Dział 6. Trygonometria

Wzory trygonometryczne, równania i nierówności: teoria i zadania maturalne

Sinus i cosinus sumy i różnicy kątów, kąt podwojony, sumy funkcji, rozwiązywanie równań sin⁡x=a\sin x=a, cos⁡x=a\cos x=a, tg⁡x=a\operatorname{tg}x=a oraz równań i nierówności sprowadzalnych do nich.

Teoria

Wzory na sumę i różnicę kątów

sin⁡(α±β)=sin⁡αcos⁡β±cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha\pm\beta)=\sin\alpha\cos\beta\pm\cos\alpha\sin\betacos⁡(α±β)=cos⁡αcos⁡β∓sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha\pm\beta)=\cos\alpha\cos\beta\mp\sin\alpha\sin\betatg⁡(α±β)=tg⁡α±tg⁡β1∓tg⁡αtg⁡β\operatorname{tg}(\alpha\pm\beta)=\frac{\operatorname{tg}\alpha\pm\operatorname{tg}\beta}{1\mp\operatorname{tg}\alpha\operatorname{tg}\beta}

Np. sin⁡75∘=sin⁡(45∘+30∘)=22⋅32+22⋅12=6+24\sin75^\circ=\sin(45^\circ+30^\circ)=\frac{\sqrt2}2\cdot\frac{\sqrt3}2+\frac{\sqrt2}2\cdot\frac12=\frac{\sqrt6+\sqrt2}{4}.

Kąt podwojony

sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α,cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α=2cos⁡2α−1=1−2sin⁡2α.\sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alpha,\qquad\cos2\alpha=\cos^2\alpha-\sin^2\alpha=2\cos^2\alpha-1=1-2\sin^2\alpha.

Sumy i różnice funkcji

sin⁡α+sin⁡β=2sin⁡α+β2cos⁡α−β2,cos⁡α+cos⁡β=2cos⁡α+β2cos⁡α−β2\sin\alpha+\sin\beta=2\sin\frac{\alpha+\beta}{2}\cos\frac{\alpha-\beta}{2},\qquad\cos\alpha+\cos\beta=2\cos\frac{\alpha+\beta}{2}\cos\frac{\alpha-\beta}{2}sin⁡α−sin⁡β=2cos⁡α+β2sin⁡α−β2,cos⁡α−cos⁡β=−2sin⁡α+β2sin⁡α−β2\sin\alpha-\sin\beta=2\cos\frac{\alpha+\beta}{2}\sin\frac{\alpha-\beta}{2},\qquad\cos\alpha-\cos\beta=-2\sin\frac{\alpha+\beta}{2}\sin\frac{\alpha-\beta}{2}

Przydają się do zamiany sumy na iloczyn w równaniach.

Równania elementarne

Jeśli x0x_0 jest jednym rozwiązaniem, to (k∈Zk\in\mathbb{Z}):

Dla ∣a∣>1|a|>1 równania sin⁡x=a\sin x=a i cos⁡x=a\cos x=a nie mają rozwiązań.

xyπ/2π3π/22π−110π/65π/6
sin x = ½ w ⟨0, 2π⟩: x = π/6 lub x = π − π/6 = 5π/6. Nierówność sin x ≥ ½: „garb” nad przerywaną prostą: x ∈ ⟨π/6, 5π/6⟩.

Równania sprowadzalne

Dzielenie przez funkcję trygonometryczną

W sin⁡2x=cos⁡x\sin2x=\cos x nie dziel przez cos⁡x\cos x: zgubisz rozwiązania cos⁡x=0\cos x=0! Wyłącz wspólny czynnik.

Nierówności

Rysujemy wykres (lub okrąg jednostkowy) w jednym okresie, odczytujemy przedział, a potem dodajemy okres. Np. sin⁡x≥12\sin x\ge\frac12: x∈⟨π6+2kπ, 5π6+2kπ⟩x\in\left\langle\frac\pi6+2k\pi,\ \frac{5\pi}6+2k\pi\right\rangle.

xyπ/2π3π/22π−110y = 1/2y = sin x
sin⁡x≥12\sin x\ge\frac12 tam, gdzie wykres leży nad prostą y=12y=\frac12 lub na niej: w okresie ⟨0,2π⟩\langle0,2\pi\rangle to x∈⟨π6,5π6⟩x\in\left\langle\frac\pi6,\frac{5\pi}6\right\rangle.
Na maturze rozszerzonej

Równanie trygonometryczne (3–4 pkt) niemal zawsze: najczęściej w zadanym przedziale. Wypisz wszystkie rozwiązania z przedziału i sprawdź, czy nie zgubiłeś któregoś przez dzielenie. Wzory z tej strony są w tablicach CKE.

Wzory

Sinus sumy i różnicy

sin⁡(α±β)=sin⁡αcos⁡β±cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha\pm\beta)=\sin\alpha\cos\beta\pm\cos\alpha\sin\beta

Obliczanie wartości dla kątów typu 75∘75^\circ, 15∘15^\circ i przekształcenia.

Cosinus sumy i różnicy

cos⁡(α±β)=cos⁡αcos⁡β∓sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha\pm\beta)=\cos\alpha\cos\beta\mp\sin\alpha\sin\beta

Uwaga: znak po prawej jest przeciwny do znaku w argumencie.

Sinus kąta podwojonego

sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alpha

Najczęściej używany wzór w równaniach.

Cosinus kąta podwojonego

cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α=2cos⁡2α−1=1−2sin⁡2α\cos2\alpha=\cos^2\alpha-\sin^2\alpha=2\cos^2\alpha-1=1-2\sin^2\alpha

Wybierz wersję pasującą do reszty równania.

Suma sinusów

sin⁡α+sin⁡β=2sin⁡α+β2cos⁡α−β2\sin\alpha+\sin\beta=2\sin\frac{\alpha+\beta}2\cos\frac{\alpha-\beta}2

Zamiana sumy na iloczyn.

Równanie sin x = a

x=x0+2kπ ∨ x=π−x0+2kπx=x_0+2k\pi\ \lor\ x=\pi-x_0+2k\pi

Dwie serie rozwiązań (dla ∣a∣<1|a|<1).

Równanie cos x = a

x=±x0+2kπx=\pm x_0+2k\pi

Rozwiązania symetryczne względem zera.

Równanie tg x = a

x=x0+kπx=x_0+k\pi

Jedna seria z okresem π\pi.

Przykłady rozwiązane krok po kroku

Przykład 1

Oblicz dokładną wartość sin⁡75∘\sin75^\circ.

75∘=45∘+30∘75^\circ=45^\circ+30^\circ:

sin⁡75∘=sin⁡45∘cos⁡30∘+cos⁡45∘sin⁡30∘=22⋅32+22⋅12=6+24.\sin75^\circ=\sin45^\circ\cos30^\circ+\cos45^\circ\sin30^\circ=\frac{\sqrt2}2\cdot\frac{\sqrt3}2+\frac{\sqrt2}2\cdot\frac12=\frac{\sqrt6+\sqrt2}{4}.
sin⁡75∘=6+24\sin75^\circ=\frac{\sqrt6+\sqrt2}{4}

Przykład 2

Rozwiąż równanie 2sin⁡2x+sin⁡x−1=02\sin^2x+\sin x-1=0 w przedziale ⟨0,2π⟩\langle0,2\pi\rangle.

Podstawienie t=sin⁡xt=\sin x, t∈⟨−1,1⟩t\in\langle-1,1\rangle: 2t2+t−1=02t^2+t-1=0, Δ=9\Delta=9, t=−1±34∈{12,−1}t=\frac{-1\pm3}{4}\in\left\{\frac12,-1\right\} (obie dopuszczalne).

xyπ/2π3π/22π−110π/65π/63π/2
W przedziale ⟨0,2π⟩\langle0,2\pi\rangle wykres sin⁡x\sin x przecina prostą y=12y=\frac12 dwa razy, a prostej y=−1y=-1 dotyka raz: trzy rozwiązania.
x∈{π6,5π6,3π2}x\in\left\{\frac\pi6,\frac{5\pi}6,\frac{3\pi}2\right\}

Zadania maturalne z rozwiązaniami

Zadanie 1 (1 pkt)

Kąt α\alpha jest ostry i sin⁡α=35\sin\alpha=\frac35. Wartość sin⁡2α\sin2\alpha jest równa

  1. 65\frac65
  2. 2425\frac{24}{25}
  3. 1225\frac{12}{25}
  4. 725\frac{7}{25}

Odpowiedź: B

Rozwiązanie

sin⁡2α=2⋅35⋅45=2425\sin2\alpha=2\cdot\frac35\cdot\frac45=\frac{24}{25}.

Odpowiedź B

Zadanie 2 (1 pkt)

Jeżeli cos⁡α=13\cos\alpha=\frac13, to cos⁡2α\cos2\alpha jest równy

  1. 23\frac23
  2. 19\frac19
  3. −79-\frac79
  4. 79\frac79

Odpowiedź: C

Rozwiązanie

Wzór na cosinus kąta podwojonego, w wersji z samym cosinusem: cos⁡2α=2cos⁡2α−1\cos2\alpha=2\cos^2\alpha-1.

cos⁡2α=2⋅(13)2−1=2⋅19−1=29−99=−79.\cos2\alpha=2\cdot\left(\frac13\right)^2-1=2\cdot\frac19-1=\frac29-\frac99=-\frac79.
Odpowiedź C

Zadanie 3 (1 pkt)

Wartość cos⁡15∘\cos15^\circ jest równa

  1. 6−24\frac{\sqrt6-\sqrt2}{4}
  2. 3−12\frac{\sqrt3-1}{2}
  3. 6+22\frac{\sqrt6+\sqrt2}{2}
  4. 6+24\frac{\sqrt6+\sqrt2}{4}

Odpowiedź: D

Rozwiązanie

cos⁡45∘cos⁡30∘+sin⁡45∘sin⁡30∘=64+24=6+24\cos45^\circ\cos30^\circ+\sin45^\circ\sin30^\circ=\frac{\sqrt6}4+\frac{\sqrt2}4=\frac{\sqrt6+\sqrt2}4.

Odpowiedź D

Zadanie 4 (1 pkt)

Wartość wyrażenia cos⁡2π8−sin⁡2π8\cos^2\frac\pi8-\sin^2\frac\pi8 jest równa

  1. 22\frac{\sqrt2}{2}
  2. 11
  3. 12\frac12
  4. 00

Odpowiedź: A

Rozwiązanie

Wyrażenie cos⁡2α−sin⁡2α\cos^2\alpha-\sin^2\alpha to wzór na cos⁡2α\cos2\alpha. Tu α=π8\alpha=\frac\pi8, więc 2α=π42\alpha=\frac\pi4:

cos⁡2π8−sin⁡2π8=cos⁡π4=22.\cos^2\frac\pi8-\sin^2\frac\pi8=\cos\frac\pi4=\frac{\sqrt2}{2}.

Trik: nie liczymy cos⁡π8\cos\frac\pi8 wcale, tylko rozpoznajemy wzór.

Odpowiedź A

Zadanie 5 (1 pkt)

Liczba rozwiązań równania sin⁡x=32\sin x=\frac{\sqrt3}{2} w przedziale ⟨0,2π⟩\langle0,2\pi\rangle jest równa

  1. 11
  2. 33
  3. 22
  4. 44

Odpowiedź: C

Rozwiązanie

x=π3x=\frac\pi3 lub x=2π3x=\frac{2\pi}3: dwa rozwiązania.

Odpowiedź C

Zadanie 6 (2 pkt)

Rozwiąż równanie cos⁡x=−12\cos x=-\frac12.

Odpowiedź: x=2π3+2kπ ∨ x=−2π3+2kπx=\frac{2\pi}{3}+2k\pi\ \lor\ x=-\frac{2\pi}{3}+2k\pi, k∈Zk\in\mathbb{Z}

Rozwiązanie

x0=2π3x_0=\frac{2\pi}3, więc x=±2π3+2kπx=\pm\frac{2\pi}3+2k\pi, k∈Zk\in\mathbb{Z}.

x=±2π3+2kπx=\pm\frac{2\pi}{3}+2k\pi

Zadanie 7 (2 pkt)

Rozwiąż równanie tg⁡x=3\operatorname{tg}x=\sqrt3.

Odpowiedź: x=π3+kπx=\frac\pi3+k\pi, k∈Zk\in\mathbb{Z}

Rozwiązanie

Krok 1: szukamy jednego kąta, dla którego tg⁡x=3\operatorname{tg}x=\sqrt3. Z tabeli: tg⁡60∘=3\operatorname{tg}60^\circ=\sqrt3, czyli x=π3x=\frac\pi3.

Krok 2: tangens ma okres π\pi, więc te same wartości wracają co π\pi. Dopisujemy kπk\pi:

x=π3+kπ,k∈Z.x=\frac\pi3+k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}.

Pułapka: dla tangensa dopisujemy kπk\pi, a nie 2kπ2k\pi jak przy sinusie.

x=π3+kπx=\frac\pi3+k\pi

Zadanie 8 (4 pkt)

Rozwiąż równanie sin⁡2x=cos⁡x\sin2x=\cos x w przedziale ⟨0,2π⟩\langle0,2\pi\rangle.

Odpowiedź: x∈{π6,π2,5π6,3π2}x\in\left\{\frac\pi6,\frac\pi2,\frac{5\pi}6,\frac{3\pi}2\right\}

Rozwiązanie

2sin⁡xcos⁡x−cos⁡x=0⇒cos⁡x(2sin⁡x−1)=02\sin x\cos x-\cos x=0\Rightarrow\cos x(2\sin x-1)=0.

  • cos⁡x=0\cos x=0: x=π2x=\frac\pi2 lub x=3π2x=\frac{3\pi}2,
  • sin⁡x=12\sin x=\frac12: x=π6x=\frac\pi6 lub x=5π6x=\frac{5\pi}6.
x∈{π6,π2,5π6,3π2}x\in\left\{\frac\pi6,\frac\pi2,\frac{5\pi}6,\frac{3\pi}2\right\}

Zadanie 9 (4 pkt)

Rozwiąż równanie 2cos⁡2x−3cos⁡x+1=02\cos^2x-3\cos x+1=0 w przedziale ⟨0,2π⟩\langle0,2\pi\rangle.

Odpowiedź: x∈{0,π3,5π3,2π}x\in\left\{0,\frac\pi3,\frac{5\pi}3,2\pi\right\}

Rozwiązanie

t=cos⁡xt=\cos x: 2t2−3t+1=02t^2-3t+1=0, Δ=1\Delta=1, t=1t=1 lub t=12t=\frac12.

  • cos⁡x=1\cos x=1: x=0x=0 lub x=2πx=2\pi,
  • cos⁡x=12\cos x=\frac12: x=π3x=\frac\pi3 lub x=5π3x=\frac{5\pi}3.
x∈{0,π3,5π3,2π}x\in\left\{0,\frac\pi3,\frac{5\pi}3,2\pi\right\}

Zadanie 10 (2 pkt)

Rozwiąż nierówność sin⁡x≥12\sin x\ge\frac12 w przedziale ⟨0,2π⟩\langle0,2\pi\rangle.

Odpowiedź: x∈⟨π6,5π6⟩x\in\left\langle\frac\pi6,\frac{5\pi}6\right\rangle

Rozwiązanie

Wykres sin⁡x\sin x leży nad prostą y=12y=\frac12 (lub na niej) między π6\frac\pi6 a 5π6\frac{5\pi}6.

x∈⟨π6,5π6⟩x\in\left\langle\frac\pi6,\frac{5\pi}6\right\rangle

Zadanie 11 (2 pkt)

Wykaż, że dla każdego kąta α\alpha zachodzi (sin⁡α+cos⁡α)2=1+sin⁡2α(\sin\alpha+\cos\alpha)^2=1+\sin2\alpha.

Odpowiedź: sin⁡2α+cos⁡2α+2sin⁡αcos⁡α=1+sin⁡2α\sin^2\alpha+\cos^2\alpha+2\sin\alpha\cos\alpha=1+\sin2\alpha.

Rozwiązanie

(sin⁡α+cos⁡α)2=sin⁡2α+2sin⁡αcos⁡α+cos⁡2α=1+sin⁡2α(\sin\alpha+\cos\alpha)^2=\sin^2\alpha+2\sin\alpha\cos\alpha+\cos^2\alpha=1+\sin2\alpha. ∎

Zadanie 12 (4 pkt)

Rozwiąż równanie cos⁡2x+3sin⁡x=2\cos2x+3\sin x=2.

Odpowiedź: x=π2+2kπ ∨ x=π6+2kπ ∨ x=5π6+2kπx=\frac\pi2+2k\pi\ \lor\ x=\frac\pi6+2k\pi\ \lor\ x=\frac{5\pi}6+2k\pi, k∈Zk\in\mathbb{Z}

Rozwiązanie

1−2sin⁡2x+3sin⁡x−2=0⇒2sin⁡2x−3sin⁡x+1=01-2\sin^2x+3\sin x-2=0\Rightarrow2\sin^2x-3\sin x+1=0, t=sin⁡xt=\sin x: t=1t=1 lub t=12t=\frac12.

  • sin⁡x=1\sin x=1: x=π2+2kπx=\frac\pi2+2k\pi,
  • sin⁡x=12\sin x=\frac12: x=π6+2kπx=\frac\pi6+2k\pi lub x=5π6+2kπx=\frac{5\pi}6+2k\pi.
x∈{π2+2kπ, π6+2kπ, 5π6+2kπ: k∈Z}x\in\left\{\frac\pi2+2k\pi,\ \frac\pi6+2k\pi,\ \frac{5\pi}6+2k\pi:\ k\in\mathbb{Z}\right\}

Inne tematy: Miara łukowa, dowolny kąt i wykresy funkcji trygonometrycznych