ГлавнаяЕГЭ Математика (профиль)Задание 13Тригонометрические уравнения, исследование ОДЗ

Задание 13 ЕГЭ: тригонометрические уравнения с ОДЗ

Задачи (53)

О чём эта подтема

Задание 13 профильного ЕГЭ часто включает не просто тригонометрическое уравнение, а конструкцию с дробью, корнем или тангенсом/котангенсом, где часть значений переменной запрещена. Такие уравнения нельзя решать «в лоб»: сначала нужно определить область допустимых значений (ОДЗ), а уже потом искать корни и отбирать среди них те, что не противоречат ограничениям.

Особенность этой подтемы в том, что ошибка почти никогда не в самом уравнении — школьники обычно верно решают квадратное относительно sinx\sin x или cosx\cos x, верно раскладывают на множители. Проблема в другом: забывают про знаменатель, забывают про подкоренное выражение, забывают, что tanx\tan x и cotx\cot x определены не всегда. В результате в ответе оказываются лишние корни или, наоборот, теряются нужные. Именно поэтому ОДЗ — отдельный, полноценный этап решения, а не формальная приписка «очевидно, что...».

Задание состоит из двух пунктов: в пункте а) нужно решить уравнение целиком (получить общую серию корней), в пункте б) — отобрать из этой серии корни, принадлежащие конкретному отрезку. Второй пункт технически проще первого, но именно в нём чаще всего допускают арифметические ошибки при подборе целых значений параметра.

Что нужно знать

Для решения уравнений этого типа достаточно твёрдо знать несколько фактов.

1. Условия существования выражений.

  • Дробь AB\dfrac{A}{B} определена, когда B0B\neq 0.
  • Корень чётной степени B\sqrt{B} определён, когда B0B\ge 0; если корень стоит в знаменателе, требуется строгое неравенство B>0B>0.
  • tanx=sinxcosx\tan x=\dfrac{\sin x}{\cos x} определён при cosx0\cos x\neq 0, то есть xπ2+πnx\neq \dfrac{\pi}{2}+\pi n.
  • cotx=cosxsinx\cot x=\dfrac{\cos x}{\sin x} определён при sinx0\sin x\neq 0, то есть xπnx\neq \pi n.

2. Основные тригонометрические тождества, которые пригождаются для упрощения ОДЗ и самого уравнения: sin2x+cos2x=1,tanx=sinxcosx,cotx=cosxsinx.\sin^2x+\cos^2x=1,\qquad \tan x=\frac{\sin x}{\cos x},\qquad \cot x=\frac{\cos x}{\sin x}.

3. Решения простейших уравнений: sinx=a (a1)  x=(1)narcsina+πn, nZ;\sin x=a\ (|a|\le1)\ \Rightarrow\ x=(-1)^n\arcsin a+\pi n,\ n\in\mathbb{Z}; cosx=a (a1)  x=±arccosa+2πn, nZ;\cos x=a\ (|a|\le1)\ \Rightarrow\ x=\pm\arccos a+2\pi n,\ n\in\mathbb{Z}; tanx=a  x=arctana+πn, nZ.\tan x=a\ \Rightarrow\ x=\arctan a+\pi n,\ n\in\mathbb{Z}. Для табличных значений (sinx=12\sin x=-\tfrac12, tanx=3\tan x=-\sqrt3 и т. п.) полезно сразу помнить готовые серии, не выводя их через арксинус/арктангенс каждый раз.

4. Понимание того, что значит «уравнение равно нулю». Произведение или дробь равны нулю тогда и только тогда, когда равен нулю числитель (или один из множителей), при условии что знаменатель (или подкоренное выражение в знаменателе) при этом не равен нулю. Это ключевой логический момент: ОДЗ находится один раз в начале, а дальше на этой области ищутся нули числителя.

5. Расположение точек на числовой окружности и на числовой прямой — умение быстро оценивать, при каком целом kk значение вида π6+2πk\dfrac{\pi}{6}+2\pi k попадает в заданный отрезок. Это чисто техническое умение, но именно оно определяет успех в пункте б).

Как решать: метод и алгоритм

Алгоритм решения тригонометрического уравнения с ОДЗ всегда одинаков, независимо от конкретной конструкции.

Шаг 1. Найти ОДЗ. Выписать все ограничения: знаменатели не равны нулю, подкоренные выражения неотрицательны (или строго положительны, если корень в знаменателе), аргументы тангенса и котангенса определены. Если ограничений несколько, их нужно объединить через систему (все условия должны выполняться одновременно).

Часто ОДЗ удобно упростить с помощью тождеств. Например, выражение cosxtanx-\cos x\tan x раскладывается как sinx-\sin x (при cosx0\cos x\neq0), и неравенство сводится к простому условию на синус.

Шаг 2. Решить уравнение без учёта ОДЗ. Преобразовать уравнение к виду, где можно применить замену переменной (например, t=sinxt=\sin x или t=cosxt=\cos x), разложить на множители, свести к произведению простых сомножителей, каждый из которых затем приравнивается к нулю.

Шаг 3. Отобрать корни, удовлетворяющие ОДЗ. Это критический шаг. Каждое найденное значение tt (или полученную серию xx) нужно проверить на соответствие ограничениям из шага 1. Если ОДЗ сформулирована как неравенство на sinx\sin x или cosx\cos x (например, 1<sinx<0-1<\sin x<0), достаточно проверить, попадает ли найденное значение tt в этот промежуток — не нужно возвращаться к переменной xx.

Шаг 4. Записать общий ответ (серии корней) — это пункт а).

Шаг 5. Для пункта б) отобрать корни на заданном отрезке. Для каждой серии вида x=x0+2πkx=x_0+2\pi k (или с периодом π\pi) нужно решить двойное неравенство относительно целого kk: ax0+2πkbax02πkbx02π,a\le x_0+2\pi k\le b \quad\Rightarrow\quad \frac{a-x_0}{2\pi}\le k\le \frac{b-x_0}{2\pi}, и выбрать целые значения kk из этого промежутка. Полезно сразу переводить границы отрезка в приближённые десятичные значения (например, 2π6.282\pi\approx6.28, 7π/210.997\pi/2\approx10.99), чтобы визуально контролировать попадание.

Разбор примера

Пример 1

Условие: а) решить уравнение 2sin2xsinx1cosxtanx=0;\frac{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. Дробь определена и не равна нулю в знаменателе только тогда, когда подкоренное выражение строго больше нуля (корень в знаменателе — нужна строгая положительность): cosxtanx>0.-\cos x\tan x>0. При cosx0\cos x\neq0 раскрываем тангенс: tanx=sinxcosx\tan x=\dfrac{\sin x}{\cos x}, тогда cosxsinxcosx=sinx>0  sinx<0.-\cos x\cdot\frac{\sin x}{\cos x}=-\sin x>0 \ \Rightarrow\ \sin x<0. Отдельно проверяем крайний случай sinx=1\sin x=-1: тогда cosx=0\cos x=0 и tanx\tan x не определён, значит это значение нужно исключить. Итоговое ОДЗ: 1<sinx<0.-1<\sin x<0.

Шаг 2. Решаем уравнение на этой области. Дробь равна нулю, если числитель равен нулю: 2sin2xsinx1=0.2\sin^2x-\sin x-1=0. Замена t=sinxt=\sin x даёт квадратное уравнение 2t2t1=02t^2-t-1=0, корни которого t=1t=1 и t=12t=-\dfrac12 (по теореме Виета или через дискриминант D=1+8=9D=1+8=9).

Шаг 3. Отбор по ОДЗ. Условие 1<sinx<0-1<\sin x<0 отсекает t=1t=1 (не входит в промежуток) и оставляет t=12t=-\dfrac12 (входит, так как 1<12<0-1<-\tfrac12<0).

Шаг 4. Решаем sinx=12\sin x=-\dfrac12: x=π6+2πkилиx=π+π6+2πk,x=-\frac{\pi}{6}+2\pi k \quad\text{или}\quad x=\pi+\frac{\pi}{6}+2\pi k, что удобнее записать как x=7π6+2πk,x=11π6+2πk,kZ.x=\frac{7\pi}{6}+2\pi k,\qquad x=\frac{11\pi}{6}+2\pi k,\quad k\in\mathbb{Z}. Это ответ пункта а).

Шаг 5. Отбор корней на [2π;7π/2][2\pi;\,7\pi/2] (приближённо [6.28;10.99][6.28;\,10.99]). Проверяем первую серию: при k=1k=1 получаем x=7π6+2π=19π69.95x=\dfrac{7\pi}{6}+2\pi=\dfrac{19\pi}{6}\approx9.95 — попадает в отрезок. При k=0k=0 значение 7π63.67\dfrac{7\pi}{6}\approx3.67 — не попадает, при k=2k=2 значение 7π6+4π16.2\dfrac{7\pi}{6}+4\pi\approx16.2 — тоже нет. Проверяем вторую серию: при k=1k=1 значение 11π6+2π=23π612.04\dfrac{11\pi}{6}+2\pi=\dfrac{23\pi}{6}\approx12.04 — уже больше правой границы 10.9910.99, не подходит; при k=0k=0 значение 11π65.76\dfrac{11\pi}{6}\approx5.76 — меньше левой границы. Единственный подходящий корень: 19π6\dfrac{19\pi}{6}.

Пример 2

Условие: а) решить уравнение (cosx1)(tanx+3)cosx=0;(\cos x-1)(\tan x+\sqrt3)\sqrt{\cos x}=0; б) найти корни на отрезке [3π;9π2]\left[3\pi;\dfrac{9\pi}{2}\right].

Шаг 1. ОДЗ. Под корнем должно быть cosx0\cos x\ge0; кроме того, для существования tanx\tan x нужно cosx0\cos x\neq0. Совмещая условия, получаем строгую область: cosx>0.\cos x>0.

Шаг 2. Решаем уравнение на этой области. Произведение равно нулю, если равен нулю один из множителей (при cosx>0\cos x>0 множитель cosx\sqrt{\cos x} никогда не равен нулю, поэтому он не даёт корней): cosx1=0илиtanx+3=0.\cos x-1=0 \quad\text{или}\quad \tan x+\sqrt3=0.

Случай 1: cosx=1\cos x=1. Отсюда x=2πkx=2\pi k. Проверка ОДЗ: cos(2πk)=1>0\cos(2\pi k)=1>0 — подходит при любом kk.

Случай 2: tanx=3\tan x=-\sqrt3. Отсюда x=π3+πn, nZx=-\dfrac{\pi}{3}+\pi n,\ n\in\mathbb{Z}. Нужно проверить знак косинуса для чётных и нечётных nn отдельно.

  • При чётном n=2kn=2k: x=π3+2πkx=-\dfrac{\pi}{3}+2\pi k, cos(π3)=12>0\cos\left(-\dfrac{\pi}{3}\right)=\dfrac12>0 — подходит.
  • При нечётном n=2k+1n=2k+1: x=π3+π+2πk=2π3+2πkx=-\dfrac{\pi}{3}+\pi+2\pi k=\dfrac{2\pi}{3}+2\pi k, cos(2π3)=12<0\cos\left(\dfrac{2\pi}{3}\right)=-\dfrac12<0 — не подходит.

Значит, из второго случая остаётся только серия x=π3+2πkx=-\dfrac{\pi}{3}+2\pi k.

Шаг 3. Ответ пункта а): x=2πk,x=π3+2πk,kZ.x=2\pi k,\qquad x=-\frac{\pi}{3}+2\pi k,\quad k\in\mathbb{Z}.

Шаг 4. Отбор корней на [3π;9π/2][3\pi;\,9\pi/2] (приближённо [9.42;14.14][9.42;\,14.14]). Серия x=2πkx=2\pi k: при k=2k=2 получаем x=4π12.57x=4\pi\approx12.57 — попадает в отрезок; при k=1k=1 (2π6.282\pi\approx6.28) и k=3k=3 (6π18.856\pi\approx18.85) — вне отрезка. Серия x=π3+2πkx=-\dfrac{\pi}{3}+2\pi k: при k=2k=2 получаем x=π3+4π=11π311.52x=-\dfrac{\pi}{3}+4\pi=\dfrac{11\pi}{3}\approx11.52 — попадает; при k=1k=1 (5π35.24\dfrac{5\pi}{3}\approx5.24) и k=3k=3 (17π317.8\dfrac{17\pi}{3}\approx17.8) — вне отрезка. Итоговый ответ пункта б): 11π3, 4π\dfrac{11\pi}{3},\ 4\pi.

Типичные ошибки

Игнорирование ОДЗ до конца решения. Часто уравнение решают полностью, а про ограничения вспоминают в последний момент — и либо забывают проверить, либо проверяют неверно, подставляя приближённые значения вместо точного анализа знака.

Путаница между 0\ge0 и >0>0. Если корень стоит в числителе, подкоренное выражение может быть равно нулю. Если корень стоит в знаменателе — только строго больше нуля. Эта деталь регулярно приводит к появлению лишнего или, наоборот, отсутствующего корня.

Забытое ограничение на тангенс и котангенс. Когда в уравнении встречается tanx\tan x или cotx\cot x, необходимо помнить про запрет соответственно на cosx=0\cos x=0 или sinx=0\sin x=0, даже если это не выражено явно в условии.

Неполная проверка крайних значений. Как в примере 1, значение sinx=1\sin x=-1 формально удовлетворяет неравенству sinx0\sin x\le0, но обращает cosx\cos x в ноль, что делает tanx\tan x не определённым. Такие «пограничные» случаи нужно проверять отдельно, не полагаясь только на нестрогое неравенство.

Ошибки в подборе целых kk для пункта б). Частая причина потери или добавления лишнего корня — арифметическая ошибка при вычислении границ для kk или неаккуратное сравнение дробей с π\pi. Полезно всегда переводить границы отрезка и найденные корни в приближённые десятичные значения для визуального контроля.

Смешение серий корней. Если уравнение распадается на два случая (например, cosx=1\cos x=1 и tanx=3\tan x=-\sqrt3), нельзя объединять их в одну формулу «для скорости» — у серий разные периоды и разные стартовые точки, объединение приводит к потере части ответов.

На что обратить внимание на экзамене

Начинайте решение именно с поиска ОДЗ, а не с преобразования уравнения — так вы сразу зафиксируете рамки, в которых будете работать, и не забудете про них к концу решения. Записывайте ОДЗ явно, отдельной строкой, даже если оно кажется очевидным.

При проверке найденных значений t=sinxt=\sin x или t=cosxt=\cos x на соответствие ОДЗ работайте именно с этой переменной, а не переходите обратно к иксу без необходимости — это экономит время и снижает риск ошибки.

В пункте б) всегда переводите все числа (границы отрезка, значения корней) в приближённые десятичные дроби через π3.14\pi\approx3.14 — это позволяет быстро и надёжно проверить попадание в отрезок, не полагаясь на интуицию.

Если уравнение содержит несколько множителей или несколько условий ОДЗ, решайте каждый случай отдельно и до конца, прежде чем переходить к следующему. Не объединяйте промежуточные результаты преждевременно.

Перед записью окончательного ответа обязательно ещё раз подставьте (хотя бы для одного значения параметра из каждой серии) найденный корень в исходное уравнение — это лучший способ поймать ошибку в ОДЗ или в алгебраических преобразованиях.

Частые вопросы

Почему в тригонометрических уравнениях с дробью или корнем нужно искать ОДЗ отдельно, а не просто решать уравнение?

Потому что часть корней уравнения без учёта ограничений может обращать знаменатель в ноль или делать подкоренное выражение отрицательным. Такие значения формально удовлетворяют упрощённому уравнению, но не подходят исходному, поэтому их нужно исключить заранее.

В чём разница между условием $B\ge0$ и $B>0$ для корня?

Если корень стоит в числителе или сам по себе, достаточно B0B\ge0, так как 0=0\sqrt{0}=0 — допустимое значение. Если же корень стоит в знаменателе дроби, требуется строгое неравенство B>0B>0, поскольку деление на ноль не определено.

Нужно ли учитывать ограничения на тангенс, если он не написан явно с делением?

Да, всегда. tanx=sinxcosx\tan x=\dfrac{\sin x}{\cos x} по определению не существует при cosx=0\cos x=0, и это ограничение действует независимо от того, как записано уравнение — через дробь явно или через функцию tanx\tan x.

Как быстро проверить, попадает ли корень вида $x_0+2\pi k$ в заданный отрезок?

Нужно решить двойное неравенство ax0+2πkba\le x_0+2\pi k\le b относительно kk, получив ax02πkbx02π\dfrac{a-x_0}{2\pi}\le k\le \dfrac{b-x_0}{2\pi}, и выбрать целые значения из этого промежутка. Для контроля полезно перевести все величины в десятичные приближения через π3.14\pi\approx3.14.

Что делать, если после решения квадратного уравнения относительно $\sin x$ или $\cos x$ получается два корня, а ОДЗ — это неравенство?

Нужно проверить каждый корень на соответствие неравенству ОДЗ напрямую, без перехода обратно к переменной xx — просто подставить численное значение tt в условие ОДЗ и посмотреть, выполняется ли оно.

Почему в примере с $\sin x=-1$ этот случай пришлось исключать отдельно, хотя он подходил под неравенство $\sin x\le0$?

Потому что при sinx=1\sin x=-1 автоматически cosx=0\cos x=0, а значит tanx\tan x не существует. Такое значение нарушает исходную ОДЗ, даже если формально удовлетворяет упрощённому неравенству на синус, поэтому его нужно проверять отдельно.