкция:

\[x+\varphi =\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{2}+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n\]

\[x=\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{2}}-\varphi +2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n\]

Осталось найти, чему равен $\varphi $. Именно в этом месте многие ученики ошибаются. Дело в том, что на $\varphi $ накладываются два требования:

\[\left\{ \begin{align}& \cos \varphi =\frac{3}{5} \\& \sin \varphi =\frac{4}{5} \\\end{align} \right.\]

Начертим радар и посмотрим, где такие значения встречаются:

Возвращаясь к нашему выражению, мы напишем следующее:

\[x=\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{2}-\arcsin \frac{4}{5}+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n\]

Но и эту запись можно немного оптимизировать. Поскольку мы знаем следующее:

\[\alpha :\arcsin \alpha +\arccos \alpha =\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{2}},\]

то в нашем случае можно записать так:

\[x=\arccos \frac{4}{5}+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n\]

Пример № 2

Здесь потребуется еще более глубокое понимание методик решения стандартных задач без тригонометрии. Но для решения этого примера мы также используем метод вспомогательного угла.\[\]

\[5+2\sin 2x-5\cos x=5\sin x\]

Первое, что бросается в глаза — здесь нет степеней выше первой и поэтому ничего нельзя разложить по формулам разложения степеней. Воспользуется обратными выкладками:

\[5+4\sin x\cos x-5\cos x-5\sin x=0\]

\[3+2+4\sin x\cos x-5\left( \sin x+\cos x \right)=0\]

Зачем я разложил $5$. Вот смотрите:

\[3+2\left( 1+2\sin x\cos x \right)-5\left( \sin x\cos x \right)=0\]

Единицу по основному тригонометрическому тождеству мы можем расписать как ${{\sin }^{2}}x+{{\cos }^{2}}x$:

\[3+2\left( {{\sin }^{2}}x+2\sin x\cos x+co{{s}^{2}}x \right)-5\left( \sin x+\cos x \right)=0\]

Что дает нам такая запись? Дело в том, что в первой скобке стоит точный квадрат. Свернем его и получим:

\[3+2{{\left( \sin x+\cos x \right)}^{2}}-5\left( \sin x+\cos x \right)=0\]

Предлагаю ввести новую переменную:

\[\sin x+\cos x=t\]

В этом случае мы получим выражение:

\[3+2{{t}^{2}}-5t=0\]

\[2{{t}^{2}}-5t+3=0\]

\[D=25-24=1\]

\[{{t}_{1}}=\frac{5+1}{4}=\frac{3}{2}\]

\[{{t}_{2}}=\frac{5-1}{4}=1\]

Итого мы получаем:

\[\left[ \begin{align}& \sin x+\cos x=\frac{3}{2} \\& \sin x+\cos x=1 \\\end{align} \right.\]

Разумеется, знающие ученики сейчас скажут, что такие конструкции легко решаются с помощью сведения к однородному. Однако мы решим каждое уравнение методом вспомогательного угла. Для этого сначала посчитаем поправку $l$:

\[l={{1}^{2}}+{{1}^{2}}=2\]

\[\sqrt{l}=\sqrt{2}\]

Разделим все на $\sqrt{2}$:

\[\left[ \begin{align}& \frac{\sqrt{2}}{2}\sin x+\frac{\sqrt{2}}{2}\cos x=\frac{3}{2\sqrt{2}} \\& \frac{\sqrt{2}}{2}\sin x+\frac{\sqrt{2}}{2}\cos x=\frac{\sqrt{2}}{2} \\\end{align} \right.\]

Все сведем к $\cos $:

\[\cos x\cdot \cos \frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{4}+\sin x\sin \frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{4}}\]

\[\left[ \begin{align}& \cos \left( x-\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{4}} \right)=\frac{3}{2\sqrt{2}} \\& \cos \left( x-\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{4} \right)=\frac{\sqrt{2}}{2} \\\end{align} \right.\]

Разбираемся с каждым из этих выражений.

Первое уравнение корней не имеет, и для доказательства этого факта нам поможет иррациональность в знаменателе. Заметим следующее:

\[\sqrt{2}<1,5\]

\[\frac{3}{2\sqrt{2}}>\frac{3}{3\cdot 1,5}=\frac{3}{3}=1\]

Итого мы четко доказали, что требуется, чтобы $\cos \left( x-\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{4} \right)$ был равен числу, которое большее «единицы» и, следовательно, у этой конструкции корней нет.

Разбираемся со вторым:

\[x-\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{4}=\pm \frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{4}+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n\]

Решаем эту конструкцию:

\[x=\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{4}\pm \frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{4}}+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n\]

В принципе, можно оставить ответ таким, а можно его расписать:

\[x=\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{2}+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n\]

\[x=2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }n\]

\[n\in Z\]

Важные моменты

В заключение хотел бы еще раз обратить ваше внимание на работу с «некрасивыми» аргументами, т.е. когда $\sin $ и $\cos $ не являются табличными значениями. Проблема состоит в том, что если мы утверждаем, что в нашем уравнении $\frac{3}{5}$ — это $\cos $, а $\frac{4}{5}$ — это $\sin $, то в итоге, после того как мы решим конструкцию, нужно учитывать оба этих требования. Мы получаем систему из двух уравнений. Если мы не будем это учитывать, то получим следующую ситуацию. В этом случае мы получим две точки и на месте $\varphi $ у нас окажется два числа: $\arcsin \frac{4}{5}$ и $-\arcsin \frac{4}{5}$, однако последний нас ни в коем случае не устраивает. То же самое будет и с точкой $\frac{3}{5}$.

Такая проблема возникает только тогда, когда речь идет о «некрасивых» аргументах. Когда у нас табличные значения, то ничего такого нет.

Надеюсь, сегодняшний урок помог вам разобраться, что такое метод вспомогательного угла и как его применять на примерах разного уровня сложности. Но это не единственный урок, посвященный решению задач методом вспомогательного угла. Поэтому оставайтесь с нами!

Смотрите также:
  1. Как решать тригонометрические уравнения? Основные приёмы и методы.
  2. Решаем однородные тригонометрические уравнения
  3. Решение задач B12: №440—447
  4. Пробный ЕГЭ-2011 по математике, вариант №4
  5. Метод интервалов: решение простейших строгих неравенств
  6. Семинар: ЕГЭ по математике, задачи B3 на площади