Тема урока: Метод введения вспомогательного угла при решении тригонометрических уравнений.
Актуализация.
Учитель.
Ребята! Мы познакомились с различными видами тригонометрических уравнений и научились их решать. Сегодня обобщим знания методов решения тригонометрических уравнений различных видов. Для этого я прошу провести работу по классификации предложенных вам уравнений (см. уравнения №№ 1-10 в Приложении — в конце конспекта в PDF виде)
Заполните таблицу: укажите вид уравнения, метод его решения и сопоставьте номера уравнений виду, к которому они принадлежат.
Ученики. Заполняют таблицу.
| Вид уравнения | Метод решения | Уравнения |
| Простейшие | Формулы корней | №1 |
| Приводимые к квадратным | Метод замены переменной | №2,3 |
| Сложный тригонометрический вид | Упростить до известного вида с помощью формул тригонометрии | №4,5 |
| Однородные первой степени | Разделить уравнение почленно на косинус переменной | №6 |
| Однородные второй степени | Разделить уравнение почленно на квадрат косинуса переменной | №7 |
Проблематизация.
Заполняя таблицу, учащиеся сталкиваются с проблемой. Они не могут определить вид и метод решения трех уравнений: №8,9,10.
Учитель. Все ли уравнения вам удалось классифицировать по форме и методу решения?
Ответ учащихся. Нет, три уравнения не удалось поместить в таблицу.
Учитель. Почему?
Ответ учащихся. Они не похожи на известные виды. Метод решения неясен.
Целеполагание.
Учитель. Как же тогда мы сформулируем цель нашего занятия?
Ответ учащиеся . Определить обнаруженный новый тип уравнений и найти метод их решения.
Учитель . Можно ли сформулировать тему занятия, если мы не знаем вида обнаруженных уравнений и метода их решения?
Ответ учащихся . Нет, но можно это сделать позже, когда разберемся, с чем имеем дело.
Планирование деятельности.
Учитель. Давайте спланируем нашу деятельность. Обычно мы определяем тип, а затем ищем метод решения тригонометрических уравнений. В нашей сегодняшней ситуации возможно ли дать определенное название виду обнаруженных уравнений? И вообще, принадлежат ли они одному виду?
Ответ учащихся. Это трудно сделать.
Учитель. Тогда подумайте, может что-то их объединяет, или они похожи на какой-то тип?
Ответ учащихся. Левая часть этих уравнений такая же, как у однородных, но правая их часть не равна нулю. А значит, деление на косинус только усложнит решение.
Учитель. Может быть, начнем с поиска метода решения, а затем определим типаж уравнения? Какое уравнение из 3-х кажется вам наиболее простым?
Учащиеся отвечают , но единства мнений нет. Возможно, кто-то догадается, что коэффициенты в уравнении №8 следует выразить как синус и косинус табличного угла. И тогда класс определит уравнение, которое можно решить первым. Если нет, то учитель предлагает рассмотреть дополнительное уравнение (см. уравнение № 11 в Приложении — в конце конспекта в PDF виде) . В нем коэффициенты равны синусу и косинусу известного угла и ученики должны это заметить.
Учитель предлагает очередность пунктов деятельности. (Cм. уравнения в Приложении — в PDF виде, в конце конспекта).
- Решить первое уравнение (№11), заменив коэффициенты значениями синуса и косинуса известного угла и применив формулу синуса суммы.
- Попытаться преобразовать другие уравнения к виду первого и применить тот же метод. (см. уравнение № 8,9, 12 )
- Обобщить и распространить метод на любые коэффициенты и сконструировать общий алгоритм действий (см. уравнение №10).
- Применить метод к решению других уравнений того же типа. (см. уравнения №№ 12,13, 14).
Реализация плана.
Учитель . Ну что ж, план мы составили. Приступим к его реализации.
У доски ученик решает уравнение № 11.
Второй ученик решает следующее уравнение №8, предварительно поделив его на постоянное число и, тем самым, сведя ситуацию к уже найденному способу решения.
Учитель предлагает решить уравнения № 9,12 самостоятельно. Проверяет правильность преобразований и множество решений.
Учитель. Ребята, как можно назвать угол, который появляется вместо коэффициентов уравнения и помогает нам выйти на решение?
Ответ учащихся. Дополнительный. (Вариант: вспомогательный).
Учитель. Не всегда легко подобрать такой вспомогательный угол. Можно ли его найти, если коэффициенты не есть синус и косинус известных углов? Какому тождеству должны удовлетворять такие коэффициенты, если мы хотим их представить как синус и косинус вспомогательного угла?
Ответ. Основному тригонометрическому тождеству.
Учитель. Молодец! Правильно! Значит перед нами задача — получить такие коэффициенты, чтобы сумма их квадратов была равна единице! Постарайтесь придумать число, на которое нужно поделить уравнение так, чтобы выполнялось указанное нами условие.
Ученики думают и, возможно, предложат поделить все на корень квадратный из суммы квадратов коэффициентов уравнения. Если нет, то учитель подводит их к этой мысли.
Учитель. Нам остается выбрать, какой из новых коэффициентов обозначить синусом вспомогательного угла, а какой – косинусом. Возможны два варианта. От выбора зависит переход к простейшему уравнению с синусом, либо косинусом.
Ученики предлагают вариант решения, и учитель его завершает, обращая внимание на форму записи рассуждений и ответа. Решают уравнение № 10.
Учитель . Мы открыли для себя метод решения нового типа уравнений? Как назовем этот тип?
Ответ. Мы работали методом поиска вспомогательного угла. Может быть уравнения нужно назвать уравнениями, которые решаются с помощью вспомогательных углов?
Учитель. Конечно можно. А можно придумать формулу их вида? Это будет короче.
Ответ. Да. Уравнения с коэффициентами А, В и С.
Учитель. Давайте обобщим метод для произвольных коэффициентов.
Учитель обсуждает и записывает на доске формулы синуса и косинуса вспомогательного угла для обобщенных коэффициентов. Затем с их помощью решает уравнения №13 и 14.
Учитель. Достаточно ли хорошо мы овладели методом?
Ответ. Нет. Нужно прорешать подобные уравнения и закрепить умение пользоваться методом вспомогательного угла.
Учитель. Как мы поймем, что метод усвоили?
Ответ. Если самостоятельно решим несколько уравнений.
Учитель. Давайте установим качественную шкалу усвоения метода.
Познакомьтесь с характеристиками уровней и расположите их на шкале, отражающей уровень владения этим умением. Соотнесите характеристику уровня и балл (от 0 до 3)
- Умею решать уравнения с различными коэффициентами
- Не умею решать уравнения
- Умею решать уравнения повышенной сложности
- Умею решать уравнения с табличными коэффициентами
Учитель. (После ответа учеников) Итак, наша шкала оценок такова:
По такому же принципу оценим самостоятельную работу по теме на следующем уроке.
А сейчас, решите, пожалуйста, уравнения № 1148 г, 1149 г, 1150 г и определите свой уровень усвоения темы.
Не забудьте завершить записи в таблице и назвать тему: «Введение вспомогательного угла при решении тригонометрических уравнений».
Рефлексия способа достижения цели.
Учитель. Ребята, достигли ли мы поставленной цели занятия?
Ответы учащихся . Да, мы научились распознавать новый тип уравнений.
Нашли метод их решения с использованием вспомогательного угла.
Научились применять метод на практике.
Учитель. А как мы действовали? Как пришли к пониманию того, что нам нужно делать?
Ответ. Мы рассмотрели несколько частных случаев уравнений с «узнаваемыми» коэффициентами и эту логику распространили на любые значения А, В и С.
Учитель. Это индуктивный путь размышления: мы на основе нескольких случаев вывели способ и применили его в аналогичных случаях.
Перспектива. Где мы можем применить подобный путь размышления? (ответы учеников)
Вы хорошо поработали сегодня на уроке. Дома ознакомьтесь с описанием метода вспомогательного угла в учебнике и решите №№ 1148 (а, б, в), 1149 (а, б, в), 1150 (а, б, в). Я надеюсь, что на следующем уроке вы все прекрасно будете использовать этот метод при решении тригонометрических уравнений.
Спасибо за работу на уроке!
Тема: «Методы решения тригонометрических уравнений».
Цели урока:
образовательные:
Сформировать навыки различать виды тригонометрических уравнений;
Углубление понимания методов решения тригонометрических уравнений;
воспитательные:
Воспитание познавательного интереса к учебному процессу;
Формирование умения анализировать поставленную задачу;
развивающие:
Формировать навык проводить анализ ситуации с последующим выбором наиболее рационального выхода из нее.
Оборудование: плакат с основными тригонометрическими формулами, компьютер, проектор, экран.
Начнем урок с повторения основного приема решения любого уравнения: сведение его к стандартному виду. Путем преобразований линейные уравнения сводят к виду ах = в, квадратные – к виду ax 2 + bx + c =0. В случае тригонометрических уравнений необходимо свести их к простейшим, вида: sinx = a , cosx = a , tgx = a , которые легко можно решить.
В первую очередь, конечно, для этого необходимо использовать основные тригонометрические формулы, которые представлены на плакате: формулы сложения, формулы двойного угла, понижения кратности уравнения. Мы уже умеем решать такие уравнения. Повторим некоторые из них:
Вместе с тем существуют уравнения, решение которых требует знаний некоторых специальных приемов.
Темой нашего урока является рассмотрение этих приемов и систематизация методов решения тригонометрических уравнений.
Методы решения тригонометрических уравнений.
1. Преобразование к квадратному уравнению относительно какой-либо тригонометрической функции с последующей заменой переменной.
Рассмотрим каждый из перечисленных методов на примерах, но более подробно остановимся на двух последних, так как два первых мы уже использовали при решении уравнений.
1. Преобразование к квадратному уравнению относительно какой-либо тригонометрической функции.
2. Решение уравнений методом разложения на множители.
3. Решение однородных уравнений.
Однородными уравнениями первой и второй степени называются уравнения вида:
соответственно (а ≠ 0, b ≠ 0, с ≠ 0).
При решении однородных уравнений почленно делят обе части уравнения на cosx для (1) уравнения и на cos 2 x для (2). Такое деление возможно, так как sinx и cosx не равны нулю одновременно – они обращаются в нуль в разных точках. Рассмотрим примеры решения однородных уравнений первой и второй степени.
Запомним это уравнение: при рассмотрении следующего метода – введение вспомогательного аргумента, решим его другим способом.
4. Введение вспомогательного аргумента.
Рассмотрим уже решенное предыдущим методом уравнение:
Как видим, получается тот же результат.
Рассмотрим еще один пример:
В рассмотренных примерах было, в общем, понятно, на что требуется разделить исходное уравнение, чтобы ввести вспомогательный аргумент. Но может случиться, что не очевидно, какой делитель выбрать. Для этого существует специальная методика, которую мы сейчас и рассмотрим в общем виде. Пусть дано уравнение:
Разделим уравнение на квадратный корень из выражения (3), получим:
asinx + bcosx = c ,
тогда a 2 + b 2 = 1 и, следовательно, a = sinx и b = cosx . Используя формулу косинуса разности, получим простейшее тригонометрическое уравнение:
которое легко решается.
Решим еще одно уравнение:
Сведем уравнение к одному аргументу – 2 x с помощью формул двойного угла и понижения степени:
Аналогично предыдущим уравнениям, используя формулу синуса суммы, получаем:
что тоже легко решается.
Решите самостоятельно, определив предварительно метод решения:
Итогом урока является проверка решения и оценка учащихся.
Домашнее задание: п. 11, конспект, № 164(б, г), 167(б, г), 169(а, б), 174(а, в).
Элементарные тригонометрические уравнения --- это уравнения вида, где --- одна из тригонометрических функций: , .
Элементарные тригонометрические уравнения имеют бесконечно много корней. Например, уравнению удовлетворяют следующие значения: , и т. д. Общая формула по которой находятся все корни уравнения, где, такова:
Здесь может принимать любые целые значения, каждому из них соответствует определенный корень уравнения; в этой формуле (равно как и в других формулах, по которым решаются элементарные тригонометрические уравнения) называют параметром . Записывают обычно, подчеркивая тем самым, что параметр принимать любые целые значения.
Решения уравнения, где, находятся по формуле
Уравнение решается применяя формулу
а уравнение --- по формуле
Особо отметим некоторые частные случаи элементраных тригонометрических уравнений, когда решение может быть записано без применения общих формул:
При решении тригонометрических уравнений важную роль играет период тригонометрических функций. Поэтому приведем две полезные теоремы:
Теорема Если --- основной период функции, то число является основным периодом функции.
Периоды функций и называются соизмеримыми, если существуют натуральные числа и, что.
Теорема Если периодические функции и, имеют соизмеримые и, то они имеют общий период, который является периодом функций, .
В теореме говорится о том, что является периодом функции, и не обязательно является основным периодом. Например, основной период функций и --- , а основной период их произведения --- .
Введение вспомогательного аргумента
Стандартным путем преобразования выражений вида является следующий прием: пусть --- угол, задаваемый равенствами, . Для любых и такой угол существует. Таким образом. Если, или, в других случаях.
Схема решения тригонометрических уравнений
Основная схема, которой мы будем руководствоваться при решении тригонометрических уравнений следующая:
решение заданного уравнения сводится к решению элементарных уравнений. Средства решения --- преобразования, разложения на множители, замена неизвестных. Ведущий принцип --- не терять корней. Это означает, что при переходе к следующему уравнению (уравнениям) мы не опасаемся появления лишних (посторонних) корней, а заботимся лишь о том, чтобы каждое последующее уравнение нашей "цепочки" (или совокупность уравнений в случае ветвления) являлось следствием предыдущего. Одним из возможных методов отбора корней является проверка. Сразу заметим, что в случае тригонометрических уравнений трудности, связанные с отбором корней, с проверкой, как правило, резко возрастают по сравнению с алгебраическими уравнениями. Ведь проверять приходится серии, состоящие из бесконечного числа членов.
Особо следует сказать о замене неизвестных при решении тригонометрических уравнений. В большинстве случаев после нужной замены получается алгебраическое уравнение. Более того, не так уж и редки уравнения, которые, хотя и являются тригонометрическими по внешнему виду, по существу таковыми не являются, поскольку уже после первого шага --- замены переменных --- превращаются в алгебраические, а возращение к тригонометрии происходит лишь на этапе решения элементарных тригонометрических уравнений.
Еще раз напомним: замену неизвестного следует делать при первой возможности, получившееся после замены уравнение необходимо решить до конца, включая этап отбора корней, а уж затем возвратится к первоначальному неизвестному.
Одна из особенностей тригонометрических уравнений заключается в том, что ответ во многих случаях может быть записан различными способами. Даже для решения уравнения ответ может быть записан следующим образом:
1) в виде двух серий: , ;
2) в стандартной форме представляющей собой объединение указанных выше серий: , ;
3) поскольку, то ответ можно записать в виде, . (В дальнейшем наличие параметра, или в записи ответа автоматически означает, что этот параметр принимает всевозможные целочисленные значения. Исключения будут оговариваться.)
Очевидно, что тремя перечисленными случаями не исчерпываются все возможности для записи ответа рассматриваемого уравнения (их бесконечно много).
Например, при справедливо равенство. Следовательно, в двух первых случаях, если, мы можем заменить на.
Обычно ответ записывается на основании пункта 2. Полезно запомнить следующую рекомендацию: если на решении уравнения работа не заканчивается, необходимо еще провести исследование, отбор корней, то наиболее удобна форма записи, указанная в пункте 1. (Аналогичную рекомендацию следует дать и для уравнения.)
Рассмотрим пример иллюстрирующий сказанное.
Пример Решить уравнение.
Решение. Наиболее очевидным является следующий путь. Данное уравнение распадается на два: и. Решая каждое из них и объединяя полученные ответы, найдем.
Другой путь. Поскольку, то, заменяя и по формулам понижения степени. После небольших преобразований получим, откуда.
На первый взгляд никаких особых преимуществ у второй формулы по сравнению с первой нет. Однако, если возьмем, например, то окажется, что, т.е. уравнение имеет решение, в то время как первый способ нас приводит к ответу. "Увидеть" и доказать равенство не так просто.
Лемма . Если сумма квадратов двух действительных чисел равна единице, то одно из этих чисел можно рассматривать как косинус, а другое как синус некоторого угла.
Другими словами, если а 2 + b 2 = 1 , то существует угол φ , такой, что
а = cos φ; b = sin φ.
Прежде чем доказывать эту лемму, поясним ее на следующем примере:
$$ (\frac{\sqrt3}{2})^2 + (\frac{1}{2}) = \frac{3}{4} + \frac{1}{4} = 1 $$
Поэтому существует угол φ , такой, что \(\frac{\sqrt3}{2} \) = cos φ ; 1 / 2 = sin φ .
В качестве φ в данном случае можно выбрать любой из углов 30°, 30° ± 360°, 30° ± 2 360° и т. д.
Доказательство леммы:
Рассмотрим вектор \(\vec{0А}\) с координатами (а, b ). Поскольку а 2 + b 2 = 1 , длина этого вектора равна 1. Но в таком случае его координаты должны быть равны cos φ и sin φ , где φ - угол, который образует данный вектор с осью абсцисс.
Итак, а = cos φ; b =sin φ , что и требовалось доказать.
Доказанная лемма позволяет преобразовать выражение a sin х + b cos х к более удобному для изучения виду.
Прежде всего вынесем за скобки выражение \(\sqrt{a^2 + b^2}\)
$$ a sinx + b cosx = \sqrt{a^2 + b^2}(\frac{a}{\sqrt{a^2 + b^2}}sinx + \frac{b}{\sqrt{a^2 + b^2}}cosx) $$
Поскольку
$$ (\frac{a}{\sqrt{a^2 + b^2}})^2 + (\frac{b}{\sqrt{a^2 + b^2}})^2 = 1 $$
первое из чисел \(\frac{a}{\sqrt{a^2 + b^2}} \) и \(\frac{b}{\sqrt{a^2 + b^2}} \) можно рассматривать как косинус некоторого угла φ , а второе - как синус того же угла φ :
$$ \frac{a}{\sqrt{a^2 + b^2}} = cos\phi, \;\; \frac{b}{\sqrt{a^2 + b^2}} = sin\phi $$
Но в таком случае
a sin х + b cos х = \(\sqrt{a^2 + b^2}\)(cos φ sin х + sin φ cos х) = \(\sqrt{a^2 + b^2}\) sin (x + φ)
a sin х + b cos х = \(\sqrt{a^2 + b^2}\) sin (x + φ) , где угол φ определяется из условий
$$ sin\phi = \frac{b}{\sqrt{a^2 + b^2}} \;\; cos\phi = \frac{a}{\sqrt{a^2 + b^2}} $$
Примеры.
1) \(sin x + cos x = \sqrt2 (\frac{1}{\sqrt2} sin x + \frac{1}{\sqrt2}cos x) = \sqrt2 (cos\frac{\pi}{4}sin x + sin\frac{\pi}{4}cos x) =\\= \sqrt2(sinx + \frac{\pi}{4}) \)
Полученную формулу sin x + cos x = \(\sqrt2(sinx + \frac{\pi}{4})\) полезно запомнить.
2) Если одно из чисел а
и b
положительно, а другое отрицательно, то выражение
a
sin х + b
cos х
удобнее преобразовывать не к синусу суммы, а к синусу разности двух углов. Так,
$$ 3sinx - 4cosx = \sqrt{9+16}(\frac{3}{\sqrt{9+16}}sinx - \frac{4}{\sqrt{9+16}}cosx) =\\= 5(sinx\cdot\frac{3}{5} - cosx\cdot\frac{4}{5}) = 5sin(x - \phi), $$
где под φ можно подразумевать любой угол, удовлетворяющий условиям:
cos φ = 3 / 5 , sin φ = 4 / 5
В частности, можно положить φ = arctg 4 / 3 . Тогда получим:
3 sin х - 4 cos x = 5 sin (x - arctg 4 / 3).