Тригонометричне рівняння в завданнях 1–15 НМТ: корені на проміжку
~20 хв · 8 розділів · 13 тестових запитань
Частина кар’єрної траєкторії НМТ 2027: 3 обов’язкові + біологія.
Відпрацювання повного ланцюжка розв'язання тригонометричного рівняння в завданнях № 1–15 НМТ: спростити формулами → звести до найпростішого або квадратного → записати загальний розв'язок → відібрати корені на проміжку → вибрати правильний варіант серед п'яти.
Тригонометричне рівняння в завданнях 1–15 НМТ — це завдання з вибором однієї правильної відповіді з п'яти. Типове таке рівняння зводять до найпростішого або до квадратного відносно sin x або cos x. Після цього питають про корені на проміжку: їхній набір, кількість, суму, найбільший чи найменший корінь. Інколи у варіантах відповіді подають загальні розв'язки, і треба впізнати правильний запис.
Ланцюжок розв'язання
Весь розв'язок складається з чотирьох чітких кроків:
Спростити вираз за допомогою тригонометричних формул.
Розв'язати найпростіше тригонометричне рівняння або квадратне рівняння відносно t = sin x (або t = cos x).
Відібрати корені на заданому проміжку (відрізку чи інтервалі).
Звірити здобутий набір (або кількість, суму) з п'ятьма варіантами відповідей.
Формули для першого кроку
У довідці НМТ є таблиця значень sin, cos, tg для кутів 0, π/6, π/4, π/3, π/2, π, 3π/2, 2π, а також формули sin 2α, cos 2α. Найчастіше на першому кроці використовують такі співвідношення:
Основна тригонометрична тотожність: sin²x + cos²x = 1.
Синус подвійного кута: sin 2x = 2 sin x cos x.
Косинус подвійного кута: cos 2x = cos²x − sin²x = 1 − 2 sin²x = 2 cos²x − 1.
Формули зведення: sin(π/2 + x) = cos x, cos(π − x) = −cos x.
Загальні формули розв'язків — знати напам'ять
У довідці НМТ загальних формул розв'язків найпростіших тригонометричних рівнянь немає. Їх треба пам'ятати:
Рівняння | Загальний розв'язок | Примітка |
|---|---|---|
sin x = a | x = (−1)ⁿ arcsin a + πn, n ∈ Z | |a| ≤ 1; якщо |a| > 1 — коренів немає |
cos x = a | x = ±arccos a + 2πn, n ∈ Z | |a| ≤ 1; якщо |a| > 1 — коренів немає |
tg x = a | x = arctg a + πn, n ∈ Z | a ∈ R; період π, а не 2π |
Запам'ятай: для sin x використовуємо (−1)ⁿ, для cos x — ± (тобто дві серії), для tg x — додаємо πn. Коли a дорівнює одному з табличних значень (0, ±1/2, ±√2/2, ±√3/2, ±1), ми підставляємо відповідний табличний кут. Наприклад, sin x = 1/2 дає x = (−1)ⁿ · π/6 + πn, а cos x = −1/2 дає x = ±2π/3 + 2πn.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Найпоширеніший спосіб ускладнити тригонометричне рівняння на НМТ — використати формули подвійного кута або основну тотожність так, щоб одержати рівняння, яке зводиться до двох найпростіших. Розгляньмо основні прийоми.
Подвійний кут і розкладання на множники
Рівняння виду sin 2x = cos x розв'язують так: замінюють sin 2x за формулою 2 sin x cos x, дають 2 sin x cos x = cos x, переносять усе в один бік і виносять спільний множник:
Увага! Ділити на cos x не можна! Якщо поділити, то втратиш серію коренів cos x = 0, тобто x = π/2 + πn. Завжди переноси все в один бік і розкладай на множники.
Після розкладу маємо два рівняння: cos x = 0 ⇒ x = π/2 + πn, і sin x = 1/2 ⇒ x = (−1)ⁿ · π/6 + πn. Обидві серії входять до відповіді.
Квадратне рівняння відносно sin x або cos x
Коли в рівнянні одночасно є sin²x, cos²x і sin x (або cos x), використовують основну тотожність, щоб звести все до однієї функції.
Розгляньмо рівняння 2cos²x + 3 sin x − 3 = 0. Замінюємо cos²x на 1 − sin²x:
Помножимо на −1:
Позначимо t = sin x. Тоді маємо квадратне рівняння 2t² − 3t + 1 = 0. Його корені: t = 1 і t = 1/2. Повертаємось до заміни:
sin x = 1 ⇒ x = π/2 + 2πn;
sin x = 1/2 ⇒ x = (−1)ⁿ · π/6 + πn.
Обмеження нової змінної
Коли ми робимо заміну t = sin x або t = cos x, обов'язково перевіряємо умову |t| ≤ 1. Якщо квадратне рівняння дає корінь, який не задовольняє цю умову, його відкидають.
Наприклад, для рівняння 2cos²x + cos x − 3 = 0 робимо заміну t = cos x:
Значення t = −3/2 відкидаємо, бо |cos x| ≤ 1, а |−3/2| = 3/2 > 1. Залишається cos x = 1, звідки x = 2πn.
Формули зведення в умові
Іноді саме рівняння містить формулу зведення, і перший крок — застосувати її. Наприклад:
Звідси x = ±arccos(−1/2) + 2πn = ±2π/3 + 2πn. arccos(−1/2) = π − π/3 = 2π/3.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Після того як ти отримав загальні розв'язки, треба відібрати ті корені, які належать заданому проміжку. Цей крок найчастіше призводить до помилок, тому розберімо його докладно.
Перебір цілого параметра n
Для кожної серії коренів (наприклад, x = 2π/3 + 2πn та x = −2π/3 + 2πn) окремо підставляємо n = 0, ±1, ±2, … і перевіряємо, чи потрапляє результат у проміжок. Важливо перебирати не лише додатні, а й від'ємні n — інакше можна втратити корені зліва від нуля. Корені й кінці проміжку завжди порівнюй в однакових частках π.
Розгляньмо cos x = −1/2 на проміжку [0; 3π]. Серія x = 2π/3 + 2πn:
n | Значення | Належить [0; 3π]? |
|---|---|---|
0 | 2π/3 | 2π/3 ∈ [0; 3π] ✓ |
1 | 2π/3 + 2π = 8π/3 | 8π/3 ∈ [0; 3π] ✓ |
−1 | 2π/3 − 2π = −4π/3 | −4π/3 < 0 ✗ |
2 | 2π/3 + 4π = 14π/3 | 14π/3 > 3π ✗ |
Серія x = −2π/3 + 2πn:
n | Значення | Належить [0; 3π]? |
|---|---|---|
0 | −2π/3 | −2π/3 < 0 ✗ |
1 | −2π/3 + 2π = 4π/3 | 4π/3 ∈ [0; 3π] ✓ |
−1 | −2π/3 − 2π = −8π/3 | −8π/3 < 0 ✗ |
2 | −2π/3 + 4π = 10π/3 | 10π/3 > 3π ✗ |
Відповідь: три корені: 2π/3, 4π/3, 8π/3.
Відрізок чи інтервал?
Кінці відрізка (квадратні дужки [a; b]) входять у розв'язок. Кінці інтервалу (круглі дужки (a; b)) не входять. Якщо проміжок [0; π], то 0 і π можуть бути коренями; якщо (0; π), то ні.
Перевірка варіанта-набору коренів
Коли варіанти відповіді — це набори коренів, перевіряй двоетапно: по-перше, кожне число набору має задовольняти рівняння (підстав і перевір); по-друге, переконайся, що на проміжку немає інших коренів. Наприклад, для sin x = 1/2 на [0; 2π] повний набір — {π/6; 5π/6}. Набір {π/6} неповний, хоча π/6 — справді корінь.
Рівносильні записи загального розв'язку
Іноді правильний загальний розв'язок записано інакше, ніж ти звик. Наприклад, π/4 + πn/2 і ±π/4 + πn — це одна й та сама множина чисел. Щоб перевірити, підстав n = 0, 1, −1 і подивись, чи збігаються значення.
Формула x = (−1)ⁿ · π/6 + πn насправді описує дві серії: x = π/6 + 2πn (коли n парне) і x = 5π/6 + 2πn (коли n непарне). Запам'ятай: (−1)ⁿ дає чергування знаків, тому arcsin a та π − arcsin a повторюються через 2π.
Власна задача-аналог для тренування
Візьми будь-який приклад із цього уроку й зміни одну умову: праву частину (замість 1/2 постав −1/2), функцію (sin → cos) або проміжок (наприклад, звуж [0; 2π] до [π/2; 3π/2]). Перед тим як розв'язувати, передбач, як зміниться кількість коренів. Потім зроби повний розв'язок і перевір себе.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Розгляньмо чотири типові завдання, які трапляються в НМТ. Кожне з них іде за ланцюжком: спростити → розв'язати → відібрати → звірити з варіантами.
Приклад 1. Скільки коренів?
Завдання. Скільки коренів має рівняння 2 sin²x − sin x = 1 на відрізку [0; 2π]?
Розв'язання.
Перенесемо 1 вліво: 2 sin²x − sin x − 1 = 0. Позначимо t = sin x. Маємо квадратне рівняння 2t² − t − 1 = 0.
Дискримінант: D = 1 + 8 = 9. Корені: t₁ = (1 + 3)/(4) = 1, t₂ = (1 − 3)/(4) = −1/2.
Повертаємось до заміни:
sin x = 1 ⇒ x = π/2 + 2πn.
sin x = −1/2 ⇒ arcsin(−1/2) = −π/6. Загальний розв'язок: x = (−1)ⁿ · (−π/6) + πn. Для n = 0: x = −π/6. Для n = 1: x = π + π/6 = 7π/6. Для n = 2: x = −π/6 + 2π = 11π/6.
Відбір на [0; 2π]:
Із sin x = 1: x = π/2 — входить.
Із sin x = −1/2: x = 7π/6 — входить; x = 11π/6 — входить. x = −π/6 не входить (від'ємне).
Відповідь: 3 корені.
Чому інші варіанти неправильні.
Варіант «2» — узяли лише серію sin x = −1/2 і забули про sin x = 1.
Варіант «1» — знайшли лише один корінь (наприклад, π/2) і не шукали далі.
Варіанти «4» і «5» — додали зайві корені, які не задовольняють рівняння або лежать поза проміжком.
Приклад 2. Укажіть усі корені на проміжку
Завдання. Укажіть усі корені рівняння sin 2x = √3 cos x, що належать відрізку [0; π].
Розв'язання.
За формулою sin 2x = 2 sin x cos x маємо:
Звідси:
cos x = 0 ⇒ x = π/2 + πn.
sin x = √3/2 ⇒ x = (−1)ⁿ · π/3 + πn.
Відбір на [0; π]:
Із cos x = 0: n = 0 дає π/2 — входить; n = 1 дає 3π/2 > π — не входить; n = −1 дає −π/2 < 0 — не входить.
Із sin x = √3/2: n = 0 дає π/3 — входить; n = 1 дає π − π/3 = 2π/3 — входить; n = 2 дає π/3 + 2π > π — не входить; n = −1 дає −π/3 < 0 — не входить.
Відповідь: {π/3; π/2; 2π/3}.
Чому інші варіанти неправильні.
«π/3; 2π/3» — поділили на cos x і втратили корінь π/2.
«π/2» — забули, що sin 2x = √3 cos x дає ще корені з sin x = √3/2.
«π/6; π/2; 5π/6» — переплутали sin(π/6) = 1/2 із sin(π/3) = √3/2.
«π/3» — неповний набір.
Приклад 3. Сума коренів
Завдання. Знайдіть суму коренів рівняння cos 2x + 3 cos x + 2 = 0 на відрізку [0; 2π].
Розв'язання.
Замінимо cos 2x = 2 cos²x − 1:
Позначимо t = cos x. Тоді 2t² + 3t + 1 = 0. Дискримінант D = 9 − 8 = 1. Корені: t₁ = (−3 + 1)/(4) = −1/2, t₂ = (−3 − 1)/(4) = −1.
Повертаємось:
cos x = −1 ⇒ x = π + 2πn.
cos x = −1/2 ⇒ x = ±2π/3 + 2πn.
Відбір на [0; 2π]:
Із cos x = −1: n = 0 дає π — входить.
Із cos x = −1/2: n = 0 дає 2π/3 (входить) і −2π/3 (не входить, від'ємне). n = 1 дає 2π/3 + 2π = 8π/3 > 2π (не входить) і −2π/3 + 2π = 4π/3 — входить.
Корені на проміжку: π, 2π/3, 4π/3. Сума: π + 2π/3 + 4π/3 = π + 6π/3 = π + 2π = 3π.
Відповідь: 3π.
Чому інші варіанти неправильні.
2π — пропустили корінь x = π.
π — узяли лише один корінь.
4π — зайвий доданок у сумі, наприклад корінь π порахували двічі: 3π + π = 4π.
5π/3 — помилка в обчисленні суми або відборі.
Приклад 4. Загальний розв'язок
Завдання. Розв'яжіть рівняння tg(x − π/4) = 1.
Розв'язання.
Для tg α = 1 маємо α = arctg 1 + πn = π/4 + πn. Тут α = x − π/4. Отже:
Відповідь: x = π/2 + πn.
Чому інші варіанти неправильні.
π/2 + 2πn — період тангенса π, а не 2π.
πn — відняли π/4 замість додати (x = π/4 + πn − π/4 = πn).
π/4 + πn — забули додати π/4 до лівої частини.
3π/4 + πn — помилка: arctg 1 = π/4, а не 3π/4.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Навіть добре підготовлені учні роблять характерні помилки. Ось найпоширеніші — і як їх уникнути.
Пропускають корінь на кінці відрізка або включають кінець інтервалу. Коли проміжок задано як [a; b], числа a і b входять у множину коренів. Коли проміжок (a; b) — не входять. Завжди перевіряй, які дужки в умові.
Ділять рівняння на cos x чи sin x і гублять серію коренів. Наприклад, у рівнянні 2 sin x cos x = √3 cos x деякі ділять на cos x і отримують 2 sin x = √3, втрачаючи cos x = 0. Правильно: перенести все в один бік і винести cos x за дужки.
Не відкидають значення нової змінної t, для якого |t| > 1. Якщо після заміни t = cos x одержали t = −3/2, це значення треба відкинути, бо косинус не може бути меншим за −1 або більшим за 1.
Плутають табличні значення: sin(π/3) і sin(π/6). sin(π/6) = 1/2, sin(π/3) = √3/2, sin(π/4) = √2/2. Користуйся довідкою НМТ — у ній є повна таблиця.
Перебирають лише n ≥ 0 і гублять від'ємні корені. Якщо проміжок містить від'ємні числа (наприклад, [−π; π]), треба підставляти n = 0, 1, −1, 2, −2, … і перевіряти кожне значення.
Беруть період 2π для tg x замість π. Тангенс має період π, тому загальний розв'язок tg x = a — це x = arctg a + πn, а не + 2πn.
Вибирають неповний набір коренів, перевіривши лише, що кожне число набору підходить. Мало того, що кожен корінь з набору задовольняє рівняння, — треба ще переконатися, що на проміжку немає інших коренів, яких у наборі немає. Інакше можна вибрати варіант, де подано лише частину коренів.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Тригонометричне рівняння з відбором коренів на проміжку — це завдання з вибором однієї відповіді з п'яти, воно дає 0 або 1 бал. У демоваріанті НМТ-2026 таке завдання стоїть на позиції № 11 і належить до теми 2.1 («Рівняння, нерівності й системи»). У вибірці реальних тестів 2023–2024 років тригонометричне рівняння траплялося й на позиції № 15 — у тій самій формі з вибором однієї відповіді.
В аналізі програми (експертна оцінка, а не дані УЦОЯО) тригонометричні рівняння з відбором коренів на проміжку віднесено до найскладніших позицій тесту. Це означає, що тут легко втратити бали через неуважність, але водночас правильне розв'язання дає перевагу в конкурентному відборі.
Що можна взяти з довідки
У довідці, яку дають на НМТ, є:
таблиця значень sin, cos, tg для кутів 0, π/6, π/4, π/3, π/2, π, 3π/2, 2π;
формули sin 2α та cos 2α.
Чого в довідці немає: загальних формул розв'язків найпростіших тригонометричних рівнянь. Їх треба знати напам'ять (див. розділ «Позиція в тесті й ланцюжок розв'язання»).
Стратегія виконання
Якщо варіанти відповіді — набори коренів, спершу підстав кожен корінь з набору у вихідне рівняння — перевір, чи справді він його задовольняє. Потім переконайся, що набір повний (на проміжку немає інших коренів).
Якщо розв'язання затягується, познач варіанти, які точно неправильні, на полях, і повернися до цього завдання в другому проході — спершу зроби простіші завдання, щоб не втратити час.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Коли можна ділити тригонометричне рівняння на cos x?
Ділити на cos x (або sin x) можна лише тоді, коли ти впевнений(а), що cos x ≠ 0 для всіх коренів рівняння. Наприклад, у рівнянні 2 sin x cos x = √3 cos x, якщо поділити на cos x, втратиш серію cos x = 0. Правильний підхід: перенести все в один бік і винести cos x за дужки, тобто розкласти на множники. Так ти отримаєш обидві серії коренів.
Як швидко відібрати корені, якщо проміжок довший за 2π?
Скористайся тим, що періодичність функцій однакова — 2π для sin і cos, π для tg. Знайди корені на одному періоді (наприклад, на [0; 2π]), а потім додавай або віднімай цілий період, поки значення не вийдуть за межі проміжку. Для кожної серії коренів x₀ + 2πn перебирай n = 0, ±1, ±2, … і перевіряй умову a ≤ x₀ + 2πn ≤ b. Зручно записати нерівності для n і знайти всі цілі n, що їх задовольняють.
Чому для tg x період π, а для sin x — 2π?
Тому що tg(x + π) = tg x для всіх x, де визначений тангенс, адже tg(x + π) = sin(x + π)/cos(x + π) = (−sin x)/(−cos x) = tg x. Натомість sin(x + π) = −sin x, тому sin(x + 2π) = sin x — період синуса дорівнює 2π. Так само для косинуса. Отже, загальний розв'язок tg x = a записують з πn, а sin x = a та cos x = a — з 2πn (або з чергуванням знака у випадку sin).
Як перевірити, що варіант-набір коренів повний?
Спочатку переконайся, що кожне число з набору справді задовольняє початкове рівняння — підстав його. Потім знайди всі корені на проміжку самостійно (через загальний розв'язок і перебір n) і порівняй з набором. Якщо твій список коренів збігається з набором — він повний. Якщо в наборі менше коренів, ніж ти знайшов(ла), — набір неповний, навіть якщо кожне число з нього правильне.
Чому значення t = −3/2 відкидають, а t = 1 — ні?
Бо t = cos x, а косинус будь-якого кута завжди лежить у межах від −1 до 1 включно: −1 ≤ cos x ≤ 1. Значення 1 задовольняє цю умову (|1| ≤ 1), тому воно прийнятне. Значення −3/2 має модуль 3/2 = 1,5 > 1, тому воно не може дорівнювати косинусу жодного дійсного кута. Те саме стосується заміни t = sin x: умова |t| ≤ 1 обов'язкова.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Ланцюжок: спростити формулами → розв'язати найпростіше рівняння або квадратне відносно sin x (cos x) → відібрати корені на проміжку → звірити з варіантами.
Загальних формул розв'язків у довідці немає — знай їх напам'ять: sin x = a ⇒ x = (−1)ⁿ arcsin a + πn; cos x = a ⇒ x = ±arccos a + 2πn; tg x = a ⇒ x = arctg a + πn.
Не діли на вираз зі змінною — розкладай на множники. Ділення на cos x або sin x губить цілу серію коренів.
Після заміни t = sin x чи cos x залишай лише |t| ≤ 1. Якщо квадратне рівняння дало t = −3/2 — відкинь, бо косинус не буває таким.
Кінці відрізка входять, кінці інтервалу — ні. Завжди звертай увагу на дужки: [a; b] чи (a; b).
Набір коренів у варіанті має бути повним. Перевір не лише кожен корінь окремо, а й те, чи всі корені проміжку представлені.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Перевірте себе на цьому юніті
Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.
1. Розв'яжіть рівняння sin 2x = 2 cos x. У відповіді вкажіть загальний розв'язок.
2. Знайдіть суму коренів рівняння cos 2x + cos x = 0 на відрізку [0; 2π].
3. Який є правильним порядком кроків під час розв'язування тригонометричного рівняння з відбором коренів на проміжку?
4. Укажіть усі корені рівняння 2 sin²x = sin x, що належать інтервалу (0; π).
5. Вкажіть загальний розв'язок, рівносильний запису x = (−1)ⁿ·π/6 + πn.
Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 13 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.
Приєднатися, щоб пройти тест