Перейти до основного вмісту
Каталог

Тригонометричні рівняння, що зводяться до квадратних

~20 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань

Рівняння, нерівності й системи
Математика НМТ

Частина кар’єрної траєкторії НМТ 2027: 3 обов’язкові + фізика.

Заміна змінної, основна тригонометрична тотожність, формули подвійного кута та ділення на cos²x — як звести тригонометричне рівняння до квадратного й відкинути сторонні корені.

Заміна t = sin x або t = cos x і обмеження |t| ≤ 1

Розгляньмо рівняння, які містять лише одну тригонометричну функцію в другому степені та в першому, — наприклад або . Таке рівняння нагадує звичайне квадратне , тільки замість стоїть або .

Тому природно ввести заміну: (або ). Після цього отримуємо квадратне рівняння відносно . Але треба пам'ятати: синус і косинус набувають значень лише від до включно. Отже, корені квадратного рівняння, які за модулем перевищують , не дадуть жодного розв'язку вихідного рівняння — їх треба відкинути.

Приклад 1: рівняння з синусом

Розв'яжімо .

Заміна , . Дістаємо . Дискримінант , , . Обидва значення лежать у межах , тому повертаємося до :

.

.

Відповідь — об'єднання двох серій: , , .

Приклад 2: рівняння з косинусом

Розв'яжімо .

Заміна , . , дискримінант , , .

Значення за модулем більше за — відкидаємо. Залишається , звідки .

Особливість для тангенса

Коли заміну роблять для , обмеження не діє — тангенс набуває будь-яких дійсних значень. Наприклад, : , обидва значення допустимі, .

Порада: для різних серій розв'язків зручно брати різні літери цілих чисел (, , тощо), щоб підкреслити, що цілі числа в кожній серії змінюються незалежно.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Одна функція: основна тотожність і подвійний кут

Часто в рівнянні одночасно присутні і (або і ). Тоді не можна відразу робити заміну — спершу треба звести все до однієї функції. Для цього використовують основну тригонометричну тотожність .

Якщо в рівнянні є і — замінюємо . Якщо є і — замінюємо . Після цього рівняння стає квадратним відносно відповідної функції.

Приклад 1: і

Розв'яжімо .

Замінюємо :

.

Заміна , : , дискримінант , , .

, .

, .

Формула косинуса подвійного кута

У довідкових матеріалах НМТ подано формулу . З неї за допомогою основної тотожності можна отримати ще дві форми:

  • — коли в рівнянні переважають синуси;

  • — коли в рівнянні переважають косинуси;

  • — базовий запис, який рідше застосовують для зведення до однієї функції.

Вибирай ту форму, після якої в рівнянні лишається лише одна тригонометрична функція.

Приклад 2: зводимо до

Розв'яжімо .

Тут є , тому використаємо формулу :

.

Заміна : , звідки або .

.

.

Приклад 3:

Розв'яжімо .

Тут ліворуч , праворуч — використовуємо формулу :

.

Заміна , , , .

.

.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Однорідні рівняння й розкладання на множники

Окремий клас — однорідні тригонометричні рівняння, у яких кожен доданок має однаковий степінь. Розгляньмо спочатку однорідне рівняння першого степеня ().

Чи може бути таким, що ? Якби , то з рівняння випливало б , тобто . Але одночасно і неможливо, бо тоді порушувалася б основна тотожність . Отже, жоден розв'язок не має , тому обидві частини можна безпечно поділити на .

Після ділення отримуємо , тобто — найпростіше рівняння відносно . Наприклад, . Ділимо на : , звідки .

Однорідне рівняння другого степеня

Рівняння вигляду є однорідним другого степеня. Якщо , то так само для жодного розв'язку (інакше знову ). Тому ділимо обидві частини на і заміною зводимо рівняння до квадратного:

.

Корені , . Повертаємося до : ; . Відповідь — об'єднання двох серій.

Коли ділити на cos²x не можна

Якщо доданка з у рівнянні немає (a = 0), рівняння все одно однорідне другого степеня, але ділити його на не можна: значення з cos x = 0 є розв'язками, і ділення призвело б до їх втрати. Приклад: . Тут обидві частини ділити на не можна — краще винести спільний множник :

.

Перший множник: . Другий множник: . Зауваж: поділивши на , ми втратили б серію .

Розкладання на множники замість ділення

Спільний множник виносять за дужки, а не скорочують, — тоді жодна серія не зникає. Розгляньмо . Замінюємо і переносимо все в один бік:

.

Звідси або .

Якби ми поділили на , отримали б лише і втратили б серію — а саме вона й відповідає випадку .

Загальне правило: множник, що містить чи , виносимо за дужки. Ділити на такий множник можна лише тоді, коли доведено, що він не перетворюється на нуль для жодного розв'язку рівняння.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Розбираємо завдання

У цьому розділі розв'яжемо п'ять типових завдань, які можуть трапитися на НМТ. Кожне розібрано покроково.

Приклад 1. Розв'яжіть рівняння

Завдання: виберіть правильну відповідь з-поміж п'яти наборів серій розв'язків.

Розв'язання. Заміна , . Тоді . Дискримінант , корені , . Обидва значення в межах .

.

.

Відповідь: , , .

Пояснення дистракторів: варіант із (замість ) — помилка в знаку; варіант лише з однією серією — втрата кореня; варіант — плутанина синуса з косинусом.

Приклад 2. Розв'яжіть рівняння

Завдання: виберіть правильну відповідь з-поміж п'яти.

Розв'язання. Замінюємо : .

Заміна : , , , .

за модулем більше за — відкидаємо. .

Відповідь: , .

Пояснення дистракторів: — помилка: , а не ; — неправильний період; варіант із «» — не відкинули стороннє значення; — плутанина з синусом.

Приклад 3. Знайдіть значення , за якого виконується рівність

Завдання: коротка відповідь — число.

Розв'язання. Використовуємо формулу :

.

Заміна : , , , .

за модулем більше за — відкидаємо. Отже, .

Відповідь: .

Пастки: — не відкинули стороннє значення; — сума обох коренів квадратного рівняння.

Приклад 4. Розв'яжіть рівняння

Завдання: виберіть правильну відповідь з-поміж п'яти.

Розв'язання. Це однорідне рівняння другого степеня (). Ділимо обидві частини на :

.

Заміна : , , , .

.

.

Відповідь: , , .

Пояснення дистракторів: період замість — помилка в періоді тангенса; — переплутали корені; лише одна серія — втратили другий корінь.

Приклад 5. Розв'яжіть рівняння

Завдання: виберіть правильну відповідь з-поміж п'яти.

Розв'язання. Замінюємо і переносимо все в один бік:

.

Перший множник: .

Другий множник: .

Відповідь: , , .

Пастка: варіант лише з — це результат ділення на , яке загубило серію .

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Типові помилки й пастки

  • Не відкидають t = 2 чи t = −2 для sin x і cos x, хоча |t| ≤ 1. Завжди перевіряй, чи потрапляє корінь квадратного рівняння у відрізок [−1; 1].

  • Обмежують |t| ≤ 1 для tg x, хоча тангенс набуває будь-яких дійсних значень. Для t = tg x жодного обмеження немає.

  • Замінюють sin²x на 1 − cos x (без квадрата) або cos 2x — на 2cos x − 1. Пам'ятай: sin²x = 1 − cos²x, cos 2x = 2cos²x − 1, а не 2cos x − 1.

  • Ділять рівняння sin 2x = √3 cos x на cos x і гублять серію cos x = 0. Завжди винось спільний множник за дужки, а не скорочуй.

  • Ділять на cos²x рівняння без доданка з sin²x (наприклад sin x cos x − cos²x = 0) і гублять серію π/2 + πn. Ділити однорідне рівняння другого степеня на cos²x можна лише тоді, коли в ньому є доданок a sin²x (a ≠ 0).

  • Гублять одну із серій. Однакова літера для двох серій не є помилкою, але різні літери (n, k, m ∈ ℤ) зручніші під час відбору коренів.

  • Записують arccos(−1/2) як −π/3 замість 2π/3. arccos(−1/2) = 2π/3, а не −π/3.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Як це перевіряють на НМТ

За програмою НМТ з математики (тема 2.1) нескладні тригонометричні рівняння, які зводяться до найпростіших, і загальні методи — заміна змінної та розкладання на множники — належать до рівня стандарту. Тригонометричні рівняння складнішого вигляду — до профільного рівня (П).

У довідкових матеріалах, які додають до тесту, є такі формули:

  • і

Загальних формул розв'язків тригонометричних рівнянь у довідці немає — їх треба знати напам'ять.

Форми завдань на НМТ:

  • Вибір однієї відповіді з п'яти (завдання 1–15, 0 або 1 бал) — у таких завданнях подають набори серій розв'язків, і треба вибрати правильний.

  • Коротка відповідь (завдання 19–22, 0 або 2 бали) — число, наприклад значення sin x, записане десятковим дробом −0,5.

У демоваріанті НМТ-2026 тригонометричне рівняння є в завданні 11, але це найпростіше рівняння з відбором коренів на проміжку; рівнянь, що зводяться до квадратних, у демоваріанті немає. У вибірці тестів 2023–2024 серед рівнянь з параметром у завданні 22 трапляються тригонометричні (профільний рівень).

Стратегія: підстановка n = 0 і n = 1 у початкове рівняння допомагає відсіяти серії із зайвими значеннями (неправильний період чи знак). Але вона не доводить, що варіант повний, тому звір кількість серій і період із власним розв'язанням.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Питання й відповіді

Чому значення t = 2 відкидаємо для синуса, але не для тангенса?

Синус і косинус за означенням — координати точки на одиничному колі, тому вони належать відрізку [−1; 1]. Якщо квадратне рівняння дає корінь t = 2, то рівняння sin x = 2 не має розв'язків — жодна точка кола не має ординати 2. Натомість тангенс — це відношення sin x / cos x, яке може бути будь-яким дійсним числом, тому для t = tg x обмеження |t| ≤ 1 не діє.

Яку з трьох формул cos 2x вибрати в конкретному рівнянні?

Дивись на решту рівняння. Якщо в рівнянні є sin x (або sin²x), використовуй cos 2x = 1 − 2sin²x — тоді все виразиться через синус. Якщо є cos x (або cos²x), бери cos 2x = 2cos²x − 1. Якщо є і sin x, і cos x в першому степені, можна застосувати cos 2x = cos²x − sin²x і далі зводити до однорідного.

Чому не можна ділити обидві частини рівняння на cos x?

Ділення на cos x (або sin x) припустиме лише тоді, коли ми впевнені, що cos x ≠ 0 для жодного розв'язку. Інакше ми втрачаємо всі корені, при яких cos x = 0. Наприклад, у рівнянні sin 2x = √3 cos x значення x = π/2 + πn є розв'язками, але при них cos x = 0 — поділивши, ми їх загубили б. Правильний підхід: перенести все в один бік і винести cos x за дужки.

Як записати відповідь, якщо вийшло дві серії розв'язків?

Записують обидві серії через кому (або через «або»). Кожна серія — окрема множина, і ціле число в ній пробігає всі значення незалежно, тому можна писати й одну літеру: x = π/2 + 2πn або x = (−1)ⁿ π/6 + πn, n ∈ ℤ. Різні літери (n, k ∈ ℤ) — лише зручність, особливо під час відбору коренів.

Коли ділення на cos²x безпечне?

Ділити на cos²x безпечно лише тоді, коли рівняння однорідне другого степеня: a sin²x + b sin x cos x + c cos²x = 0, причому a ≠ 0. У такому рівнянні cos x = 0 не дає розв'язку (бо тоді й sin x = 0, що суперечить sin²x + cos²x = 1). Якщо доданка a sin²x немає (a = 0), рівняння теж однорідне, але ділити на cos²x не можна — треба виносити cos x за дужки.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Коротко: головне

  • Заміна t = sin x чи t = cos x: |t| ≤ 1; t = tg x — без обмежень.

  • sin²x = 1 − cos²x, cos²x = 1 − sin²x — щоб лишилася одна функція.

  • cos 2x = 1 − 2sin²x = 2cos²x − 1 — форму вибираємо за рештою рівняння.

  • Однорідне рівняння з ненульовим коефіцієнтом при sin x (sin²x) ділимо на cos x (cos²x) і отримуємо рівняння відносно tg x; якщо цей коефіцієнт нульовий — виносимо cos x за дужки.

  • Спільний множник виносимо, а не скорочуємо, — інакше губимо серію.

  • Відповідь — об'єднання серій; різні літери n, k ∈ Z зручні, але не обов'язкові.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Самоперевірка

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 $2\sin^2 x + 3\cos x = 0$.

2. Розв'яжіть рівняння $\cos 2x = \cos x$.

3. Розв'яжіть рівняння $2\sin^2 x + \sin x - 1 = 0$.

4. Розв'яжіть рівняння $3\sin^2 x - 4\sin x\cos x + \cos^2 x = 0$.

5. Розв'яжіть рівняння $2\cos^2 x + 3\cos x - 2 = 0$.

Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 10 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.

Приєднатися, щоб пройти тест