Trygonometria
Sprawdzian
Grupa A
Zadanie 1 (4 pkt)
Narysuj wykres funkcji \(y = 2\cos x + 3|\cos x|\).
Wzór funkcji w postaci przedziałowej:
$$y = \begin{cases} 5\cos x, & \text{dla } \cos x \ge 0 \\[8pt] -\cos x, & \text{dla } \cos x < 0 \end{cases}$$
Zbiór wartości funkcji to \(Y = [0, 5]\). Funkcja jest okresowa o okresie podstawowym \(T = 2\pi\).
Wskazówki:
- Skorzystaj z algebraicznej definicji wartości bezwzględnej: \(|a| = a\) dla \(a \ge 0\) oraz \(|a| = -a\) dla \(a < 0\).
- Zbadaj, dla jakich argumentów \(x\) funkcja cosinus przyjmuje wartości nieujemne, a dla jakich ujemne.
- Zapisz wzór funkcji w postaci dwóch prostszych formuł trygonometrycznych w odpowiednich przedziałach.
- Zauważ, że funkcja jest okresowa o okresie \(2\pi\), a w punktach zerowych cosinusa (czyli tam, gdzie wykres dotyka osi \(OX\)) powstają punkty załamania (tzw. ostrza), ponieważ wykres natychmiast odbija w górę.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i analiza znaków funkcji bazowej \(y = \cos x\):
Wychodzimy z wyjściowego wzoru funkcji: $$y = 2\cos x + 3|\cos x|$$ Aby pozbyć się wartości bezwzględnej, stosujemy jej definicję do wyrażenia \(\cos x\): $$|\cos x| = \begin{cases} \cos x, & \text{gdy } \cos x \ge 0 \\[8pt] -\cos x, & \text{gdy } \cos x < 0 \end{cases}$$ Przypomnijmy, kiedy funkcja \(f(x) = \cos x\) przyjmuje wartości dodatnie, a kiedy ujemne w jednym okresie podstawowym \([-\pi, \pi]\):- \(\cos x \ge 0\) dla \(x \in \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right]\) (oraz ogólnie dla \(x \in \left[-\dfrac{\pi}{2} + 2k\pi, \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi\right]\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\))
- \(\cos x < 0\) dla \(x \in \left[-\pi, -\dfrac{\pi}{2}\right) \cup \left(\dfrac{\pi}{2}, \pi\right]\) (oraz ogólnie dla \(x \in \left(\dfrac{\pi}{2} + 2k\pi, \dfrac{3\pi}{2} + 2k\pi\right)\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\))
-
Rozpisanie wzoru funkcji w poszczególnych przedziałach:
Rozważamy dwa przypadki wynikające ze znaku cosinusa:
Przypadek 1: gdy \(\cos x \ge 0\):
Wtedy \(|\cos x| = \cos x\). Podstawiamy do wzoru: $$\begin{aligned} y &= 2\cos x + 3\cos x \\[8pt] &= 5\cos x \end{aligned}$$ Wykres w tych przedziałach jest fragmentem sinusoidy o pięciokrotnie zwiększonej amplitudzie (maksimum równe \(5\)).
Przypadek 2: gdy \(\cos x < 0\):
Wtedy \(|\cos x| = -\cos x\). Podstawiamy do wzoru: $$\begin{aligned} y &= 2\cos x + 3(-\cos x) \\[8pt] &= 2\cos x - 3\cos x \\[8pt] &= -\cos x \end{aligned}$$ Wykres w tych przedziałach jest odbiciem zwierciadlanym cosinusa względem osi \(OX\). Ponieważ \(\cos x < 0\), wartości \(-\cos x\) są dodatnie (\(-\cos x \in (0, 1]\)).
Łącząc oba przypadki, otrzymujemy postać przedziałową funkcji: $$y = \begin{cases} 5\cos x, & \text{dla } x \in \left[-\dfrac{\pi}{2} + 2k\pi, \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi\right] \\[8pt] -\cos x, & \text{dla } x \in \left(\dfrac{\pi}{2} + 2k\pi, \dfrac{3\pi}{2} + 2k\pi\right) \end{cases}, \quad k \in \mathbb{Z}$$ -
Analiza własności, ciągłości i punktów charakterystycznych:
Wyznaczamy kluczowe cechy geometryczne wykresu:- Okresowość: Funkcja jest okresowa o okresie podstawowym \(T = 2\pi\), ponieważ funkcja bazowa \(\cos x\) ma okres \(2\pi\).
- Miejsca zerowe i ciągłość: W punktach \(x = \dfrac{\pi}{2} + k\pi\) zachodzi \(\cos x = 0\), skąd \(y = 5 \cdot 0 = -0 = 0\). Wartości lewostronne i prawostronne są równe, więc funkcja jest ciągła na całym zbiorze \(\mathbb{R}\).
- Punkty załamania (ostrza): W punktach zerowych \(x = \dfrac{\pi}{2} + k\pi\) następuje zmiana gałęzi z \(5\cos x\) na \(-\cos x\) (lub odwrotnie). Ponieważ pochodne jednostronne różnią się znakiem i wartością bezwzględną, wykres tworzy w tych punktach ostre załamania odbijające się od osi \(OX\).
- Zbiór wartości: Dla każdego \(x \in \mathbb{R}\) zachodzi \(y \ge 0\). Wartość najmniejsza wynosi \(y_{\min} = 0\), a wartość największa \(y_{\max} = 5\) (osiągana w punktach \(x = 2k\pi\)). W punktach \(x = \pi + 2k\pi\) występują lokalne maksima równe \(y = -\cos \pi = -(-1) = 1\). Zatem zbiór wartości to: $$Y = [0, 5]$$
-
Rysunek wynikowy wykresu funkcji:
Łączymy wyznaczone punkty: rysujemy wysokie łuki o szczycie równym \(5\) na przedziałach, gdzie \(\cos x \ge 0\), oraz niższe łuki o szczycie równym \(1\) na przedziałach, gdzie \(\cos x < 0\).
Odpowiedź:
Wykres funkcji powstaje przez złożenie dwóch krzywych: \(y = 5\cos x\) w przedziałach, gdzie \(\cos x \ge 0\), oraz \(y = -\cos x\) w przedziałach, gdzie \(\cos x < 0\). Funkcja przyjmuje wartości ze zbioru \(Y = [0, 5]\) i odbija się ostro od osi \(OX\) w punktach zerowych \(x = \dfrac{\pi}{2} + k\pi\).
Wykres funkcji powstaje przez złożenie dwóch krzywych: \(y = 5\cos x\) w przedziałach, gdzie \(\cos x \ge 0\), oraz \(y = -\cos x\) w przedziałach, gdzie \(\cos x < 0\). Funkcja przyjmuje wartości ze zbioru \(Y = [0, 5]\) i odbija się ostro od osi \(OX\) w punktach zerowych \(x = \dfrac{\pi}{2} + k\pi\).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 2 (2 pkt)
Czy istnieje kąt \(\alpha\) taki, że \(\sin\alpha = \dfrac{1}{2}\) i \(\operatorname{tg}\alpha = 1\)? Odpowiedź uzasadnij.
Nie, taki kąt \(\alpha\) nie istnieje.
Wskazówki:
- Skorzystaj z tożsamości wiążącej tangens z sinusem i cosinusem: \(\operatorname{tg}\alpha = \dfrac{\sin\alpha}{\cos\alpha}\).
- Jeżeli \(\operatorname{tg}\alpha = 1\), to wartości sinusa i cosinusa tego kąta muszą być równe (\(\sin\alpha = \cos\alpha\)).
- Podstaw wyznaczone wartości do jedynki trygonometrycznej \(\sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1\) i sprawdź, czy tożsamość jest spełniona.
- Alternatywnie wyznacz miary kątów spełniających warunek \(\operatorname{tg}\alpha = 1\) i sprawdź, jaką wartość przyjmuje dla nich funkcja sinus.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Sposób I – Wykorzystanie tożsamości trygonometrycznych (dowód nie wprost):
Przypuśćmy nie wprost, że istnieje kąt \(\alpha\) spełniający jednocześnie oba warunki: $$\sin\alpha = \dfrac{1}{2} \quad \text{oraz} \quad \operatorname{tg}\alpha = 1$$ Z definicji funkcji tangens (dla \(\cos\alpha \neq 0\)) mamy: $$\operatorname{tg}\alpha = \dfrac{\sin\alpha}{\cos\alpha}$$ Podstawiamy wartość \(\operatorname{tg}\alpha = 1\): $$\dfrac{\sin\alpha}{\cos\alpha} = 1 \implies \cos\alpha = \sin\alpha$$ Ponieważ z założenia \(\sin\alpha = \dfrac{1}{2}\), wynika stąd bezpośrednio, że: $$\cos\alpha = \dfrac{1}{2}$$ Weryfikujemy podstawową tożsamość trygonometryczną (jedynkę trygonometryczną) \(\sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1\): $$\begin{aligned} L &= \sin^2\alpha + \cos^2\alpha \\[8pt] &= \left(\dfrac{1}{2}\right)^2 + \left(\dfrac{1}{2}\right)^2 \\[8pt] &= \dfrac{1}{4} + \dfrac{1}{4} = \dfrac{2}{4} = \dfrac{1}{2} \end{aligned}$$ Porównujemy wartość lewej strony z prawą stroną tożsamości: $$L = \dfrac{1}{2} \neq 1 = P$$ Otrzymana sprzeczność (\(\dfrac{1}{2} = 1\)) jednoznacznie dowodzi, że nie istnieje kąt rzeczywisty \(\alpha\) spełniający jednocześnie oba warunki. -
Sposób II – Wyznaczenie wartości kątów bazowych:
Zauważmy, że skoro \(\sin\alpha = \dfrac{1}{2} > 0\) oraz \(\operatorname{tg}\alpha = 1 > 0\), to kąt \(\alpha\) musiałby leżeć w I ćwiartce układu współrzędnych (ponieważ tylko w I ćwiartce obie te funkcje przyjmują wartości dodatnie).
Rozwiązujemy oba równania w I ćwiartce (\(\alpha \in (0^\circ, 90^\circ)\)): $$\begin{aligned} \sin\alpha &= \dfrac{1}{2} \implies \alpha = 30^\circ \\[8pt] \operatorname{tg}\alpha &= 1 \implies \alpha = 45^\circ \end{aligned}$$ Dla kąta \(\alpha = 30^\circ\) tangens wynosi \(\operatorname{tg}(30^\circ) = \dfrac{\sqrt{3}}{3} \neq 1\).
Z kolei dla kąta \(\alpha = 45^\circ\) sinus wynosi \(\sin(45^\circ) = \dfrac{\sqrt{2}}{2} \neq \dfrac{1}{2}\).
Zbiory rozwiązań obu równań są rozłączne, zatem taki kąt nie istnieje. -
Interpretacja graficzna na wykresach funkcji \(\sin\alpha\) i \(\operatorname{tg}\alpha\):
Poniższy rysunek przedstawia wykresy funkcji \(y = \sin\alpha\) oraz \(y = \operatorname{tg}\alpha\) w I ćwiartce na tle siatki zeszytowej. Wyraźnie widać, że poziom wartości \(y = \dfrac{1}{2}\) dla sinusa oraz poziom wartości \(y = 1\) dla tangensa są osiągane dla dwóch różnych argumentów (\(30^\circ\) oraz \(45^\circ\)):
Odpowiedź:
Nie istnieje taki kąt \(\alpha\). Gdyby \(\operatorname{tg}\alpha = 1\), to zachodziłaby równość \(\sin\alpha = \cos\alpha = \dfrac{1}{2}\), co przeczy tożsamości jedynki trygonometrycznej, dając sprzeczność: \(\left(\dfrac{1}{2}\right)^2 + \left(\dfrac{1}{2}\right)^2 = \dfrac{1}{2} \neq 1\).
Nie istnieje taki kąt \(\alpha\). Gdyby \(\operatorname{tg}\alpha = 1\), to zachodziłaby równość \(\sin\alpha = \cos\alpha = \dfrac{1}{2}\), co przeczy tożsamości jedynki trygonometrycznej, dając sprzeczność: \(\left(\dfrac{1}{2}\right)^2 + \left(\dfrac{1}{2}\right)^2 = \dfrac{1}{2} \neq 1\).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 3 (9 pkt)
Rozwiąż równania:
a) \(\sin x = \dfrac{\sqrt{3}}{2}\) dla \(x \in (-2\pi, 2\pi)\)
b) \(\operatorname{tg}^2 \left(\dfrac{x}{2}\right) = \dfrac{1}{3}\)
c) \(\cos\left(\dfrac{x}{2} - \dfrac{\pi}{6}\right) = 0\)
d) \(2\cos^2 x = -\sin x + 1\)
a) \(\sin x = \dfrac{\sqrt{3}}{2}\) dla \(x \in (-2\pi, 2\pi)\)
b) \(\operatorname{tg}^2 \left(\dfrac{x}{2}\right) = \dfrac{1}{3}\)
c) \(\cos\left(\dfrac{x}{2} - \dfrac{\pi}{6}\right) = 0\)
d) \(2\cos^2 x = -\sin x + 1\)
a) \(x \in \left\{-\dfrac{5\pi}{3}, -\dfrac{4\pi}{3}, \dfrac{\pi}{3}, \dfrac{2\pi}{3}\right\}\)
b) \(x = \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi\) lub \(x = -\dfrac{\pi}{3} + 2k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\) [zapis łączny: \(x = \pm \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi\)]
c) \(x = \dfrac{4\pi}{3} + 2k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\)
d) \(x = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi\) lub \(x = -\dfrac{\pi}{6} + 2k\pi\) lub \(x = \dfrac{7\pi}{6} + 2k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\)
b) \(x = \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi\) lub \(x = -\dfrac{\pi}{3} + 2k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\) [zapis łączny: \(x = \pm \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi\)]
c) \(x = \dfrac{4\pi}{3} + 2k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\)
d) \(x = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi\) lub \(x = -\dfrac{\pi}{6} + 2k\pi\) lub \(x = \dfrac{7\pi}{6} + 2k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\)
Wskazówki:
- W podpunkcie a) wyznacz rozwiązanie ogólne równania elementarnego \(\sin x = \dfrac{\sqrt{3}}{2}\), a następnie wybierz argumenty leżące w zadanym przedziale \((-2\pi, 2\pi)\).
- W podpunkcie b) pamiętaj o dziedzinie tangensa oraz o tym, że równanie kwadratowe \(t^2 = a\) dla \(a > 0\) prowadzi do dwóch przypadków: \(t = \sqrt{a}\) lub \(t = -\sqrt{a}\).
- W podpunkcie c) skorzystaj z własności miejsc zerowych funkcji cosinus: \(\cos \alpha = 0 \iff \alpha = \dfrac{\pi}{2} + k\pi\).
- W podpunkcie d) zamień \(\cos^2 x\) na \(1 - \sin^2 x\) przy użyciu jedynki trygonometrycznej, a następnie rozwiąż otrzymane równanie kwadratowe ze zmienną pomocniczą \(t = \sin x\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Podpunkt a) Rozwiązujemy równanie \(\sin x = \dfrac{\sqrt{3}}{2}\) dla \(x \in (-2\pi, 2\pi)\):
W podstawowym przedziale \([0, 2\pi)\) funkcja sinus przyjmuje wartość \(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\) w I oraz II ćwiartce układu współrzędnych: $$x = \dfrac{\pi}{3} \quad \text{lub} \quad x = \pi - \dfrac{\pi}{3} = \dfrac{2\pi}{3}$$ Rozwiązanie ogólne w zbiorze liczb rzeczywistych ma postać: $$x = \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi \quad \text{lub} \quad x = \dfrac{2\pi}{3} + 2k\pi, \quad \text{gdzie } k \in \mathbb{Z}$$ Dobieramy całkowite wartości parametru \(k\) tak, aby wyznaczone argumenty należały do przedziału \((-2\pi, 2\pi)\):
• Dla \(k = 0\): $$x_1 = \dfrac{\pi}{3} \in (-2\pi, 2\pi), \quad x_2 = \dfrac{2\pi}{3} \in (-2\pi, 2\pi)$$ • Dla \(k = -1\): $$\begin{aligned} x_3 &= \dfrac{\pi}{3} - 2\pi = \dfrac{\pi - 6\pi}{3} = -\dfrac{5\pi}{3} \in (-2\pi, 2\pi) \\[8pt] x_4 &= \dfrac{2\pi}{3} - 2\pi = \dfrac{2\pi - 6\pi}{3} = -\dfrac{4\pi}{3} \in (-2\pi, 2\pi) \end{aligned}$$ Dla pozostałych wartości \(k\) otrzymane argumenty leżą poza przedziałem \((-2\pi, 2\pi)\).Zatem zbiór rozwiązań w zadanym przedziale to: $$x \in \left\{-\dfrac{5\pi}{3}, -\dfrac{4\pi}{3}, \dfrac{\pi}{3}, \dfrac{2\pi}{3}\right\}$$ -
Podpunkt b) Rozwiązujemy równanie \(\operatorname{tg}^2 \left(\dfrac{x}{2}\right) = \dfrac{1}{3}\):
Określamy dziedzinę równania. Funkcja tangens jest zdefiniowana dla argumentów różnych od \(\dfrac{\pi}{2} + k\pi\): $$\dfrac{x}{2} \neq \dfrac{\pi}{2} + k\pi \iff x \neq \pi + 2k\pi, \quad k \in \mathbb{Z}$$ Pierwiastkujemy obie strony równania \(\operatorname{tg}^2 \left(\dfrac{x}{2}\right) = \dfrac{1}{3}\): $$\operatorname{tg}\left(\dfrac{x}{2}\right) = \dfrac{1}{\sqrt{3}} = \dfrac{\sqrt{3}}{3} \quad \text{lub} \quad \operatorname{tg}\left(\dfrac{x}{2}\right) = -\dfrac{\sqrt{3}}{3}$$ Rozwiązujemy oba równania elementarne:
• Dla \(\operatorname{tg}\left(\dfrac{x}{2}\right) = \dfrac{\sqrt{3}}{3}\): $$\dfrac{x}{2} = \dfrac{\pi}{6} + k\pi \implies x = \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi, \quad k \in \mathbb{Z}$$ • Dla \(\operatorname{tg}\left(\dfrac{x}{2}\right) = -\dfrac{\sqrt{3}}{3}\): $$\dfrac{x}{2} = -\dfrac{\pi}{6} + k\pi \implies x = -\dfrac{\pi}{3} + 2k\pi, \quad k \in \mathbb{Z}$$ Obie serie rozwiązań należą do wyznaczonej dziedziny (\(\pm \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi \neq \pi + 2k\pi\)).
Ostatecznie rozwiązania możemy zapisać w postaci: $$x = \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi \quad \text{lub} \quad x = -\dfrac{\pi}{3} + 2k\pi, \quad \text{gdzie } k \in \mathbb{Z}$$ lub w zapisie zwartym: \(x = \pm \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\). -
Podpunkt c) Rozwiązujemy równanie \(\cos\left(\dfrac{x}{2} - \dfrac{\pi}{6}\right) = 0\):
Miejsca zerowe funkcji cosinus to punkty postaci \(\dfrac{\pi}{2} + k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\). Przyrównujemy argument: $$\dfrac{x}{2} - \dfrac{\pi}{6} = \dfrac{\pi}{2} + k\pi$$ Przenosimy stałą \(-\dfrac{\pi}{6}\) na prawą stronę równania: $$\begin{aligned} \dfrac{x}{2} &= \dfrac{\pi}{2} + \dfrac{\pi}{6} + k\pi \\[8pt] &= \dfrac{3\pi}{6} + \dfrac{\pi}{6} + k\pi \\[8pt] &= \dfrac{4\pi}{6} + k\pi \\[8pt] &= \dfrac{2\pi}{3} + k\pi \end{aligned}$$ Mnożymy obie strony równania przez \(2\): $$x = \dfrac{4\pi}{3} + 2k\pi, \quad \text{gdzie } k \in \mathbb{Z}$$ -
Podpunkt d) Rozwiązujemy równanie \(2\cos^2 x = -\sin x + 1\):
Stosujemy tożsamość trygonometryczną (jedynkę trygonometryczną) \(\cos^2 x = 1 - \sin^2 x\): $$2(1 - \sin^2 x) = -\sin x + 1$$ Wymnażamy i porządkujemy wyrazy: $$\begin{aligned} 2 - 2\sin^2 x &= -\sin x + 1 \\[8pt] -2\sin^2 x + \sin x + 1 &= 0 \\[8pt] 2\sin^2 x - \sin x - 1 &= 0 \end{aligned}$$ Wprowadzamy zmienną pomocniczą \(t = \sin x\), pamiętając o zbiorze wartości funkcji sinus: $$t = \sin x, \quad \text{gdzie } t \in [-1, 1]$$ Otrzymujemy równanie kwadratowe: $$2t^2 - t - 1 = 0$$ Obliczamy wyróżnik trójmianu kwadratowego: $$\Delta = (-1)^2 - 4 \cdot 2 \cdot (-1) = 1 + 8 = 9$$ $$\sqrt{\Delta} = 3$$ Wyznaczamy pierwiastki: $$\begin{aligned} t_1 &= \dfrac{1 - 3}{4} = -\dfrac{2}{4} = -\dfrac{1}{2} \in [-1, 1] \\[8pt] t_2 &= \dfrac{1 + 3}{4} = \dfrac{4}{4} = 1 \in [-1, 1] \end{aligned}$$ Wracamy do zmiennej \(x\):
• Przypadek 1: \(\sin x = 1\) $$x = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi, \quad \text{gdzie } k \in \mathbb{Z}$$ • Przypadek 2: \(\sin x = -\dfrac{1}{2}\) $$\begin{aligned} x &= -\dfrac{\pi}{6} + 2k\pi \\[8pt] &\text{lub} \\[8pt] x &= \pi - \left(-\dfrac{\pi}{6}\right) + 2k\pi = \dfrac{7\pi}{6} + 2k\pi, \quad \text{gdzie } k \in \mathbb{Z} \end{aligned}$$Rozwiązaniem równania jest suma wszystkich trzech serii rozwiązań: $$x = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi \quad \text{lub} \quad x = -\dfrac{\pi}{6} + 2k\pi \quad \text{lub} \quad x = \dfrac{7\pi}{6} + 2k\pi, \quad \text{gdzie } k \in \mathbb{Z}$$
Odpowiedź:
a) \(x \in \left\{-\dfrac{5\pi}{3}, -\dfrac{4\pi}{3}, \dfrac{\pi}{3}, \dfrac{2\pi}{3}\right\}\)
b) \(x = \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi\) lub \(x = -\dfrac{\pi}{3} + 2k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\) [zapis łączny: \(x = \pm \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi\)]
c) \(x = \dfrac{4\pi}{3} + 2k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\)
d) \(x = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi\) lub \(x = -\dfrac{\pi}{6} + 2k\pi\) lub \(x = \dfrac{7\pi}{6} + 2k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\)
a) \(x \in \left\{-\dfrac{5\pi}{3}, -\dfrac{4\pi}{3}, \dfrac{\pi}{3}, \dfrac{2\pi}{3}\right\}\)
b) \(x = \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi\) lub \(x = -\dfrac{\pi}{3} + 2k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\) [zapis łączny: \(x = \pm \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi\)]
c) \(x = \dfrac{4\pi}{3} + 2k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\)
d) \(x = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi\) lub \(x = -\dfrac{\pi}{6} + 2k\pi\) lub \(x = \dfrac{7\pi}{6} + 2k\pi\), gdzie \(k \in \mathbb{Z}\)
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 4 (3 pkt)
Wiedząc, że \(\sin x + \cos x = \dfrac{\sqrt{3}}{2}\), oblicz wartość \(\sin^3 x + \cos^3 x\).
\(\dfrac{9\sqrt{3}}{16}\)
Wskazówki:
- Podnieś daną równość \(\sin x + \cos x = \dfrac{\sqrt{3}}{2}\) obustronnie do kwadratu i skorzystaj z tożsamości trygonometrycznej \(\sin^2 x + \cos^2 x = 1\), aby wyznaczyć wartość iloczynu \(\sin x \cos x\).
- Wartość sumy sześcianów \(\sin^3 x + \cos^3 x\) możesz obliczyć na dwa sposoby: rozkładając ją ze wzoru na sumę sześcianów \(a^3 + b^3 = (a + b)(a^2 - ab + b^2)\) (Sposób I) lub przekształcając wzór na sześcian sumy \((a + b)^3 = a^3 + b^3 + 3ab(a + b)\) (Sposób II).
- Podstaw wyznaczone wartości sumy oraz iloczynu funkcji trygonometrycznych i uprość wynik do najprostszej postaci ułamka.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Wyznaczenie iloczynu \(\sin x \cos x\) poprzez podniesienie sumy do kwadratu:
Wychodzimy od danej równości \(\sin x + \cos x = \dfrac{\sqrt{3}}{2}\) i podnosimy obie jej strony do kwadratu: $$(\sin x + \cos x)^2 = \left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)^2$$ Stosujemy wzór skróconego mnożenia na kwadrat sumy \((a + b)^2 = a^2 + 2ab + b^2\): $$\sin^2 x + 2\sin x \cos x + \cos^2 x = \dfrac{3}{4}$$ Grupujemy wyrazy i wykorzystujemy jedynkę trygonometryczną \(\sin^2 x + \cos^2 x = 1\): $$\begin{aligned} (\sin^2 x + \cos^2 x) + 2\sin x \cos x &= \dfrac{3}{4} \\[8pt] 1 + 2\sin x \cos x &= \dfrac{3}{4} \\[8pt] 2\sin x \cos x &= \dfrac{3}{4} - 1 \\[8pt] 2\sin x \cos x &= -\dfrac{1}{4} \end{aligned}$$ Dzielimy obie strony równania przez \(2\): $$\sin x \cos x = -\dfrac{1}{8}$$ -
Sposób I – Wykorzystanie wzoru skróconego mnożenia na sumę sześcianów:
Stosujemy tożsamość algebraiczną na sumę sześcianów: $$a^3 + b^3 = (a + b)(a^2 - ab + b^2)$$ Dla \(a = \sin x\) oraz \(b = \cos x\) otrzymujemy: $$\begin{aligned} \sin^3 x + \cos^3 x &= (\sin x + \cos x)(\sin^2 x - \sin x \cos x + \cos^2 x) \\[8pt] &= (\sin x + \cos x)\left[(\sin^2 x + \cos^2 x) - \sin x \cos x\right] \\[8pt] &= (\sin x + \cos x)(1 - \sin x \cos x) \end{aligned}$$ Podstawiamy znaną sumę \(\sin x + \cos x = \dfrac{\sqrt{3}}{2}\) oraz obliczony iloczyn \(\sin x \cos x = -\dfrac{1}{8}\): $$\begin{aligned} \sin^3 x + \cos^3 x &= \dfrac{\sqrt{3}}{2} \cdot \left[1 - \left(-\dfrac{1}{8}\right)\right] \\[8pt] &= \dfrac{\sqrt{3}}{2} \cdot \left(1 + \dfrac{1}{8}\right) \\[8pt] &= \dfrac{\sqrt{3}}{2} \cdot \dfrac{9}{8} \\[8pt] &= \dfrac{9\sqrt{3}}{16} \end{aligned}$$ -
Sposób II – Wykorzystanie rozwinięcia sześcianu sumy:
Wychodzimy ze wzoru skróconego mnożenia na sześcian sumy: $$(a + b)^3 = a^3 + 3a^2b + 3ab^2 + b^3$$ Wyłączamy wspólny czynnik \(3ab\) przed nawias: $$(a + b)^3 = a^3 + b^3 + 3ab(a + b)$$ Wyznaczamy sumę sześcianów \(a^3 + b^3\): $$a^3 + b^3 = (a + b)^3 - 3ab(a + b)$$ Podstawiamy \(a = \sin x\) oraz \(b = \cos x\): $$\sin^3 x + \cos^3 x = (\sin x + \cos x)^3 - 3\sin x \cos x(\sin x + \cos x)$$ Obliczamy wartość każdego ze składników: $$\begin{aligned} (\sin x + \cos x)^3 &= \left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)^3 = \dfrac{3\sqrt{3}}{8} = \dfrac{6\sqrt{3}}{16} \\[8pt] 3\sin x \cos x(\sin x + \cos x) &= 3 \cdot \left(-\dfrac{1}{8}\right) \cdot \dfrac{\sqrt{3}}{2} = -\dfrac{3\sqrt{3}}{16} \end{aligned}$$ Odejmujemy otrzymane wartości: $$\begin{aligned} \sin^3 x + \cos^3 x &= \dfrac{6\sqrt{3}}{16} - \left(-\dfrac{3\sqrt{3}}{16}\right) \\[8pt] &= \dfrac{6\sqrt{3}}{16} + \dfrac{3\sqrt{3}}{16} \\[8pt] &= \dfrac{9\sqrt{3}}{16} \end{aligned}$$
Odpowiedź:
Wartość wyrażenia wynosi \(\sin^3 x + \cos^3 x = \dfrac{9\sqrt{3}}{16}\).
Wartość wyrażenia wynosi \(\sin^3 x + \cos^3 x = \dfrac{9\sqrt{3}}{16}\).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 5 (2 pkt)
Zamień na stopnie lub radiany:
a) \(\dfrac{3\pi}{4}\text{ rad} = \dots\)
b) \(240^\circ = \dots\)
a) \(\dfrac{3\pi}{4}\text{ rad} = \dots\)
b) \(240^\circ = \dots\)
a) \(135^\circ\)
b) \(\dfrac{4\pi}{3}\text{ rad}\)
b) \(\dfrac{4\pi}{3}\text{ rad}\)
Wskazówki:
- Podstawową relacją wiążącą miarę łukową (w radianach) z miarą stopniową jest zależność: kąt półpełny \(180^\circ\) odpowiada dokładnie \(\pi\text{ rad}\).
- Aby zamienić radiany na stopnie, najwygodniej jest zastąpić symbol liczby \(\pi\) wartością \(180^\circ\) lub pomnożyć dane wyrażenie przez przelicznik \(\dfrac{180^\circ}{\pi}\).
- Aby zamienić stopnie na radiany, mnożymy podaną liczbę stopni przez przelicznik \(\dfrac{\pi}{180^\circ}\), a następnie upraszczamy powstały ułamek zwykły przez największy wspólny dzielnik.
- W obu przypadkach można również ułożyć klasyczną proporcję opartą na tożsamości \(180^\circ = \pi\text{ rad}\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Podpunkt a) Zamiana miary kąta \(\dfrac{3\pi}{4}\text{ rad}\) na stopnie:
Sposób I – Bezpośrednie podstawienie tożsamości \(\pi = 180^\circ\):
Ponieważ \(\pi\text{ rad} = 180^\circ\), w miejsce \(\pi\) wstawiamy wartość \(180^\circ\): $$\begin{aligned} \dfrac{3\pi}{4}\text{ rad} &= \dfrac{3 \cdot 180^\circ}{4} \\[8pt] &= 3 \cdot \dfrac{180^\circ}{4} \\[8pt] &= 3 \cdot 45^\circ \\[8pt] &= 135^\circ \end{aligned}$$
Sposób II – Ułożenie proporcji:
Układamy proporcję na podstawie relacji kąta półpełnego: $$\begin{aligned} \pi\text{ rad} &\longrightarrow 180^\circ \\[8pt] \dfrac{3\pi}{4}\text{ rad} &\longrightarrow \alpha \end{aligned}$$ Mnożąc „na krzyż”, wyznaczamy miarę kąta \(\alpha\): $$\begin{aligned} \alpha \cdot \pi &= \dfrac{3\pi}{4} \cdot 180^\circ \\[8pt] \alpha &= \dfrac{\dfrac{3\pi}{4} \cdot 180^\circ}{\pi} \\[8pt] \alpha &= \dfrac{3}{4} \cdot 180^\circ = 135^\circ \end{aligned}$$ -
Podpunkt b) Zamiana miary kąta \(240^\circ\) na radiany:
Sposób I – Wykorzystanie przelicznika \(\dfrac{\pi}{180^\circ}\):
Mnożymy zadaną miarę kąta przez iloraz \(\dfrac{\pi}{180^\circ}\): $$\begin{aligned} 240^\circ &= 240^\circ \cdot \dfrac{\pi}{180^\circ}\text{ rad} \\[8pt] &= \dfrac{240\pi}{180}\text{ rad} \end{aligned}$$ Dzielimy licznik i mianownik ułamka przez ich największy wspólny dzielnik \(\text{NWD}(240, 180) = 60\): $$\begin{aligned} 240^\circ &= \dfrac{240 : 60}{180 : 60}\,\pi\text{ rad} \\[8pt] &= \dfrac{4\pi}{3}\text{ rad} \quad \left(\text{czyli } \dfrac{4}{3}\pi\text{ rad}\right) \end{aligned}$$
Sposób II – Ułożenie proporcji:
Układamy proporcję: $$\begin{aligned} 180^\circ &\longrightarrow \pi\text{ rad} \\[8pt] 240^\circ &\longrightarrow \beta \end{aligned}$$ Wyznaczamy miarę kąta \(\beta\): $$\begin{aligned} 180^\circ \cdot \beta &= 240^\circ \cdot \pi \\[8pt] \beta &= \dfrac{240^\circ \cdot \pi}{180^\circ} \\[8pt] \beta &= \dfrac{24\pi}{18} = \dfrac{4\pi}{3}\text{ rad} \end{aligned}$$
Odpowiedź:
a) \(135^\circ\)
b) \(\dfrac{4\pi}{3}\text{ rad}\)
a) \(135^\circ\)
b) \(\dfrac{4\pi}{3}\text{ rad}\)
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Grupa B
Zadanie 1 (4 pkt)
Narysuj wykres funkcji $y = \sin x + |\sin x|$.
Zadanie 2 (2 pkt)
Czy istnieje kąt $\alpha$ taki, że $\cos \alpha = -\frac{1}{2}$ i $\operatorname{tg} \alpha = -\sqrt{3}$? Odpowiedź uzasadnij.
Tak
Zadanie 3 (9 pkt)
Rozwiąż równania:
a) $\cos x = -\frac{1}{2}$ dla $x \in (-\pi, 3\pi)$
b) $\operatorname{ctg}^2 (2x) = 1$
c) $\cos (2x - \frac{\pi}{3}) = 1$
d) $2 \sin^2 x = \cos x + 1$
a) $x \in \{-\frac{2\pi}{3}, \frac{2\pi}{3}, \frac{4\pi}{3}, \frac{8\pi}{3}\}$
b) $x = \frac{\pi}{8} + \frac{k\pi}{2}$ lub $x = \frac{3\pi}{8} + \frac{k\pi}{2}$, $k \in \mathbb{Z}$
c) $x = \frac{\pi}{6} + k\pi$, $k \in \mathbb{Z}$
d) $x = \pm \frac{\pi}{3} + 2k\pi$ lub $x = \pi + 2k\pi$, $k \in \mathbb{Z}$
Zadanie 4 (3 pkt)
Wiedząc, że $\sin x + \cos x = -\frac{1}{3}$, oblicz wartość $\sin^3 x + \cos^3 x$.
$-\frac{13}{27}$
Zadanie 5 (2 pkt)
Zamień na stopnie lub radiany:
a) $\frac{7\pi}{6} \, \text{rad} = \dots$
b) $315^\circ = \dots$
a) $\frac{7\pi}{6} \, \text{rad} = 210^\circ$
b) $315^\circ = \frac{7\pi}{4} \, \text{rad}$
