Перейти до основного вмісту
Каталог

Тригонометричні рівняння, що зводяться до квадратних

~20 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань

Рівняння, нерівності й системи
Математика НМТ

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.

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 , , , .

.

.

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.

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 .

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.

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.

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.

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.