Задание 14 · Уравнение с отбором корней
14.12. Тригонометрия и показательные выражения
Для репетитора: показать ответы
1. Что это за уравнения
Тригонометрическая функция стоит в показателе степени, например \(9^{\sin x}\), \(4^{\cos x}\), \(2^{\operatorname{tg}x}\). Решение складывается из теории показательных уравнений (свойства степеней, замена с условием \(t>0\)) и тригонометрии (простейшие уравнения, серии, отбор).
2. Показательные уравнения: главное
Основание степени: \(a>0\), \(a\ne1\). Уравнение \(a^{f(x)}=b\) при \(b\le0\) решений не имеет, при \(b>0\) эквивалентно \(f(x)=\log_{a}b\). Если основания равны, \(a^{f(x)}=a^{g(x)}\Rightarrow f(x)=g(x)\).
- \(a^{x+k}=a^x\cdot a^k\), \(a^{2x}=(a^x)^2\), \(a^{-x}=\dfrac1{a^x}\).
- Показательная функция принимает только положительные значения: \(a^{f(x)}>0\).
Методы
| Метод | Суть |
|---|---|
| Одно основание | приводим обе части к степени одного числа и приравниваем показатели |
| Вынесение общего множителя | степени со сдвинутыми показателями: выносим наименьшую |
| Замена переменной | \(t=a^{f(x)}\), \(t>0\): квадратное (или кубическое) уравнение |
| Деление на степень | для однородных уравнений с разными основаниями |
| Группировка | степени с одним основанием собираем вместе |
3. Показательные уравнения с тригонометрией
Показатель — тригонометрическое выражение. Схема решения:
- Привести к показательному уравнению относительно \(a^{\sin x}\) (или \(a^{\cos x}\), \(a^{\operatorname{tg}x}\)); если основания разные, но связаны (\(9=3^2\), \(4=2^2\)), записать через одно основание.
- Заменить \(t=a^{\sin x}\) и решить алгебраическое уравнение. Обязательное условие: \(t>0\).
- Вернуться к \(x\): \(a^{\sin x}=t_0\Rightarrow\sin x=\log_{a}t_0\). Для синуса и косинуса значение правой части должно лежать в \([-1;1]\); иначе решений нет.
- Решить простейшее тригонометрическое уравнение.
Например, \(9^{\sin x}+9^{-\sin x}=\dfrac{10}{3}\): при \(t=9^{\sin x}>0\) получаем \(t+\dfrac1t=\dfrac{10}3\), то есть \(3t^2-10t+3=0\), \(t=3\) или \(t=\dfrac13\). Отсюда \(9^{\sin x}=3\Rightarrow\sin x=\dfrac12\) и \(9^{\sin x}=\dfrac13\Rightarrow\sin x=-\dfrac12\).
4. Простейшие тригонометрические уравнения (напоминание)
| Уравнение | Решение |
|---|---|
| \(\sin x=a\), \(|a|\le1\) | \(x=\arcsin a+2\pi k\) и \(x=\pi-\arcsin a+2\pi k\) |
| \(\cos x=a\), \(|a|\le1\) | \(x=\pm\arccos a+2\pi k\) |
| \(\operatorname{tg}x=a\) | \(x=\operatorname{arctg}a+\pi k\) |
| \(\operatorname{ctg}x=a\) | \(x=\operatorname{arcctg}a+\pi k\) |
5. Отбор корней на отрезке
- Перебор. Подставляйте целые значения параметра в формулы корней и проверяйте попадание в отрезок.
- Двойное неравенство. Для \(x=x_0+Tk\) решайте \(a\le x_0+Tk\le b\) относительно целого \(k\); удобно при больших отрезках и нетабличных значениях арксинуса и арктангенса.
- Окружность. Отметьте серии и концы отрезка, выделите дугу.
- График простейшей тригонометрической функции.
Проверяйте каждую серию. Если уравнение содержит \(\operatorname{tg}x\) в показателе, ОДЗ \(\cos x\ne0\) нужно учесть и при отборе.
- После замены \(t=a^{f(x)}\) оставить корень \(t\le0\): показательная функция положительна.
- Неучёт ограничений \(|\sin x|\le1\), \(|\cos x|\le1\) после возврата к \(x\).
- Деление обеих частей на выражение с переменной, которое может обращаться в ноль.
Разобранные примеры
Пример 1
а) Решите уравнение
б) Найдите все корни этого уравнения, принадлежащие отрезку
Решение
а) Пусть
тогда исходное уравнение запишется в виде
Тогда
б) С помощью числовой окружности отберем корни, принадлежащие отрезку Получим числа:
Ответ: а) б)
Пример 2
а) Решите уравнение:
б) Найдите все корни этого уравнения, принадлежащие отрезку
Решение
а) Перейдем к одному основанию:
б) Отберем корни при помощи единичной окружности (см. рис.). Подходит
Ответ:
- «Показательные уравнения», статья в журнале «Урок», urok.1sept.ru («Первое сентября»)
- «Методы решения уравнений для ЕГЭ: шпаргалка по тригонометрии» (замена в показательных и кубических уравнениях), Школково (shkolkovo.online)
- Сборник задач «Тригонометрические уравнения», mathus.ru
- Сборник задач по уравнениям и неравенствам, abiturient.ru, 2020
- «Отбор корней в тригонометрических уравнениях», статья, Казанский федеральный университет (kpfu.ru)
- Методические материалы для предметных комиссий субъектов РФ по проверке заданий ЕГЭ с развёрнутым ответом, математика, ФИПИ, 2024
- У1
- У2
- У3
- У4
- У5
- У6
- У7
- У8
а) Решите уравнение
б) Найдите корни этого уравнения, по абсолютной величине не превышающие
- У9
- У10
- У11
- У12
- У13
- У14
- У15
- У16
- У17
- У18
- У19
- У20
- У21
- У22
- У23
- У24
- У25
- Д1
- Д2
- Д3
- Д4
- Д5
- Д6
- Д7
- Д8
- Д9
- Д10
- Д11
- Д12
- Д13
- Д14
- Д15
- Д16
- Д17
- Д18
- Д19
- Д20
- Д21
- Д22
а) Решите уравнение:
б) Найдите все корни этого уравнения, принадлежащие отрезку [–3π; –2π].
- Д23
- Д24
- Д25