Реферат: «средняя общеобразовательная школа №20» по алгебре и началам анализа тригонометрические уравнения в школьном курсе
Название: «средняя общеобразовательная школа №20» по алгебре и началам анализа тригонометрические уравнения в школьном курсе Раздел: Остальные рефераты Тип: реферат | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 20» РЕФЕРАТ ПО АЛГЕБРЕ И НАЧАЛАМ АНАЛИЗА Тригонометрические уравнения в школьном курсе алгебры Ф.И.О. учащегося Клинцова Елизавета Класс 11А Руководитель К озак Татьяна Ивановна, учитель математики I категории пгт. Прогресс 2007 год Содержание
Метод решения хорош, если с самого начала мы можем предвидеть – и впоследствии подтвердить это, – что следуя этому методу, мы достигнем цели. Лейбниц Введение Тригонометрия, как и любая научная дисциплина, возникла из потребностей практической деятельности человека. Тригонометрия изучает важный класс функций – так называемых тригонометрических, а также их применение в геометрии. Само название "тригонометрия" греческого происхождения, обозначающие "измерение треугольника": τρі γωνоν (тригонон) – треугольник, μετρειω (метрейн) – измерение, показывает что этот раздел математики связан с задачами решения треугольников, т. е. с задачами нахождения одних элементов треугольника по другим его известным элементам. Исторически тригонометрия и возникла из таких задач, но ими далеко не исчерпывается широкое применение тригонометрических функций в самых различных разделах математики, естествознания и техники. В школьном курсе математики знакомство с тригонометрией начинается в 8 классе на уроках геометрии, когда вводится понятие синуса, косинуса, тангенса и котангенса острого угла прямоугольного треугольника. Затем идёт расширение этого вопроса, и мы уже знакомимся с понятием синуса, косинуса, тангенса и котангенса произвольного угла. Рассматриваются теоремы синуса и косинуса, позволяющие решать треугольники. На уроках алгебры в 9 классе помимо этих понятий мы рассматриваем ряд формул, позволяющих преобразовывать тригонометрические выражения; находить их значения; вычислять значения тригонометрических функций по заданному значению одной из функций и другие вопросы, связанные с тригонометрией. В курсе алгебры и начала анализа в 10 классе начинается изучение темы «Решение тригонометрических уравнений и неравенств». На уроках мы рассмотрели приёмы решения тригонометрических уравнений и неравенств, но их оказалось немного. Я задумалась над тем, а есть ли другие приёмы решения тригонометрических уравнений. И выбирая в 11 классе экзамен по выбору, я решила исследовать этот вопрос и попытаться выяснить: что же предлагает (по типам) школьный курс алгебры и начал анализа, выпускной экзамен за курс средней полной школы. Итак, цель моей работы: ¨ систематизировать, обобщить, расширить знания и умения, связанные с решением тригонометрических уравнений. Задачи: · повторить решение простейших тригонометрических уравнений; · провести классификацию тригонометрических уравнений, предлагаемых в школьном курсе алгебры и начал анализа; · рассмотреть тригонометрические уравнения, предлагаемые на выпускном экзамене. Используемы методы: ¨ научный (изучение литературы); ¨ исследовательский. 1. История тригонометрии 1.1 История тригонометрии как науки Зарождение тригонометрии относится к глубокой древности. Еще за долго до новой эры вавилонские ученые умели предсказывать солнечные и лунные затмения. Это позволяет сделать вывод о том, что им были известны некоторые простейшие сведения из тригонометрии. Постепенно в геометрии и астрономии установились понятия синуса, косинуса, тангенса угла.
Эти таблицы являются таблицами значений удвоенного синуса половины соответствующего центрального угла. В них были даны значения хорд для всех углов (через каждые пол градуса) от 0° до 180°. Однако надо иметь в виду, что в древней Греции тригонометрия не выделялась в самостоятельную науку" а считалась частью астрономии. Важный вклад в развитие тригонометрии был внесен индийской математикой в период V-X1I в. н.э. Индийские математики стали вычислять не полную хорду, как это делали греки, а ее половину (то есть "линию синусов"). Линия синусов именовалась ими "архаджива", что буквально означало “половина тетивы лука”. Индийцы составили таблицу синусов, в которой были даны значения полухорд, измеренных частями (минутами) окружности для всех углов от 0° до 90° (через каждые 3°45'). Эти таблицы были точнее таблиц Птолемея.
В XV-XVII в. в Европе было составлено и издано несколько тригонометрических таблиц. Над их составлением работали крупнейшие ученые: Н. Коперник (1473-1543), И. Кеплер (1571-1630), Ф. Виет (1540-1603) и др. В России первые тригонометрические таблицы были изданы в 1703 г. при участии Л.Ф. Магницкого. Таким образом, тригонометрия возникла на геометрической основе, имела геометрический язык и применялась к решению геометрических задач. Развитие алгебраической символики позволило записывать тригонометрические соотношения в виде формул; применение отрицательных чисел позволило рассматривать направленные углы и дуги и распространить понятие тригонометрических линий (определенных отрезков в круге) для любых углов. В этот период создалась база для изучения тригонометрических функций как функций числового аргумента, основа аналитической теории тригонометрических (круговых) функций. Аналитический аппарат, позволяющий вычислять значения тригонометрических функций с любой степенью точности, был разработан Ньютоном. Современный вид тригонометрия получила в трудах великого ученого, члена Российской академии наук Л. Эйлера (1707-1783). Эйлер стал рассматривать значения тригонометрических функций как числа – величины тригонометрических линий в круге, радиус которого принят за единицу ("тригонометрический круг" или "единичная окружность"). Эйлер дал окончательное решение о знаках тригонометрических функций в разных четвертях, вывел все тригонометрические формулы из нескольких основных, установил несколько неизвестных до него формул, ввел единообразные обозначения. Именно в его трудах впервые встречаются записи sin α, cos α, tg α, ctg α. Он также открыл связь между тригонометрическими и показательной функциями от комплексного аргумента. На основании работ Л. Эйлера были составлены учебники тригонометрии, излагавшие ее в строгой научной последовательности. Аналитическое (не зависящее от геометрии) построение теории тригонометрических функций, начатое Эйлером, получило завершение в трудах великого русского ученого Н.И. Лобачевского. 1.2 Тригонометрия как учебный предмет Тригонометрия состоит их двух различных частей: а) первой (ее обычно называют гониометрией) – части математического анализа, где независимо от геометрических соображений аналитически раскрывается учение о трансцендентных тригонометрических функциях с их свойствами; б) второй – собственно тригонометрии, где соединяются математический анализ и геометрия того или иного пространства. В XVIII в., и особенно в XIX в., в связи с бурным развитием дифференциального исчисления, возникает новый предмет – математический анализ, и тригонометрия становится его составной частью. А учебный предмет тригонометрия с его первоначальной геометрической основой продолжает существовать самостоятельно. То есть возникают два направления учебного предмета тригонометрии: аналитическое решение треугольников и изучение свойств круговых (тригонометрических) функций. В 1848 г. академик М.В. Остроградский предложил систему индуктивного изучения тригонометрии: а) сначала (в младших классах) изучается тригонометрия острого угла как учение о вычислительных приемах решения треугольников и фигур, сводимых к ним; б) затем (в старших классах) обобщаются понятия тригонометрии острого угла, то есть излагаются основы теории тригонометрических функций любого действительного аргумента. С тех пор эта система успешно применялась в отечественной методике обучения тригонометрии в школе 1.3 Тригонометрия в школе до 1966 года Основательное изучение тригонометрии начиналось очень рано, уже в 14 лет. В Программе 1921 г. предписывалось во втором полугодии 7-го класса (2 часа в неделю) изучить раздел "Тригонометрия". Изучение тригонометрического материала в семилетней школе было нацелено, прежде всего, на освоение практических методов решения определенных вычислительных геометрических задач, на расширение возможности вычисления элементов треугольников – на тригонометрию треугольника. При этом раннее введение тригонометрии треугольников существенно повышало требования к числовой культуре школьника и, прежде всего, требовало знания элементов теории приближений и измерений. Несколько позже, уже в программе средней десятилетней школы (например, в программе 1949 г.), начало изучения тригонометрии перемещается в курс геометрии 8-го класса, а в 7-м классе, также в курсе геометрии, обращается особое внимание (в пояснительной записке замечено даже "в особенности в сельских школах") на необходимость проведения измерительных работ на местности: провешивание линий, промер линий, проведение перпендикуляров эккером, измерение углов, определение расстояний и высот. Тем самым, с одной стороны, серьезно усиливался прикладной характер изучаемого в массовой школе математического материала, а с другой – создавалась хорошая опора для изучения формального материала курса тригонометрии. А вот в 9-м классе (десятилетней школы) данной программы тригонометрия начинает обретать черты отдельной школьной дисциплины. Внимание сосредотачивается на четырех тригонометрических функциях: синус, косинус, тангенс и котангенс. Секанс и косеканс даются в ознакомительном порядке. В 10-м классе предусматривается "решение косоугольных треугольников, основанное на теоремах синусов, косинусов и тангенсов с применением в соответствующих случаях различных таблиц". Роль тригонометрического материала в школьном образовании оценивалась столь высоко, что до 1966 г. в 9-х и 10-х классах изучалась отдельная дисциплина "Тригонометрия", на которую выделяли 2 часа в неделю. Этот курс изучался параллельно с курсом алгебры. Для этой дисциплины был подготовлен и введен отдельный учебник (С. И. Новоселов "Тригонометрия. Учебник для 9-10 классов средней школы, выдержавший десять изданий). Учебник тригонометрии предназначался для старшей ступени обучения, то есть для тех школьников, кто планировал поступать в высшие учебные заведения страны. Тригонометрическим уравнениям уделялось совсем немного внимания. В учебнике рассматривались простейшие тригонометрические уравнения, способ приведения к одной функции, способ разложения на множители и иллюстрировались возможности потери решений и появления посторонних решений при выполнении преобразований. Вместе с тем выделялся целый параграф, посвященный приближенным решениям тригонометрических уравнений. 1.4 Тригонометрия в школе после 1966 года Начиная с середины шестидесятых годов в ходе подготовки и осуществления реформы школьного математического образования, получившей в дальнейшем название "реформа А.Н. Колмогорова", отношение к тригонометрии стало меняться и со временем изменилось принципиально. Прежде всего, это выразилось в изменении программных целей изучения данного раздела науки в школе. В программах основной школы семидесятых годов (например, в программе 1978 г. для десятилетней школы) о начале изучения такого специфического раздела математики, как тригонометрия, даже не упомянуто. Просто в пояснении к отдельным темам сказано, что в 8-м классе изучаются четыре темы, одна из которых "Поворот и тригонометрические функции". Тригонометрия утратила свое значение как отдельная школьная дисциплина и стала просто одним из многих разделов курса математики, который надлежало осваивать в силу того простого факта, что вопросы тригонометрии «традиционно» присутствовали в школьных программах и учебниках. Обучение проводилось по учебнику Е.С. Кочеткова, Е.С. Кочетковой. В поддержку этого учебника был издан сборник задач А.И. Худобина, Н.И. Худобина, М.Ф. Шуршалова. Но эти учебник и задачник переходного периода проработали в школе менее 10 лет. Вскоре им на смену пришел учебник "Алгебра и начала анализа. Учебное пособие для 9 и 10 классов средней школы" (1975) под редакцией А.Н. Колмогорова. В нем тригонометрия изучалась в конце 9-го в начале 10-го классов. Формально содержание обучения в целом было сохранено и даже расширено. Здесь вводилось радианное измерение угловых величин, тригонометрические функции и их свойства, формулы сложения, производные и исследование тригонометрических функций, тригонометрические уравнения и неравенства. В дальнейшем, после перехода к одиннадцатилетней школе, тригонометрический материал в основной ступени был значительно усилен. 1.5 Тригонометрия в современной школе К концу XX в. в примерных программах основного общего образования объем рекомендуемого к изучению в массовой школе тригонометрического материала заметно сократился. Например, в программе подготовленной Г.М. Кузнецовой в 1998 г. предлагается рассмотреть в основной школе: 1. в курсе алгебры - синус, косинус, тангенс и котангенс произвольного угла, основные тригонометрические тождества, формулы приведения; 2. в курсе геометрии - синус, косинус, тангенс и котангенс острого угла, решение прямоугольных треугольников, метрические соотношения между элементами произвольного треугольника: теорема синусов и теорема косинусов. В старшей ступени обучения для общеобразовательных классов тригонометрические формулы сложения и их следствия, тождественные преобразования тригонометрических выражений получили статус необязательного материала. Оставлены лишь тригонометрические функции числового аргумента, свойства и графики тригонометрических функций. А более серьезные вопросы тригонометрии отнесены к программам повышенного уровня. Но и здесь преобразование суммы тригонометрических функций в произведение и произведения в сумму отнесено к необязательному материалу. Таким образом, после 1966 г. тригонометрический материал стал постепенно «выжиматься» не только из основной школы, но и из курса старшей ступени обучения для общеобразовательных классов. Введение всеобщего и обязательно десятилетнего образования в 1966 г. и последовавший затем переход к «знаниевой» педагогике принципиально изменили ситуацию, прежде всего в старшей и основной ступенях. Возникло две проблемы. Во-первых, это проблема обучения всех детей в течение одиннадцати лет одному и тому же содержанию. Разные способности детей не дают возможности качественно решить эту проблему, если не признать необходимость принципиально понизить уровень среднего образования. Отсюда и все споры вокруг стандартов, и учебная перегрузка детей, и отвращение многих из них к математике как к наиболее формализованному учебному предмету. А тригонометрические функции действительного аргумента в курсе математики по части формализации занимают не последнее место. Отсюда и стремление исключить этот материал из обязательного минимума содержания образования. Одновременно с этим тригонометрический материал традиционно популярен при проведении всевозможных конкурсов, олимпиад и при отборе математически одаренных учащихся, поскольку он чрезвычайно удобен для усложнения заданий. Другими словами, тригонометрический материал, теряя свое общеобразовательное значение в представлениях некоторых специалистов в области методики обучения математике, на практике все больше обретает характер селективного инструмента. Соответственно возрастает потребность определенной части учащихся и их родителей в хорошей организации обучения этому разделу в школьный период обучения. По крайней мере, к этой части учащихся можно отнести тех, кто заинтересован в продолжении обучения в учреждениях среднего и высшего профессионального образования. А в настоящее время это не менее половины выпускников. Таким образом, вторая проблема – подготовка в массовой школе одаренных в академическом смысле детей к поступлению и обучению в вузе. До шестидесятых годов такие понятия как «репетитор», «факультатив», «класс (школа) с углубленным изучением предмета» и т.п. не были известны школьным работникам и их родителям. Действительно, поскольку только половина детей переходили на обучение в старшую ступень, а в ней допускалось отчисление за неуспеваемость, то необходимости понижать уровень образования в старшей ступени даже не возникало. В так организованной школе добравшийся до выпуска школьник в основном был весьма серьезно обучен и имел широкий кругозор. В семидесятых-восьмидесятых годах стали возникать классы, а затем и школы с углубленным изучением какого-либо предмета, в девяностых – лицеи и гимназии. В общеобразовательных классах, и в классах с углубленным изучением того или иного предмета или цикла предметов освоение опыта «создания» фрагмента науки, безусловно, должно присутствовать. А тригонометрия для этого, как и прежде, наиболее естественный раздел школьной математики. 2. Тригонометрические уравнения в школьном курсе алгебры 2.1 Простейшие тригонометрические уравнения Уравнением называется равенство, содержащее переменную. А уравнения, в которых неизвестные содержатся под знаком тригонометрических функций, называются тригонометрическими уравнениями. Решением уравнения с неизвестным х называют число хо , при подстановке которого в уравнение вместо х получается верное числовое равенство. Отличительная особенность тригонометрических уравнений – бесконечное множество корней. Эта особенность связана с характерным свойством тригонометрических функций – периодичностью. Решить уравнение – это значит найти все его решения или показать, что их нет. Решение любого уравнения: сводится к стандартному виду. Путем преобразований линейные уравнения сводят к виду ах = в, квадратные – к виду ax2 + вx + c =0. Необходимость классификации уравнений вызывается невозможностью найти общий метод их решения. Известно, что целые алгебраические уравнения со времен Декарта (1596-1650) классифицируются по степени уравнения. Чем выше степень таких уравнений, тем сложнее взаимная связь неизвестного с коэффициентами уравнения и тем труднее выразить это неизвестное через коэффициенты. В тригонометрии предпринимались попытки создавать свою специфическую классификацию. Пример такой классификации, содержащей восемь типов тригонометрических уравнений, приводится в пособии И.К. Андронова, А.К. Окунева «Курс тригонометрии». Классифицировать тригонометрические уравнения по степени не имеет большого смысла, так как тригонометрические уравнения допускают повышение и понижение степени за счет использования формул половинного и двойного аргумента. Очевидно, что классифицировать тригонометрические уравнения имеет смысл с опорой на методы их решения. Здесь я попытаюсь показать, с какими методами решения тригонометрических уравнений мы сталкиваемся в учебнике для 10-11 классов общеобразовательных учреждений «Алгебра и начала анализа» под редакцией А. Н. Колмогорова (2001 г.). Решение тригонометрических уравнений выполняется в большинстве случаев (с помощью различных преобразований) путём сведения их к простейшим тригонометрическим уравнениям. Поэтому и работу с тригонометрическими уравнениями естественно начинать с простейших тригонометрических уравнений. Уравнение f ( x ) = а, где а – данное число, а f ( x ) – одна из основных тригонометрических функций, называют простейшим тригонометрическим уравнением. В школьном курсе рассматриваются следующие простейшие тригонометрические уравнения: sin t = a , cos t = a , tg t = a , ctg t = a . Рассмотрим, при каких значениях а простейшие тригонометрические уравнения разрешимы (имеют решения) и как правильно находить все решения таких уравнений. А) Уравнение sin t = a . Так как множество значений функции у =
sinx
– отрезок [– 1; 1], то уравнение sin
t
=
a
разрешимо только в том случае, когда |а| ≤ 1.
И тогда решение данного уравнения находится по формуле: t
= (– 1)
n
arcsin
a
+ π
n
, где
n
Î
Z
. Соответственно, если |а| > 1,
то уравнение не имеет действительных корней. Это обстоятельство следует хорошо помнить, т. к. забывая об этом, часто допускают ошибки. Например, при решении уравнения sin
t
=
Если а = – 1; 0; 1, то рассматривают частные случаи решения данного уравнения. При а = – 1 х = а = 0 х = π n , где n Î Z ; а = 1 х = Б) Уравнение cos t = a . Это уравнение имеет решения тогда и только тогда, когда |а| ≤ 1. Если это условие выполнено, то все решения уравнения cos t = a записываются в виде: t = ± arccos а + 2π n , где n Î Z . Соответственно, если |а| > 1, то уравнение не имеет действительных корней. Если а = – 1; 0; 1, то также рассматривают частные случаи решения данного уравнения. При а = – 1 х = а = 0 х = а = 1 х = В) Уравнение tg t = a . Данное уравнение имеет решения при любом значении а Î (– µ ; µ ). Все решения уравнения задаются формулой t = arctg а + π n , где n Î Z . Частные случаи здесь не рассматривают. Г) Уравнение с tg t = a . Данное уравнение имеет решения при любом значении а Î (– µ ; µ ) . Все решения уравнения задаются формулой t = ar с ctg а + π n , где n Î Z . Частные случаи здесь также не рассматривают. Ряд уравнений путём элементарных преобразований: перенос слагаемых из одной части уравнения в другую, деление обеих частей уравнения на одно и тоже число, отличное от нуля, также очень легко сводятся к простейшим. При решении простейших тригонометрических уравнений вида А sin (вх + с) = d , А cos (вх + с) = d , А tg (вх + с) = d , А ctg (вх + с) = d следует обратить внимание на то, что они приводятся к виду sin (вх + с) = а, cos (вх + с) = а, tg (вх + с) = а, ctg (вх + с) = а. Сведение тригонометрических уравнений к простейшим тригонометрическим уравнениям выполняется различными способами. Первоначально надо рассмотреть тригонометрические уравнения, в которых под знаком тригонометрических функций стоит более сложное выражение, зависящее от х. для решения таких уравнений можно обозначить выражение, стоящее под знаком тригонометрической функции, одной буквой; решить простейшее тригонометрическое уравнение, а потом найти х, решая алгебраическое уравнение. К таким уравнениям относятся уравнения:
Покажу на примерах, как решаются такие уравнения с применением выше указанных формул. № 136(б). с os x = – , х = ± arccos (– ) + 2π n , n Î Z , х =
±
Ответ: х =
±
№ 139(б). 2 sin x +
2 sin x = –
sin x = –
х
= (– 1)n
arcsin (–
х = (– 1)
n
+ 1
Ответ: х = (– 1)
n
+ 1
№ 144(г). ctg (– ) = 1, – ctg = 1, ctg = – 1, = ar с ctg (– 1) + π n , n Î Z , = х = Ответ: х = № 145(в).
tg (
х = 3π n , n Î Z . Ответ: х = 3π n , n Î Z . Проблема решения тригонометрических уравнений состоит не в большом количестве разнообразных формул, а в выборе направления, по которому необходимо двигаться для решения уравнения. Первый шаг на пути решения тригонометрического уравнения – это попытка отнести его к какому-либо типу, и если это удаётся, то применить характерный для данного типа уравнения приём. Рассмотрим основные типы уравнений, предлагаемых в школьном учебнике под редакцией А. Н. Колмогорова. В учебном пособии приёмы решения тригонометрических уравнений не конкретизируются, а рассматриваются на нескольких конкретных примерах. Для решения тригонометрических уравнений чаще всего используется два метода: введения новой переменной и разложения на множители. Одним из самых общих методов решения тригонометрических уравнений является сведение тригонометрического уравнения к алгебраическому относительно одной тригонометрической функции с использованием тригонометрических формул: cos
2
х = 1 –
sin
2
х,
sin
2
х = 1 –
cos
2
х, Уравнения вида sin ах ± sin вх = 0, cos ах ± cos вх = 0 решаются заменой суммы (разности) синусов и косинусов произведением. Часто, особенно при решении квадратного уравнения относительно одной из тригонометрических функций, используется метод введения новой переменной. Интерес вызывают и уравнения, сводимые к однородным: а × sin х + в × с os x = 0, а × sin 2 х + в × sin х × с os x + с × с os 2 x = 0 2.2 Тригонометрические уравнения, сводящиеся к квадратным Сведение тригонометрического уравнения к алгебраическому относительно одной тригонометрической функции – один из самых общих методов решения тригонометрических уравнений. В этом разделе рассмотрим уравнения, которые после введения нового неизвестного t = f ( x ), где f ( x ) – одна из основных тригонометрических функций, превращаются в квадратные. К таким уравнениям можно отнести уравнения вида: asin 2 x + в sin x + c = 0, а cos 2 x + в sin x + c = 0 и т. д. Но в большинстве случаев приходится исходное уравнение преобразовать так, чтобы оно приобрело нужный вид. Для этого чаще всего используется основное тригонометрическое тождество sin 2 х + cos 2 х = 1. В учебнике это: № 164, 165, 166, 167, 168(б, г), 171(б, г). Покажу на примерах, как решаются такие уравнения. №164( а ). 2 sin 2 x + sin х – 1 = 0. Введём новую переменную: t = sin х. Тогда данное уравнение можно записать в виде: 2 t 2 + t – 1 = 0. это квадратное уравнение. Его корни: t 1 = – 1; t 2 = . Тогда sin х = –1 и sin х = – . Решим каждое из получившихся простейших уравнений. 1) sin х = –1 (это частный случай), х = 2) sin х = – , х = (– 1)n arcsin (– ) + π k, k Î Z, х
= (– 1)k + 1
Ответ: х
n
=
№ 166( в ). 4 с os x = 4 – sin2 x, 4 с os x = 4 – (1 – cos2 x), 4 с os x = 4 – 1 + cos2 x, cos 2 x – 4с os x + 3 = 0. Пусть cos x = t, тогда t2 – 4 t + 3 = 0. Так как а + в + с = 0, то t 1 = 1, t 2 = 3. Если t = 1, то cos x = 1, х = 2π n , n Î Z . Если t = 3, то cos x = 3, корней нет, т.к. 3 Ï [– 1; 1]. Ответ: х = 2π n , n Î Z . № 16 7 ( б ). tg x – 2 ctg x + 1 = 0. Применим формулу: Получим:
tg
x
– 2
×
Пусть tg x = t, тогда t – + 1 = 0, t 2 + t – 2 = 0 (при условии t ≠ 0 ), Так как а + в + с = 0, то t 1 = 1, t 2 = – 2. Если t = 1, то tg x = 1, х = arctg 1 + π n , n Î Z , х
n
= Если t = – 2, то tg x = – 2, х = arctg (– 2) + π k , k Î Z , xk = – arctg 2 + π k , k Î Z . Ответ: х
n
=
2.3 Однородные уравнения Здесь я рассмотрю довольно часто встречающиеся на практике тригонометрические уравнения специального вида. Рассмотрим уравнения вида ао × sinn х + a 1 × sinn – 1 х × с os x + a 2 × sinn – 2 х × с os 2 x + … + a n × с os n x = 0, где ао , a 1 , a 2 , …, a n – действительные числа. Здесь в каждом слагаемом сумма показателей степеней синуса и косинуса левой части уравнения одна и та же и равна n. Такое уравнение называется однородным относительно sin х и с os x , а число n называют показателем однородности. Рассмотрим более подробно однородные уравнения с показателями однородности 1 и 2, т.к. в школьном курсе алгебры рассматриваются только такие однородные уравнения. I ) Сначала скажу о решении однородных тригонометрических уравнений первой степени, причём рассмотрю только самый общий случай, когда оба коэффициента а и в отличны от нуля, т. к., если а = 0, то уравнение принимает вид в × с os x = 0, т. е. с os x = 0 – такое уравнение отдельного обсуждения не заслуживает; аналогично при в = 0 получаем sin х = 0, что тоже не требует отдельного обсуждения. Итак, при n = 1 имеем уравнение а × sin х + в × с os x = 0 – это однородное уравнение первой степени, где а ≠ 0, в ≠ 0. Разделив обе части уравнения почленно на с os x , получим уравнение равносильное данному: а × tg x + в = 0 или tg x = – , откуда х = – arctg + π n , n Î Z . Необходимо помнить, что делить обе части уравнения на одно и то же выражение можно только в том случае, когда мы уверены, что это выражение нигде не обращается в нуль (на 0 делить нельзя!). Мы должны быть уверены в том, что с os x отличен от нуля. Предположим, что с os x = 0. Тогда однородное уравнение а × sin х + в × с os x = 0 примет вид а × sin х = 0, т. е. sin х = 0 (ведь у нас коэффициент а отличен от нуля). Получается, что и с os x = 0, и sin х = 0, а это невозможно, т. к. sin х и с os x обращаются в нуль в различных точках. Итак, в однородном тригонометрическом уравнении первой степени деление обеих частей уравнения на с os x – вполне благополучная операция. Уравнения вида а × sin m х + в × с os mx = 0 тоже называют однородными тригонометрическими уравнениями первой степени. Для их решения обе части уравнения делят на с os mx . II ) Рассмотрим теперь однородное тригонометрическое уравнение второй степени. При n = 2 имеем однородное уравнение вида а × sin 2 х + в × sin х × с os x + с × с os 2 x = 0. Если коэффициент а отличен от нуля, т. е. в уравнении содержится член sin 2 х с каким-то коэффициентом, рассуждая как и выше, нетрудно убедиться в том, что при интересующих нас значениях переменной с os x не обращается в нуль, а потому можно обе части уравнения разделить почленно на с os 2 x . Что это даст? Мы получим уравнение равносильное данному уравнению: а × tg 2 x + в × tg x + с = 0. Далее решение уравнения сводится к решению квадратного уравнения относительно tg x . Таким методом решаются следующие номера из учебника: № 169, 170(а,г), III ) Пусть теперь в однородном тригонометрическом уравнении а × sin 2 х + в × sin х × с os x + с × с os 2 x = 0 коэффициент а равен 0, т. е. отсутствует член sin 2 х. Тогда уравнение принимает вид: в × sin х × с os x + с × с os 2 x = 0. Это уравнение можно решить разложением на множители: с os x (в × sin х + с × с os x ) = 0, с os x = 0 или в × sin х + с × с os x = 0. Получилось два уравнения, о решении которых говорилось выше. Аналогично обстоит дело и в случае, когда с = 0, т. е. когда однородное уравнение имеет вид а × sin 2 х + в × sin х × с os x = 0 (здесь можно вынести за скобки sin х ). Фактически получился алгоритм решения уравнения а × sin 2 х + в × sin х × с os x + с × с os 2 x = 0: 1) Посмотреть есть ли в уравнении член а sin 2 х. 2) Если член а sin 2 х в уравнении содержится (т. е. а ≠ 0 ), то уравнение решается делением обеих его частей на с os 2 x и последующим введение новой переменной t = tg x . 3) Если член а sin 2 х в уравнении не содержится (т. е. а = 0 ), то уравнение решается методом разложения на множители: за скобки выносят с os x . Также дело обстоит и в однородных уравнениях вида: а × sin 2 m х + в × sin m х × с os mx + с × с os 2 mx = 0. В учебнике для 10-11 классов к этому типу уравнений относится немного уравнений: №169, №170(а, г), №171(в), №172(а, в). Хочется отметить, что некоторые уравнения, не являющиеся однородными, могут быть сведены к однородным после соответствующих преобразований. №170(а). 4 sin 2 х – sin 2 x = 3. Применим формулы: sin 2 x = 2 sin x cos x , sin 2 х + с os 2 x = 1 . Получим: 4sin2 х – 2sin x cos x = 3(sin2 х + с os2 x), 4 sin 2 х – 2 sin x cos x – 3 sin 2 х – 3с os 2 x = 0, sin2 х – 2sin x cos x – 3 с os2 x = 0. Это однородное уравнение 2-ой степени. Разделим его на с os 2 x tg 2 х – 2 tg х – 3 = 0. Пусть tg х = t , тогда: t 2 – 2 t – 3 = 0. Так как а + с = в, то t 1 = – 1, t 2 = 3. Если t = – 1 , то tg х = – 1, х = arctg (– 1) + π n , n Î Z , х
n
=
–
Если t = 3 , то tg х = 3, xk = arctg 3 + π k, k Î Z. Ответ: х
n
= –
№171(а). 2
sin
2
х = Применим формулу sin 2 x = 2 sin x cos x . 2sin2
х
–
2sin x(sin x –
2sin x = 0
или
sin x –
sin x = 0 tg
х
=
х
n
= πn, n
Î
Z xk
= arctg
xk
=
Ответ: х
n
= πn, n
Î
Z, xk
=
2.4 Уравнения, решаемые разложением на множители Как уже было сказано выше, одним из наиболее часто применяемых методов решения тригонометрических уравнений является метод разложения на множители. Поговорим теперь о нём. Смысл этого метода таков: если уравнение f (х) = 0 возможно преобразовать к виду f 1 ( x ) × f 2 ( x ) = 0, то задача сводится к решению двух уравнений (обычно говорят – к решению совокупности уравнений): f 1 ( x ) = 0; f 2 ( x ) = 0. Этим методом целесообразно решать уравнения из № 168(а, б), 170(б, в), 171(а), 172(г), 173(а, г), 174. Но хочется заметить, что решая №171(а) и №173(а), мы придём к решению однородных уравнений первой степени. №168(в).
tg
x
( tg x = 0
или х
= arctg 0 +
π
n, n
Î
Z
х
n
=
π
n, n
Î
Z tg x =
х
= arctg
х
k
=
Ответ: х
n
=
π
n, n
Î
Z,
х
k
=
№170(в). sin 2х – с os x = 0, 2 sin х × с os x – с os x = 0, с os x (2 sin х – 1) = 0, с os x = 0 или 2 sin х – 1 = 0, х n = 2π n , n Î Z 2 sin х = 1, sin х = , х
k
= (– 1)
k
×
Ответ: х
n
= 2π
n
,
n
Î
Z
, х
k
= (– 1)
k
×
№174(г). с os 3 x + с os x = 4с os 2 x , 2с os × с os = 4с os 2 x , с os 2 x × с os x – 2с os 2 x = 0, с os 2 x (с os x – 2) = 0, с os 2 x = 0 или с os x – 2 = 0, 2х = 2π n , n Î Z с os x = 2, х = π n , n Î Z корней нет, т.к. 2 Ï [– 1; 1]. Ответ: х = π n , n Î Z Итак, я рассмотрела тригонометрические уравнения, предлагаемые в п.9 и п.11 учебника «Алгебра и начала анализа для10-11 классов» под редакцией А. Н. Колмогорова. Эти уравнения я решала в 10 классе. Но глава V. «Задачи на повторение» содержит п.13 «Тригонометрические уравнения и неравенства». Проведу классификацию уравнений, предлагаемых здесь. 2.5 Задачи на повторение Сведение к: а) простейшим уравнениям: №153(б, в, г), 156(б), 157(а). б) квадратным: №152(а, в), 154(а, б, г), 156(в), 157(в, г). в) уравнениям, решаемым разложением на множители: №153(а), 154(б, в, г), 155, 156(а, г), 157(б, г). г) однородным: №152(б, г), 153(а), 157(б). Замечу, что к ряду уравнений применим не один метод, а несколько. Например, решая уравнение из №153(а), сначала идёт разложение на множители, а затем одно из полученных уравнений решается как однородное. №154(б): на множители – как квадратное. №154(г): на множители – как квадратное. №157(б): на множители – как однородное. №157(г): на множители – как квадратное. №157( б ). tg
х
– sin x = 2sin2
,
ОДЗ: х
≠
– sin x = 1 – cos x, sin x – sin x × cos x = cos x – cos2 x, (sin x – cos x) – cos x × (sin x – cos x) = 0, (sin x – cos x) × (1 – cos x) = 0, sin x – cos x = 0 или 1 – cos x = 0, tg х – 1 = 0 cos x = 1, tg х = 1 xk = 2 πk , k Î Z . х
n
=
Ответ: х
n
=
3. Тригонометрические уравнения на экзаменах 3.1 Специфика выпускного экзамена за курс средней полной школы Письменный экзамен по алгебре и началам анализа является обязательным для всех выпускников. Он проходит в форме контрольной работы, содержащей 10 заданий. Экзаменационная работа по курсу «Алгебра и начала анализа» проводится по «Сборнику заданий для подготовки и проведения письменного экзамена по математике и алгебре и началам анализа за курс средней школы» (Авторы: Дорофеев Г. В., Муравин Г. К., Седова Е. А.) и состоит из трёх частей. Первая часть экзамена (задания 1 – 5) включает пять заданий, которые помещены в разделе 1. Всего в сборнике 96 таких выборов. Уровень сложности этих заданий определяется «Требованиями к математической подготовке учащихся», предусмотренными программой. Вторую часть экзамена составляют задания, помещённые в разделах 4 (задания 6, 7) и 5 (задание 8) сборника. Это традиционные задания, предлагаемые на экзамене. Третья часть экзамена (задания 9, 10) состоит из заданий, подобных тем, которые используются на вступительных экзаменах в высшие учебные заведения. Они находятся в разделе 6 сборника. Решение этих задач не требует ни дополнительных навыков, ни дополнительных идей по сравнению с задачами, обычно предлагающимися в школьных учебниках. 3.2 Тригонометрические уравнения на выпускном экзамене 3.2.1 Тригонометрические уравнения на обязательном уровне обучения Анализируя задания, предлагаемые на экзамене, я заметила, что тригонометрические уравнения предлагаются в 74 из 96 наборов первой части. Они указаны в №3. По типу это уравнения различные: приводятся к простейшим, решаются разложением на множители, неполные квадратные тригонометрические уравнения. Много уравнений таких, где необходимо применить формулы приведения. Но и предлагаются такие уравнения, когда нужно не просто их решить, а изо всех корней отобрать те, которые принадлежат указанному промежутку. Кстати, таких уравнений в школьном курсе нет. Приведу пример решения такого упражнения. Вариант 7, №3. Найдите все решения уравнения ( sin x + cos x )2 = 1 + sin x cos x , принадлежащие отрезку [0; 2π]. Используем формулу сокращённого умножения. sin2 x + 2sin x cos x + cos2 x = 1 + sin x cos x, 1 + 2sin x cos x – 1 – sin x cos x = 0, sin x cos x = 0, sin x = 0 или cos x = 0, х
n
=
πn
,
n
Î
Z
xk
= Теперь произведём отбор корней, принадлежащих указанному промежутку. существует несколько способов. I способ (непосредственная подстановка целых значений в общую формулу корней): 1) х n = πn , n Î Z n = 0, х = 0 Î [0; 2π]; n = 1, х = π Î [0; 2π]; n = 2, х = 2 π Î [0; 2π]; n = 3, х = 3 π Ï [0; 2π]; n = – 1, х = – π Ï [0; 2π]. 2)
xk
= k
= 0, х = k
= 1, х = k
= 2, х = k
= – 1, х = – Ответ: 0; II способ (решение двойного неравенства для определения целых значений): 1) 0 £ π n £ 2 π , 0 £ n £ 2. Значит, находим корни уравнения при n = 0; 1; 2. (Я их нашла в I способе). 2)
0
£
– – £ k £ . Итак, k = 0; 1. Корни, соответствующие этим значениям k, я нашла выше. III способ. Здесь используются графики тригонометрических функций или единичную окружность; для этого находить общую серию решений в данном случае совсем необязательно. Но необходимо помнить, что: sin α = у; с os α = х. 1) sin x = 0.
3.2.2 Тригонометрические уравнения из раздела 4 Раздел 4 сборника состоит из нескольких пунктов, одним из которых является «Тригонометрия». Этот пункт включает в себя как преобразование тригонометрических выражений, так и решение уравнений. Среди предложенных уравнений 12 номеров включают отбор корней в соответствии указанному промежутку. 1) Уравнения, решаемые как квадратные относительно одной тригонометрической функции: №4.13; 4.14; 4.15; 4.16; 4.17; 4.18; 4.19; 4.20; 4.21; 4.22; 4.23; 4.24; 4.25; 4.26. Но не каждое из указанных уравнений сразу сводится к решению квадратных. Для решения некоторых из них нужно применить сначала формулы тригонометрии: основное тригонометрическое тождество, формулы понижения степени. 2) Уравнения, решаемые разложением на множители: №4.27; 4.28; 4.29; 4.30; 4.31; 4.32; 4.33; 4.34. 3) Однородные тригонометрические уравнения и уравнения, сводящиеся к ним: №4.35; 4.36; 4.37; 4.38. 4) Уравнения, решаемые с использованием основного свойства пропорции: №4.39; 4.40; 4.41; 4.42. Хочется заметить, что решая эти уравнения, мы в итоге приходим к решению однородных уравнений первой степени. Приведу пример решения такого уравнения. №4.41. Найдите все решения уравнения , принадлежащие отрезку [– π ; π ]. Применив основное свойство пропорции, получим: 3(2 sin х – с os x ) = 1(5 sin х – 4с os x ), 6 sin х – 3с os x – 5 sin х + 4с os x = 0, sin х + с os x = 0. Разделим это уравнение на с os x . tg x + 1 = 0, tg x = – 1, х = –
Решения этого уравнения, принадлежащие указанному промежутку, найду с помощью тригонометрического круга:
Ответ: 3.2.3 Тригонометрические уравнения повышенной сложности I . Раздел 5: 1) №5.1; 5.2; 5.3; 5.4; 5.9; 5.11 – уравнения, решаемые как квадратные относительно одной из тригонометрических функций, с применение формул понижения степени. 2) №5.10; 5.12 – уравнения, решаемые разложением на множители с применением формул тригонометрии. 3) №5.13; 5.14 – однородные уравнения 2-ой степени. 4) №5.5; 5.6; 5.7; 5.8 – уравнения, решаемые с применением свойства ограниченности тригонометрических функций. Примечательно то, что таких уравнений в школьном курсе алгебры не предлагается вообще. №5.6. Решите уравнение с os x = х2 + 1. с os x £ 1 при всех значениях х. х2 + 1 ≥ 1 при всех значениях х. Тогда данное уравнение имеет решение только при выполнении двух условий: с os x = 1 и х2 + 1 = 1, т.е.
Ответ: х = 0. II . Раздел 6: Рассматривая тригонометрические уравнения из этого раздела, я заметила, что большая часть уравнений относится к тем, которые решаются а) разложением на множители: №6.23; 6.25; 6.26; 6.27; 6.28; 6.31; 6.32; 6.33; 6.34; 6.35; 6.36; 6.37; 6.38; 6.40; 6.43; 6.44; 6.45; 6.46; 6.47; 6.48; 6.51; 6.52; 6.54; 6.60; 6.61; 6.62; 6.63; 6.65; 6.67; 6.68; 6.74; 6.75; 6.81; 6.82. Далее по количеству следуют б) уравнения, сводящиеся к квадратным: №6.24; 6.39; 6.41; 6.43; 6.44; 6.53; 6.55; 6.56; 6.57; 6.58; 6.59; 6.64; 6.69; 6.70; 6.71; 6.72; 6.77; 6.78; 6.79; 6.80. Кроме этого есть уравнения, которые после преобразований с применением соответствующих формул тригонометрии сводятся к в) простейшим: №6.29; 6.48; 6.50; 6.66; 6.76. В этом разделе всего лишь три уравнения, которые решаются как г) однородные: №6.42; 6.46; 6.65. С решением таких уравнений мы сталкиваемся и на уроках алгебры, поэтому я не привожу решение таких уравнений, о них говорилось выше. Здесь же есть ещё и уравнения, которые решаются совершенно незнакомым мне методом – д) методом вспомогательного угла: №6.46; 6.65; 6.73; 6.74; 6.75. В чём суть этого метода? Рассмотрим уравнение вида А
sin
х + Вс
os
x
= С,
где А, В, С
– некоторые числа и А
×
В ≠ 0.
Так как А2
+ В2
> 0,
то разделив обе части данного уравнения на число Так как а2 + в2 = 1, то можно подобрать такой угол α, что а = sin α и в = с os α. Тогда уравнение а sin х + вс os x = с можно записать в виде с os x с os α + sin х sin α = с, или в виде с os ( x – α) = с. Если подобрать такой угол β, что а = с os β и в = sin β, то уравнение а sin х + вс os x = с можно записать в виде sin (х + β) = с. Таким образом, решение данного уравнения сводится к решению простейшего уравнения. Решу этим методом №6.74.
Разделим все члены уравнения на число
– (
с
os
2
x
– – (
с
os
–
с
os (2x +
с
os (2x +
2
с
os (
+
с
os (
+
+ = xn
= Ответ: xn
= Хочется ещё раз отметить, что при решении этого уравнения использовался не только метод вспомогательного угла, но и метод разложения на множители. В этом разделе предлагаются также е) уравнения, решаемые методом оценки обеих частей: №6.83; 6.84; 6.85; 6.86; 6.87; 6.88 и два ж) иррациональных тригонометрических уравнения: №6.77; 6.78. №6.83. sin х = х2 + 2х + 2. В правой части данного уравнения выделим квадрат суммы, получим: sin х = (х + 1)2 + 1. Оценим обе части этого уравнения: sin х £ 1 и (х + 1)2 + 1 ≥ 1. Чтобы данное уравнение имело решение необходимо выполнение двух условий: sin х = 1 и (х + 1)2 + 1 = 1. Решаем второе уравнение: х + 1 = 0, х = – 1. Это значение х не является решением первого уравнения sin х = 1 . Значит, данное уравнение решений не имеет. Ответ: решений нет. №6.77. Так как правая часть уравнения неотрицательная, то и левая часть должна быть неотрицательной, т.е. с os x ≥ 0. Возведём обе части уравнения в квадрат: 10с os 2 x = 4с os x – с os 2 x , 10 с os 2 x = 4с os x – (2с os 2 x – 1), 12с os 2 x – 4с os x – 1 = 0. Пусть с os x = t, тогда 12t2 – 4t – 1 = 0, t1 = , t2 = – . Если t = , то с os x = , х = ± arccos + 2 π n, n Î Z, х =
±
Если t = – , то с os x = – , корней нет, т. к. с os x ≥ 0. Ответ: х =
±
Заключение Изучив литературу по выбранной теме, я узнала очень много интересных фактов из истории развития тригонометрии как науки, узнала очень много до сих пор не известных мне имён математиков прошлого. Я повторила решение тригонометрических уравнений школьного курса алгебры и научилась решать уравнения методом введения вспомогательного угла – такие уравнения встречаются в сборнике для проведения итоговой аттестации выпускников. Кроме этого мне показался интересным ещё один способ решения уравнений: метод оценки. Кроме этого я сделала классификацию уравнений по способу их решения, что, я надеюсь, поможет моему преподавателю в дальнейшей работе при изучении данной темы. Я планирую продолжить эту работу и рассмотреть тригонометрические уравнения, предлагаемые на вступительных экзаменах в высшие учебные заведения и на ЕГЭ. Используемая литература 1. Дорофеев Г. В., Муравин Г. К., Седова Е. А. Сборник заданий для подготовки и проведения письменного экзамена по математике (курс А) и алгебре и началам анализа (курс В) за курс средней школы. 11 класс. – М.: Дрофа, 2003. 2. Колмогоров А. Н., Абрамов А. М., Дудницын Ю. П. и др. Алгебра и начала анализа: Учебник для 10-11 классов общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2003. 3. Королёв С. В. Тригонометрия на экзамене по математике: учебное пособие. – М.: «Экзамен», 2006. 4. Решетников Н. Н. Материалы курса «Тригонометрия в школе». Лекции 1 – 8. – М.: Педагогический университет «Первое сентября», 2006. |