ГлавнаяЕГЭ Математика (профиль)Задание 13Тригонометрические уравнения, разные задачи

Задание 13 ЕГЭ: тригонометрические уравнения — разные задачи по профильной математике

Задачи (63)

О чём эта подтема

Задание 13 профильного ЕГЭ по математике почти всегда состоит из двух пунктов: а) нужно решить тригонометрическое уравнение и записать общий ответ с параметром kZk\in\mathbb{Z}; б) нужно указать корни, которые попадают в заданный отрезок. Уравнения в этой подтеме собраны «разные» — то есть заранее неизвестно, будет это однородное уравнение, уравнение с формулами приведения, с разложением на множители или комбинация всего перечисленного. Поэтому здесь важна не одна конкретная формула, а гибкость: умение быстро узнать структуру уравнения и свести её к простейшим тригонометрическим уравнениям.

Особенность именно этой подтемы в том, что чаще всего в условии встречаются аргументы вида π2x\frac{\pi}{2}-x или xπ2x-\frac{\pi}{2}, кубы синуса или косинуса, а также произведения и суммы тригонометрических функций. Задача — увидеть за этим "нестандартным" видом обычное уравнение, решаемое разложением на множители, и аккуратно довести решение до числового ответа с проверкой отбора корней.

Что нужно знать

Для решения таких уравнений достаточен ограниченный набор фактов, но применять их нужно точно.

Формулы приведения. Чаще всего используются: cos(π2x)=sinx,sin(xπ2)=cosx,cos(xπ2)=sinx.\cos\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\sin x, \qquad \sin\left(x-\frac{\pi}{2}\right)=-\cos x, \qquad \cos\left(x-\frac{\pi}{2}\right)=\sin x. Знак и функция определяются по правилу: при сдвиге на π2\frac{\pi}{2} функция меняется на кофункцию (синус на косинус и наоборот), а знак берётся по правилу приведения к первой четверти.

Связь тангенса с синусом и косинусом. tanx=sinxcosx,ОДЗ: cosx0.\tan x=\frac{\sin x}{\cos x}, \quad \text{ОДЗ: } \cos x\ne 0. Любое уравнение с тангенсом требует контроля ОДЗ на каждом шаге.

Основное тождество и формулы двойного угла. sin2x+cos2x=1,cos2x=12sin2x=2cos2x1.\sin^2 x+\cos^2 x=1, \qquad \cos 2x=1-2\sin^2x=2\cos^2x-1. Эти формулы часто помогают перейти от sin2x\sin^2 x или cos2x\cos^2 x к cos2x\cos 2x и решить уравнение через двойной угол.

Общие решения простейших уравнений: sinx=a  x=(1)narcsina+πn, nZ;\sin x=a \ \Rightarrow\ x=(-1)^n\arcsin a+\pi n,\ n\in\mathbb{Z}; cosx=a  x=±arccosa+2πn, nZ;\cos x=a \ \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 (0, 12\frac12, 22\frac{\sqrt2}{2}, 32\frac{\sqrt3}{2}, 1) ответы записываются через конкретные углы, а не через арксинус/арккосинус — это стандартная форма ответа в задании 13.

Разложение на множители. Большинство «разных» уравнений сводится к виду A(x)B(x)=0A(x)\cdot B(x)=0, где каждый множитель — простейшее тригонометрическое уравнение. Уравнение AB=0A\cdot B=0 верно тогда и только тогда, когда A=0A=0 или B=0B=0, при условии, что оба выражения определены (то есть входят в ОДЗ).

Отбор корней на отрезке. Нужно уметь переводить условие «xx принадлежит отрезку [a;b][a;b]» в неравенство относительно целого параметра kk и решать это неравенство, а не подбирать корни на глаз.

Как решать: метод и алгоритм

  1. Найти ОДЗ. Если в уравнении есть тангенс, котангенс или дробь — выписать условие cosx0\cos x\ne 0 (или sinx0\sin x\ne 0) до начала преобразований.
  2. Привести всё к общему виду. Применить формулы приведения, чтобы разные аргументы (например, π2x\frac{\pi}{2}-x) превратились в один и тот же аргумент xx.
  3. Перенести всё в одну часть и разложить на множители. Часто помогает вынесение общего множителя (sinx\sin x, cosx\cos x) или замена cos2x\cos 2x через sin2x\sin^2 x/cos2x\cos^2 x.
  4. Решить каждое простейшее уравнение отдельно, получив несколько серий корней с параметром kk.
  5. Проверить ОДЗ для каждой серии. Если при решении делили обе части на cosx\cos x или sinx\sin x, убедиться, что в найденных сериях это выражение действительно не равно нулю (иногда проверка не нужна — например, если cos(πk)=±10\cos(\pi k)=\pm1\ne0 автоматически).
  6. Записать общий ответ как объединение всех допустимых серий.
  7. Для пункта б) перевести границы отрезка в доли π\pi, для каждой серии x=x0+πmkx=x_0+\frac{\pi}{m}k составить двойное неравенство ax0+πmkba\le x_0+\frac{\pi}{m}k\le b, разделить всё на πm\frac{\pi}{m}, найти целые значения kk, подставить их обратно и получить конкретные числовые корни.
  8. Отобранные корни расставить по возрастанию и выписать в ответ, ещё раз проверив, что каждый из них действительно лежит в границах отрезка (включая граничные точки, если отрезок закрытый).

Этот алгоритм работает для любого уравнения из этой подтемы, независимо от того, насколько «нестандартно» оно выглядит на первый взгляд — суть всегда сводится к разложению на множители и аккуратному отбору корней.

Разбор примера

Пример 1. Решить уравнение 2cos(π2x)=tanx2\cos\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\tan x, затем указать корни на отрезке [2π;π2]\left[-2\pi;\,-\frac{\pi}{2}\right].

Шаг 1. ОДЗ: cosx0\cos x\ne 0.

Шаг 2. Приведение. По формуле приведения cos(π2x)=sinx\cos\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\sin x, поэтому уравнение становится 2sinx=tanx=sinxcosx.2\sin x=\tan x=\frac{\sin x}{\cos x}.

Шаг 3. Разложение на множители. Переносим всё влево и приводим к общему знаменателю: 2sinxsinxcosx=0  sinx(21cosx)=0  sinx(2cosx1)cosx=0.2\sin x-\frac{\sin x}{\cos x}=0 \ \Rightarrow\ \sin x\left(2-\frac{1}{\cos x}\right)=0 \ \Rightarrow\ \frac{\sin x(2\cos x-1)}{\cos x}=0. При учтённом ОДЗ (cosx0\cos x\ne0) это равносильно sinx=0илиcosx=12.\sin x=0 \quad \text{или} \quad \cos x=\frac12.

Шаг 4. Решение серий. sinx=0  x=πk.\sin x=0 \ \Rightarrow\ x=\pi k. Проверка ОДЗ: cos(πk)=(1)k0\cos(\pi k)=(-1)^k\ne0 — подходит для любого kk. cosx=12  x=±π3+2πk.\cos x=\frac12 \ \Rightarrow\ x=\pm\frac{\pi}{3}+2\pi k. Обе серии удовлетворяют ОДЗ.

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

Шаг 5. Отбор корней на [2π;π2]\left[-2\pi;-\frac{\pi}{2}\right]. Переведём границы в доли π\pi: отрезок [2π;0,5π][-2\pi;-0{,}5\pi].

Для серии x=πkx=\pi k: неравенство 2ππkπ2-2\pi\le \pi k\le-\frac{\pi}{2} равносильно 2k0,5-2\le k\le -0{,}5, то есть k=2k=-2 или k=1k=-1. Получаем x=2πx=-2\pi и x=πx=-\pi.

Для серии x=π3+2πkx=\frac{\pi}{3}+2\pi k: 213+2k0,5  76k512-2\le \frac13+2k\le-0{,}5 \ \Rightarrow\ -\frac{7}{6}\le k\le-\frac{5}{12}. Целых kk в этом промежутке нет, кроме проверки k=1k=-1: 132=53\frac13-2=-\frac53, что меньше 761,17-\frac{7}{6}\approx-1{,}17? Проверим напрямую подстановкой: при k=1k=-1 получаем x=π32π=5π35,236x=\frac{\pi}{3}-2\pi=-\frac{5\pi}{3}\approx-5{,}236, это лежит между 2π6,283-2\pi\approx-6{,}283 и π21,571-\frac{\pi}{2}\approx-1{,}571 — значит корень подходит. (Здесь удобнее проверять подстановкой конкретных kk, а не только через дробное неравенство.)

Для серии x=π3+2πkx=-\frac{\pi}{3}+2\pi k: при k=0k=0 получаем x=π31,047x=-\frac{\pi}{3}\approx-1{,}047 — это больше π2-\frac{\pi}{2}, не входит в отрезок. При k=1k=-1: x=π32π7,33x=-\frac{\pi}{3}-2\pi\approx-7{,}33 — меньше 2π-2\pi, тоже не входит. Значит, эта серия корней на отрезке не даёт.

Ответ б): x=2π; 5π3; π.x=-2\pi;\ -\frac{5\pi}{3};\ -\pi.

Пример 2. Решить уравнение 4sin3x=3cos(xπ2)4\sin^3x=3\cos\left(x-\frac{\pi}{2}\right), найти корни на отрезке [7π2;9π2]\left[\frac{7\pi}{2};\frac{9\pi}{2}\right].

Шаг 1. Приведение. cos(xπ2)=sinx\cos\left(x-\frac{\pi}{2}\right)=\sin x, поэтому уравнение принимает вид 4sin3x=3sinx.4\sin^3x=3\sin x.

Шаг 2. Разложение на множители. 4sin3x3sinx=0  sinx(4sin2x3)=0.4\sin^3x-3\sin x=0 \ \Rightarrow\ \sin x\left(4\sin^2x-3\right)=0. Отсюда sinx=0\sin x=0 или sin2x=34\sin^2x=\frac34.

Шаг 3. Решение первого случая. sinx=0x=πk.\sin x=0 \Rightarrow x=\pi k.

Шаг 4. Решение второго случая. Используем формулу двойного угла: sin2x=1cos2x2=34cos2x=12.\sin^2x=\frac{1-\cos2x}{2}=\frac34 \Rightarrow \cos2x=-\frac12. Тогда 2x=±2π3+2πk  x=±π3+πk.2x=\pm\frac{2\pi}{3}+2\pi k \ \Rightarrow\ x=\pm\frac{\pi}{3}+\pi k. Запись x=π3+πkx=\frac{\pi}{3}+\pi k и x=π3+πkx=-\frac{\pi}{3}+\pi k можно объединить: серия x=π3+πkx=-\frac{\pi}{3}+\pi k совпадает с серией x=2π3+πkx=\frac{2\pi}{3}+\pi k при сдвиге индекса на единицу, поэтому итоговый ответ удобно записать так: x=π3+πk,x=2π3+πk,kZ.x=\frac{\pi}{3}+\pi k, \qquad x=\frac{2\pi}{3}+\pi k, \qquad k\in\mathbb{Z}.

Ответ а): x=πk; π3+πk; 2π3+πk, kZ.x=\pi k;\ \frac{\pi}{3}+\pi k;\ \frac{2\pi}{3}+\pi k,\ k\in\mathbb{Z}.

Шаг 5. Отбор на [7π2;9π2]\left[\frac{7\pi}{2};\frac{9\pi}{2}\right], то есть на [3,5π;4,5π][3{,}5\pi;4{,}5\pi].

Для x=πkx=\pi k: 3,5k4,5k=4x=4π.3{,}5\le k\le4{,}5 \Rightarrow k=4 \Rightarrow x=4\pi.

Для x=π3+πkx=\frac{\pi}{3}+\pi k: 3,513k4,5133,16k4,16k=4x=π3+4π=13π3.3{,}5-\frac13\le k\le4{,}5-\frac13 \Rightarrow 3{,}1\overline{6}\le k\le4{,}1\overline{6} \Rightarrow k=4 \Rightarrow x=\frac{\pi}{3}+4\pi=\frac{13\pi}{3}.

Для x=2π3+πkx=\frac{2\pi}{3}+\pi k: 3,523k4,5232,83k3,83k=3x=2π3+3π=11π3.3{,}5-\frac23\le k\le4{,}5-\frac23 \Rightarrow 2{,}8\overline{3}\le k\le3{,}8\overline{3} \Rightarrow k=3 \Rightarrow x=\frac{2\pi}{3}+3\pi=\frac{11\pi}{3}.

Ответ б): x=11π3; 4π; 13π3.x=\frac{11\pi}{3};\ 4\pi;\ \frac{13\pi}{3}.

Типичные ошибки

  • Деление обеих частей уравнения на sinx\sin x или cosx\cos x без рассмотрения случая, когда этот множитель равен нулю — так теряются корни. Правильный путь: перенести всё в одну сторону и вынести общий множитель, а не делить.
  • Игнорирование ОДЗ при работе с тангенсом: часть найденных корней может обращать знаменатель в ноль, и такие значения нужно исключить.
  • Ошибки знака при применении формул приведения — например, путают cos(π2x)=sinx\cos\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\sin x и cos(xπ2)=sinx\cos\left(x-\frac{\pi}{2}\right)=\sin x с формулами для синуса от аналогичных аргументов, где появляется минус.
  • Неверное объединение серий: например, забывают, что x=π3+πkx=-\frac{\pi}{3}+\pi k и x=2π3+πkx=\frac{2\pi}{3}+\pi k описывают одно и то же множество точек, и записывают ответ с лишними или, наоборот, задвоенными сериями.
  • Ошибки при переводе неравенства для отбора корней в целые значения kk — округление в неверную сторону, потеря корня на границе отрезка.
  • Забывают проверять границы отрезка на включение/исключение — если отрезок закрытый с обеих сторон, граничная точка, совпадающая с корнем, обязательно входит в ответ.
  • Арифметические ошибки при работе с дробями вида 7π2\frac{7\pi}{2}, 13π3\frac{13\pi}{3} — рекомендуется всегда переводить границы отрезка и шаг серии в общие доли π\pi, чтобы сравнивать было проще.

На что обратить внимание на экзамене

  • Пункт а) оценивается по полноте обоснования: важно показать все шаги преобразования, а не просто написать финальный ответ с сериями корней.
  • В пункте б) нужно явно выписать неравенство для отбора и решение относительно параметра kk, а не «угадывать» подходящие значения — это часть критериев оценивания.
  • Всегда проверяйте, что каждый отобранный корень действительно лежит внутри отрезка, подставив числовое значение (особенно если отрезок задан в виде дробей от π\pi, легко ошибиться на глаз).
  • Обращайте внимание на тип отрезка — открытый или закрытый, включает ли границы; при закрытом отрезке граничная точка, совпадающая с корнем, должна попасть в ответ.
  • Если в уравнении встречается тангенс или котангенс, ОДЗ нужно контролировать на всех этапах, а не только в начале — некоторые преобразования (умножение, деление) могут случайно расширить или сузить множество решений.
  • Полезно после получения общего ответа кратко проверить один-два корня подстановкой в исходное уравнение — это позволяет быстро заметить ошибку в преобразованиях.
  • При оформлении ответа сериям корней удобно давать компактную форму, объединяя похожие серии, если это возможно, — это упрощает последующий отбор корней на отрезке.

Частые вопросы

Как понять, какую формулу приведения применить в уравнении с аргументом вида $\frac{\pi}{2}-x$?

Нужно помнить правило: при сдвиге аргумента на π2\frac{\pi}{2} функция меняется на кофункцию (синус на косинус и наоборот), а знак определяется по четверти, в которую попадает исходный аргумент. Для cos(π2x)\cos\left(\frac{\pi}{2}-x\right) и cos(xπ2)\cos\left(x-\frac{\pi}{2}\right) результат один и тот же — sinx\sin x, а для синуса аналогичных аргументов появляется минус в одном из случаев.

Почему нельзя просто делить уравнение на $\sin x$ или $\cos x$?

При делении на выражение, которое может быть равно нулю, теряются корни, соответствующие этому случаю. Правильнее перенести все члены в одну сторону, вынести общий множитель и рассмотреть оба случая: множитель равен нулю или второй множитель равен нулю.

Как быстро перевести отрезок для отбора корней в удобный вид?

Границы отрезка нужно выразить в тех же единицах, что и шаг серии решений — обычно в долях π\pi. Тогда двойное неравенство для параметра kk решается простым делением, и остаётся только подобрать целые значения.

Что делать, если две серии решений на самом деле совпадают?

Нужно проверить, не отличаются ли они только сдвигом индекса kk на константу. Например, серии x=π3+πkx=-\frac{\pi}{3}+\pi k и x=2π3+πkx=\frac{2\pi}{3}+\pi k описывают одно и то же множество точек, поэтому в ответе достаточно указать одну из них.

Нужно ли проверять найденные корни подстановкой в исходное уравнение?

Да, хотя бы один-два корня из каждой серии стоит проверить подстановкой — это помогает быстро обнаружить ошибку в преобразованиях или в применении формул приведения до того, как ответ будет записан окончательно.