Задание 13 ЕГЭ профиль: уравнения всех типов с отбором корней

Подтемы

Что проверяет задание

Задание 13 — это уравнение, которое нужно решить полностью, а затем (во втором пункте) выбрать из найденных корней те, что попадают в заданный промежуток или отрезок. Проверяются три навыка одновременно:

  • умение сводить сложное уравнение (тригонометрическое, показательное, логарифмическое, иррациональное или смешанное) к алгебраическому через замену переменной;
  • аккуратная работа с ОДЗ — областью допустимых значений, без которой легко получить посторонние корни;
  • умение отбирать корни на числовом промежутке, сравнивая точные значения (с π\pi, логарифмами, корнями) с границами отрезка.

Задание считается одним из самых объёмных по вычислениям в первой части экзамена, поэтому именно здесь чаще всего теряются баллы из-за невнимательности, а не из-за незнания теории.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Стандартная формулировка состоит из двух пунктов:

  • а) Решите уравнение (общее решение, часто с параметром kZk\in\mathbb{Z}, если уравнение тригонометрическое).
  • б) Найдите (или укажите) корни, принадлежащие заданному отрезку или интервалу.

За задание можно получить максимум 2 балла:

  • 2 балла — оба пункта верны, с обоснованным решением;
  • 1 балл — верно решён только пункт а) (без ошибок в вычислениях, но без отбора или с ошибкой в отборе), либо получен верный ответ в пункте б) при наличии вычислительной ошибки в пункте а), не влияющей на итоговый отбор;
  • 0 баллов — уравнение решено с ошибкой по существу, либо решение отсутствует.

Особое внимание эксперты уделяют обоснованию ОДЗ и корректности отбора корней — это отдельный проверяемый шаг, а не «довесок».

Что нужно знать

  • Основное тригонометрическое тождество: sin2x+cos2x=1\sin^2x+\cos^2x=1, tanx=sinxcosx\tan x=\dfrac{\sin x}{\cos x}, cotx=cosxsinx\cot x=\dfrac{\cos x}{\sin x}.
  • Формулы двойного угла: sin2x=2sinxcosx\sin2x=2\sin x\cos x, cos2x=cos2xsin2x=2cos2x1=12sin2x\cos2x=\cos^2x-\sin^2x=2\cos^2x-1=1-2\sin^2x.
  • Простейшие тригонометрические уравнения: sinx=ax=(1)narcsina+πn\sin x=a\Rightarrow x=(-1)^n\arcsin a+\pi n; cosx=ax=±arccosa+2πn\cos x=a\Rightarrow x=\pm\arccos a+2\pi n; tanx=ax=arctana+πn\tan x=a\Rightarrow x=\arctan a+\pi n.
  • Свойства степеней: am+n=amana^{m+n}=a^m\cdot a^n, amn=(am)na^{mn}=(a^m)^n, ax>0a^x>0 для любого xx при a>0a>0.
  • Свойства логарифмов: loga(xy)=logax+logay\log_a(xy)=\log_ax+\log_ay (при x,y>0x,y>0), logaxn=nlogax\log_a x^n=n\log_a x (с учётом чётности nn), ОДЗ логарифма: аргумент >0>0, основание >0>0, основание 1\neq1.
  • Иррациональные уравнения: f(x)=g(x)    {f(x)=g(x)2g(x)0\sqrt{f(x)}=g(x)\iff \begin{cases}f(x)=g(x)^2\\ g(x)\geq0\end{cases}; при возведении в квадрат корни могут появляться посторонние — проверка обязательна.
  • Уравнение под корнем чётной степени или в знаменателе всегда требует ОДЗ: подкоренное выражение 0\geq0 (или >0>0, если корень в знаменателе), знаменатель 0\neq0.
  • Однородное тригонометрическое уравнение вида asin2x+bsinxcosx+ccos2x=0a\sin^2x+b\sin x\cos x+c\cos^2x=0 решается делением на cos2x\cos^2x (при условии cosx0\cos x\neq0, что проверяется отдельно).
  • Приближённые значения для отбора корней: π3.14\pi\approx3.14, 21.41\sqrt2\approx1.41, 31.73\sqrt3\approx1.73, 103.16\sqrt{10}\approx3.16; для логарифмов удобно оценивать через степени: log392\log_39\approx2, значит log35\log_35 между 11 и 22.

Методы решения

1. Метод замены переменной (показательные и тригонометрические уравнения). Показательное уравнение вида Aa2x+Bax+C=0A\cdot a^{2x}+B\cdot a^x+C=0 сводится к квадратному заменой t=axt=a^x (t>0t>0). Пример: 4x62x+8=04^x-6\cdot2^x+8=0. Замена t=2xt=2^x: t26t+8=0t=2t^2-6t+8=0\Rightarrow t=2 или t=4t=4, откуда x=1x=1 или x=2x=2.

2. Разложение на множители. Если уравнение можно представить как произведение множителей, равное нулю, решаем каждый множитель отдельно с учётом ОДЗ. Пример: sinxcosxsinx=0sinx(cosx1)=0sinx=0\sin x\cos x-\sin x=0\Rightarrow \sin x(\cos x-1)=0\Rightarrow \sin x=0 или cosx=1\cos x=1.

3. Однородные тригонометрические уравнения. Уравнение asin2x+bsinxcosx+ccos2x=0a\sin^2x+b\sin x\cos x+c\cos^2x=0 делится на cos2x\cos^2x (проверив, что cosx=0\cos x=0 не является корнем), получаем квадратное уравнение относительно tanx\tan x. Пример: sin2x3sinxcosx+2cos2x=0\sin^2x-3\sin x\cos x+2\cos^2x=0. Деление на cos2x\cos^2x: tan2x3tanx+2=0tanx=1\tan^2x-3\tan x+2=0\Rightarrow \tan x=1 или tanx=2\tan x=2.

4. Метод учёта ОДЗ (область допустимых значений). Прежде чем решать уравнение с корнями, логарифмами или дробями, находим область, где уравнение имеет смысл, и в конце проверяем каждый найденный корень на принадлежность этой области. Пример: sinxcosx=1\dfrac{\sin x}{\sqrt{-\cos x}}=1. ОДЗ: cosx>0cosx<0-\cos x>0\Rightarrow \cos x<0. Только после этого решаем уравнение и отбираем корни, удовлетворяющие условию cosx<0\cos x<0.

5. Метод потенцирования (для иррациональных и логарифмических уравнений). Освобождаемся от корня возведением в степень или от логарифма — переходом к равенству аргументов, с обязательной проверкой полученных корней в исходном уравнении. Пример: 2x+3=x\sqrt{2x+3}=x. Возводим в квадрат: 2x+3=x2x22x3=0x=32x+3=x^2\Rightarrow x^2-2x-3=0\Rightarrow x=3 или x=1x=-1. Проверка: x=1x=-1 даёт 1=1\sqrt1=-1 — неверно, значит единственный корень x=3x=3.

Алгоритм решения по шагам

  1. Найти ОДЗ уравнения: учесть знаменатели, подкоренные выражения, аргументы логарифмов, области определения tanx\tan x, cotx\cot x.
  2. Привести уравнение к удобному виду: раскрыть формулы (двойного угла, свойства степеней/логарифмов), перенести всё в одну часть.
  3. Сделать замену переменной, если уравнение сводится к квадратному или другому стандартному виду; указать ограничение на новую переменную (например, t>0t>0 для показательных).
  4. Решить полученное уравнение относительно новой переменной, затем вернуться к исходной.
  5. Проверить каждый корень по ОДЗ — отбросить посторонние решения.
  6. Выполнить обратную замену и получить общий ответ пункта а) (с параметром kZk\in\mathbb{Z} для тригонометрии).
  7. Для пункта б) подставить целые значения параметра и найти те корни, которые попадают в заданный отрезок, сравнивая точные значения с границами (через десятичные приближения при необходимости).

Разбор примеров

Пример 1.

Условие: а) решить 2sin2xsinx1cosxtanx=0\dfrac{2\sin^2x-\sin x-1}{\sqrt{-\cos x\tan x}}=0; б) найти корни на отрезке [2π;7π2]\left[2\pi;\dfrac{7\pi}{2}\right].

Шаг 1 — ОДЗ. Подкоренное выражение должно быть строго положительным (это ещё и знаменатель дроби): cosxtanx>0-\cos x\tan x>0. Подставляя tanx=sinxcosx\tan x=\dfrac{\sin x}{\cos x} при cosx0\cos x\neq0, получаем cosxsinxcosx=sinx>0-\cos x\cdot\dfrac{\sin x}{\cos x}=-\sin x>0, то есть sinx<0\sin x<0. Случай sinx=1\sin x=-1 даёт cosx=0\cos x=0, при котором tanx\tan x не определён — исключаем. Итог ОДЗ: 1<sinx<0-1<\sin x<0.

Шаг 2 — решение числителя. Дробь равна нулю, когда числитель равен нулю (на ОДЗ): 2sin2xsinx1=02\sin^2x-\sin x-1=0. Замена t=sinxt=\sin x: 2t2t1=0t=12t^2-t-1=0\Rightarrow t=1 или t=12t=-\dfrac12.

Шаг 3 — проверка по ОДЗ. Условию 1<sinx<0-1<\sin x<0 удовлетворяет только t=12t=-\dfrac12; значение t=1t=1 отбрасываем.

Шаг 4 — решение простейшего уравнения. sinx=12x=7π6+2πk\sin x=-\dfrac12\Rightarrow x=\dfrac{7\pi}{6}+2\pi k или x=11π6+2πk, kZx=\dfrac{11\pi}{6}+2\pi k,\ k\in\mathbb{Z}. Это ответ пункта а): {7π6+2πk; 11π6+2πk}\left\{\dfrac{7\pi}{6}+2\pi k;\ \dfrac{11\pi}{6}+2\pi k\right\}.

Шаг 5 — отбор на отрезке. Отрезок [2π;7π/2][6.28;10.99][2\pi;\,7\pi/2]\approx[6.28;\,10.99]. Проверяем серии: при k=1k=1 в первой серии x=7π6+2π=19π69.95x=\dfrac{7\pi}{6}+2\pi=\dfrac{19\pi}{6}\approx9.95 — попадает в отрезок. Остальные значения при других kk и во второй серии выходят за границы. Ответ пункта б): 19π6\dfrac{19\pi}{6}.

Пример 2.

Условие: а) решить 9x1283x1+5=09^{x-\frac12}-8\cdot3^{x-1}+5=0; б) найти корни на промежутке (1;73)\left(1;\dfrac73\right).

Шаг 1 — преобразование степеней. 9x12=9x3=32x39^{x-\frac12}=\dfrac{9^x}{3}=\dfrac{3^{2x}}{3}, 3x1=3x33^{x-1}=\dfrac{3^x}{3}. Уравнение принимает вид 32x383x3+5=0\dfrac{3^{2x}}{3}-\dfrac{8\cdot3^x}{3}+5=0. Умножаем на 3: 32x83x+15=03^{2x}-8\cdot3^x+15=0.

Шаг 2 — замена. Пусть t=3x>0t=3^x>0: t28t+15=0t=3t^2-8t+15=0\Rightarrow t=3 или t=5t=5.

Шаг 3 — обратная замена. 3x=3x=13^x=3\Rightarrow x=1; 3x=5x=log353^x=5\Rightarrow x=\log_35. Оба значения t>0t>0, значит оба корня допустимы. Ответ пункта а): {1; log35}\{1;\ \log_35\}.

Шаг 4 — отбор на промежутке. Промежуток открытый: (1;7/3)(1;2.33)(1;\,7/3)\approx(1;\,2.33). Значение x=1x=1 не входит, так как граница открыта. Оценим log35\log_35: поскольку 31.55.23^{1.5}\approx5.2, то log351.465\log_35\approx1.465, что лежит внутри интервала. Ответ пункта б): log35\log_35.

Пример 3.

Условие: а) решить 4x2x+3+15=04^x-2^{x+3}+15=0; б) указать корни на отрезке [2;10]\left[2;\sqrt{10}\right].

Шаг 1 — преобразование степеней. 4x=(2x)24^x=(2^x)^2, 2x+3=82x2^{x+3}=8\cdot2^x. Уравнение: (2x)282x+15=0(2^x)^2-8\cdot2^x+15=0.

Шаг 2 — замена. Пусть t=2x>0t=2^x>0: t28t+15=0t=3t^2-8t+15=0\Rightarrow t=3 или t=5t=5.

Шаг 3 — обратная замена. 2x=3x=log232^x=3\Rightarrow x=\log_23; 2x=5x=log252^x=5\Rightarrow x=\log_25. Оба корня допустимы. Ответ пункта а): {log23; log25}\{\log_23;\ \log_25\}.

Шаг 4 — отбор на отрезке. Отрезок [2;10][2;3.16][2;\sqrt{10}]\approx[2;\,3.16]. Оценим корни: log231.585\log_23\approx1.585 — меньше 2, не входит. log252.32\log_25\approx2.32 — входит в отрезок. Ответ пункта б): log25\log_25.

Типичные ошибки и ловушки

  • Игнорирование ОДЗ до решения: если найти ОДЗ после решения уравнения, легко забыть проверить корни и включить в ответ посторонние значения.
  • Потеря корней при делении обеих частей уравнения на выражение, которое может равняться нулю (например, деление на cosx\cos x в однородных уравнениях без проверки случая cosx=0\cos x=0).
  • Незамеченное ограничение на новую переменную при замене: для показательных уравнений t=axt=a^x всегда t>0t>0, отрицательные или нулевые корни квадратного уравнения относительно tt нужно отбрасывать.
  • Ошибки при возведении в квадрат в иррациональных уравнениях — обязательна проверка знака правой части и подстановка найденных корней в исходное уравнение.
  • Неверная оценка приближённых значений при отборе корней с логарифмами или π\pi: полезно сравнивать через известные степени или табличные значения, а не «на глаз».
  • Пропуск целых значений параметра kk при переборе серий тригонометрических корней на отрезке — стоит явно выписать несколько соседних значений kk в обе стороны от границ отрезка.
  • Механическое перемножение логарифмов без учёта ОДЗ аргумента и основания — приводит к появлению корней, не входящих в область определения исходного выражения.

Как готовиться

Задание 13 требует не только знания формул, но и дисциплины в оформлении решения: ОДЗ — в начале, проверка корней — в конце, отбор на промежутке — отдельным явным шагом. Полезно закрепить алгоритм на каждом типе уравнений отдельно: сначала научиться уверенно решать простейшие тригонометрические, показательные и логарифмические уравнения, затем переходить к их комбинациям и уравнениям смешанного типа (тригонометрия с логарифмами, с иррациональностями, с показательными выражениями). При тренировке стоит завести привычку сразу выписывать ОДЗ до начала преобразований и в конце решения возвращаться к нему для проверки каждого корня. Для отбора корней на отрезке эффективно тренироваться в оценке значений с π\pi, корнями и логарифмами через десятичные приближения — это экономит время на экзамене и снижает риск арифметической ошибки. Регулярное решение задач всех перечисленных подтем (не только «любимых») позволяет выработать автоматизм в распознавании метода: замена переменной, разложение на множители, приведение к однородному виду или прямое решение через ОДЗ.

Частые вопросы

Нужно ли всегда искать ОДЗ, даже если уравнение выглядит простым?

Да, если в уравнении есть дробь, корень чётной степени, логарифм или тангенс/котангенс. Даже простое на первый взгляд уравнение может иметь ограничения, без учёта которых появятся посторонние корни.

Как понять, что тригонометрическое уравнение однородное?

Однородное уравнение содержит только члены одной и той же суммарной степени по sinx\sin x и cosx\cos x, например asin2x+bsinxcosx+ccos2x=0a\sin^2x+b\sin x\cos x+c\cos^2x=0. Такие уравнения делятся на cos2x\cos^2x (после проверки, что cosx=0\cos x=0 не является корнем) и сводятся к уравнению относительно tanx\tan x.

Почему при замене $t=a^x$ в показательном уравнении важно указывать $t>0$?

Потому что показательная функция axa^x при a>0a>0 принимает только положительные значения. Если после решения квадратного уравнения относительно tt получается отрицательный или нулевой корень, он не соответствует никакому значению xx и должен быть отброшен.

Как отбирать корни тригонометрического уравнения на заданном отрезке, если он не кратен $\pi$?

Нужно перевести границы отрезка в приближённые десятичные значения (используя π3.14\pi\approx3.14) и подставлять в обе найденные серии корней целые значения параметра kk, начиная с тех, что дают значения, близкие к границам отрезка, проверяя попадание.

Обязательно ли делать проверку после возведения в квадрат в иррациональном уравнении?

Да, это обязательный шаг. При возведении в квадрат теряется информация о знаке, поэтому уравнение f(x)=g(x)\sqrt{f(x)}=g(x) равносильно системе с условием g(x)0g(x)\geq0, а полученные корни нужно подставить в исходное уравнение для окончательной проверки.

Что делать, если после замены переменной получается два корня, но один из них не проходит по ОДЗ?

Такой корень просто отбрасывается на этапе проверки — в ответ входит только тот корень (или корни), который удовлетворяет всем ограничениям ОДЗ, найденным на первом шаге решения.