13.6 Funkcje trygonometryczne zmiennej rzeczywistej
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
Oblicz wartość wyrażenia: $\cos \frac{13\pi}{3} + \operatorname{tg}\left(-\frac{5\pi}{4}\right) - \sin 2\pi$.
Wartość wyrażenia wynosi $-\frac{1}{2}$.
Obliczamy wartość każdego składnika wyrażenia:
a) Obliczenie wartości funkcji kosinus:\[\cos \frac{13\pi}{3}\]Zauważamy, że\[\frac{13\pi}{3} = 4\pi + \frac{\pi}{3}\]Ponieważ funkcja kosinus ma okres $2\pi$,\[\cos \left( 4\pi + \frac{\pi}{3} \right) = \cos \frac{\pi}{3}\]Wiadomo, że\[\cos \frac{\pi}{3} = \frac{1}{2}\]
b) Obliczenie wartości funkcji tangens:\[\operatorname{tg}\left(-\frac{5\pi}{4}\right)\]Ponieważ funkcja tangens jest nieparzysta,\[\operatorname{tg}\left(-\frac{5\pi}{4}\right) = -\operatorname{tg}\left(\frac{5\pi}{4}\right)\]Zauważamy, że\[\frac{5\pi}{4} = \pi + \frac{\pi}{4}\]Ponieważ funkcja tangens ma okres $\pi$,\[-\operatorname{tg}\left(\pi + \frac{\pi}{4}\right) = -\operatorname{tg}\left(\frac{\pi}{4}\right)\]Wiadomo, że\[\operatorname{tg}\left(\frac{\pi}{4}\right) = 1\]Zatem\[-\operatorname{tg}\left(\frac{\pi}{4}\right) = -1\]
c) Obliczenie wartości funkcji sinus:\[\sin 2\pi\]Ponieważ $2\pi$ jest wielokrotnością $2\pi$, a funkcja sinus ma okres $2\pi$ i $\sin(2k\pi) = 0$ dla całkowitych $k$,\[\sin 2\pi = 0\]
Sumowanie uzyskanych wartości:\[\cos \frac{13\pi}{3} + \operatorname{tg}\left(-\frac{5\pi}{4}\right) - \sin 2\pi = \frac{1}{2} + (-1) - 0\]\[= \frac{1}{2} - 1 = -\frac{1}{2}\]
Zadanie 2 (1 pkt)
Wyznacz okres podstawowy funkcji:
a) $f(x) = \operatorname{tg} 4x$
b) $f(x) = \sin \left(\frac{1}{2}\pi x + 3\right)$
a) Okres podstawowy funkcji $f(x) = \operatorname{tg} 4x$ wynosi $T = \frac{\pi}{4}$.
b) Okres podstawowy funkcji $f(x) = \sin \left(\frac{1}{2}\pi x + 3\right)$ wynosi $T = 4$.
a) Obliczenie okresu podstawowego dla funkcji tangens:
Okres podstawowy funkcji tangens o postaci $f(x) = \operatorname{tg}(ax)$ jest dany wzorem $T = \frac{\pi}{|a|}$.
W naszym przypadku $a=4$.\[
T = \frac{\pi}{|4|}
\]\[
T = \frac{\pi}{4}
\]
b) Obliczenie okresu podstawowego dla funkcji sinus:
Okres podstawowy funkcji sinus o postaci $f(x) = \sin(ax + b)$ jest dany wzorem $T = \frac{2\pi}{|a|}$.
W naszym przypadku $a = \frac{1}{2}\pi$.\[
T = \frac{2\pi}{\left|\frac{1}{2}\pi\right|}
\]\[
T = \frac{2\pi}{\frac{1}{2}\pi}
\]\[
T = 2\pi \cdot \frac{2}{\pi}
\]\[
T = 4
\]
Zadanie 3 (4 pkt)
Wykaż, że:
a) $ \sin \frac{3\pi}{7} \cdot \sin^2 (2\pi + 3) + \sin \frac{4\pi}{7} \cdot \cos^2 (2\pi - 3) = \cos \frac{\pi}{14} $
b) $ \cos (-0,6\pi) : \sin (-0,4\pi) = \text{tg } 0,1\pi $
a) Wykazano, że lewa strona równania jest równa $ \cos \frac{\pi}{14} $, co dowodzi tożsamości.
b) Wykazano, że lewa strona równania jest równa $ \text{tg } 0,1\pi $, co dowodzi tożsamości.
a) Upraszczamy wyrażenia trygonometryczne, wykorzystując okresowość funkcji sinus i cosinus.
Każdy kąt w postaci $x + 2k\pi$ dla całkowitych $k$ ma takie same wartości funkcji trygonometrycznych jak kąt $x$. Zatem:\[ \sin(2\pi + 3) = \sin(3) \]oraz\[ \cos(2\pi - 3) = \cos(-3) = \cos(3) \]Podstawiamy te uproszczone formy do lewej strony równania:\[ \sin \frac{3\pi}{7} \cdot \sin^2(3) + \sin \frac{4\pi}{7} \cdot \cos^2(3) \]Zauważamy, że $ \frac{4\pi}{7} = \pi - \frac{3\pi}{7} $. Stosujemy wzór redukcyjny $ \sin(\pi - x) = \sin(x) $:\[ \sin \frac{4\pi}{7} = \sin \left( \pi - \frac{3\pi}{7} \right) = \sin \frac{3\pi}{7} \]Podstawiamy to z powrotem do równania:\[ \sin \frac{3\pi}{7} \cdot \sin^2(3) + \sin \frac{3\pi}{7} \cdot \cos^2(3) \]Wyciągamy wspólny czynnik $ \sin \frac{3\pi}{7} $ przed nawias:\[ \sin \frac{3\pi}{7} \cdot (\sin^2(3) + \cos^2(3)) \]Stosujemy jedynkę trygonometryczną $ \sin^2(x) + \cos^2(x) = 1 $:\[ \sin \frac{3\pi}{7} \cdot 1 = \sin \frac{3\pi}{7} \]Teraz musimy wykazać, że $ \sin \frac{3\pi}{7} $ jest równe prawej stronie równania, czyli $ \cos \frac{\pi}{14} $.
Korzystamy z tożsamości $ \sin(x) = \cos \left( \frac{\pi}{2} - x \right) $:\[ \sin \frac{3\pi}{7} = \cos \left( \frac{\pi}{2} - \frac{3\pi}{7} \right) \]Obliczamy wartość w nawiasie:\[ \frac{\pi}{2} - \frac{3\pi}{7} = \frac{7\pi}{14} - \frac{6\pi}{14} = \frac{\pi}{14} \]Zatem:\[ \sin \frac{3\pi}{7} = \cos \frac{\pi}{14} \]Lewa strona równania jest równa prawej stronie, co dowodzi tożsamości.
b) Upraszczamy lewą stronę równania $ \cos (-0,6\pi) : \sin (-0,4\pi) $.
Korzystamy z własności funkcji parzystych i nieparzystych: $ \cos(-x) = \cos(x) $ oraz $ \sin(-x) = -\sin(x) $.\[ \cos (-0,6\pi) = \cos (0,6\pi) \]\[ \sin (-0,4\pi) = -\sin (0,4\pi) \]Podstawiamy te uproszczenia do wyrażenia:\[ \frac{\cos (0,6\pi)}{-\sin (0,4\pi)} \]Zauważamy, że $ 0,6\pi = \pi - 0,4\pi $. Stosujemy wzór redukcyjny $ \cos(\pi - x) = -\cos(x) $:\[ \cos (0,6\pi) = \cos (\pi - 0,4\pi) = -\cos (0,4\pi) \]Podstawiamy to z powrotem do wyrażenia:\[ \frac{-\cos (0,4\pi)}{-\sin (0,4\pi)} = \frac{\cos (0,4\pi)}{\sin (0,4\pi)} \]Z definicji cotangensa $ \text{ctg}(x) = \frac{\cos(x)}{\sin(x)} $:\[ \frac{\cos (0,4\pi)}{\sin (0,4\pi)} = \text{ctg} (0,4\pi) \]Teraz musimy wykazać, że $ \text{ctg} (0,4\pi) $ jest równe prawej stronie równania, czyli $ \text{tg } 0,1\pi $.
Korzystamy z tożsamości $ \text{ctg}(x) = \text{tg} \left( \frac{\pi}{2} - x \right) $:\[ \text{ctg} (0,4\pi) = \text{tg} \left( \frac{\pi}{2} - 0,4\pi \right) \]Obliczamy wartość w nawiasie:\[ \frac{\pi}{2} - 0,4\pi = 0,5\pi - 0,4\pi = 0,1\pi \]Zatem:\[ \text{ctg} (0,4\pi) = \text{tg } 0,1\pi \]Lewa strona równania jest równa prawej stronie, co dowodzi tożsamości.
Zadanie 4 (3 pkt)
Wykaż, że dana równość nie jest tożsamością.
a) $\frac{\sin(\alpha - 4\pi)}{\cos(4\pi + \alpha)} = \operatorname{ctg}\left(\alpha - \frac{7\pi}{2}\right)$
b) $\cos(\alpha - 3\pi) \cdot \operatorname{ctg}\left(\frac{3\pi + 2\alpha}{2}
\right) = \cos \alpha$
a) Lewa strona upraszcza się do $\tan \alpha$, a prawa strona do $-\tan \alpha$, co oznacza, że równość nie jest tożsamością.
b) Lewa strona upraszcza się do $-\sin \alpha$, a prawa strona wynosi $\cos \alpha$, co oznacza, że równość nie jest tożsamością.
a) Wykażemy, że lewa strona równości nie jest równa prawej stronie.
Zaczynamy od lewej strony:\[ \frac{\sin(\alpha - 4\pi)}{\cos(4\pi + \alpha)} \]Korzystamy z okresowości funkcji sinus i cosinus:\[ \sin(\alpha - 4\pi) = \sin \alpha \]\[ \cos(4\pi + \alpha) = \cos \alpha \]Podstawiamy te uproszczenia do lewej strony równości:\[ \frac{\sin \alpha}{\cos \alpha} = \tan \alpha \]Teraz analizujemy prawą stronę równości:\[ \operatorname{ctg}\left(\alpha - \frac{7\pi}{2}\right) \]Możemy dodać $4\pi$ do argumentu funkcji cotangens, ze względu na jej okresowość:\[ \operatorname{ctg}\left(\alpha - \frac{7\pi}{2} + 4\pi\right) = \operatorname{ctg}\left(\alpha + \frac{\pi}{2}\right) \]Korzystamy ze wzoru redukcyjnego $\operatorname{ctg}\left(\frac{\pi}{2} + x\right) = -\tan x$:\[ \operatorname{ctg}\left(\alpha + \frac{\pi}{2}\right) = -\tan \alpha \]Ponieważ $\tan \alpha \neq -\tan \alpha$ (dla ogólnych wartości kąta $\alpha$), równość nie jest tożsamością.
b) Wykażemy, że lewa strona równości nie jest równa prawej stronie.
Zaczynamy od lewej strony:\[ \cos(\alpha - 3\pi) \cdot \operatorname{ctg}\left(\frac{3\pi + 2\alpha}{2}
\right) \]Upraszczamy pierwszy czynnik korzystając z parzystości funkcji cosinus i wzoru redukcyjnego:\[ \cos(\alpha - 3\pi) = \cos(3\pi - \alpha) = \cos(\pi - \alpha + 2\pi) = \cos(\pi - \alpha) = -\cos \alpha \]Upraszczamy drugi czynnik:\[ \operatorname{ctg}\left(\frac{3\pi + 2\alpha}{2}
\right) = \operatorname{ctg}\left(\frac{3\pi}{2} + \alpha\right) \]Korzystamy ze wzoru redukcyjnego $\operatorname{ctg}\left(\frac{3\pi}{2} + x\right) = \tan x$:\[ \operatorname{ctg}\left(\frac{3\pi}{2} + \alpha\right) = \tan \alpha \]Podstawiamy uproszczone czynniki do lewej strony równości:\[ (- \cos \alpha) \cdot (\tan \alpha) = - \cos \alpha \cdot \frac{\sin \alpha}{\cos \alpha} = -\sin \alpha \]Prawa strona równości to $\cos \alpha$.
Ponieważ $- \sin \alpha \neq \cos \alpha$ (dla ogólnych wartości kąta $\alpha$), równość nie jest tożsamością.
Zadanie 5 (2 pkt)
Zbadaj parzystość funkcji określonej wzorem:
a) $f(x) = \sin 5x$
b) $f(x) = 4x^5$
a) Funkcja $f(x) = \sin 5x$ jest nieparzysta.
b) Funkcja $f(x) = 4x^5$ jest nieparzysta.
a) Obliczamy $f(-x)$ dla funkcji $f(x) = \sin 5x$:\[ f(-x) = \sin(5 \cdot (-x)) \]\[ f(-x) = \sin(-5x) \]Korzystając z własności funkcji sinus, że $\sin(-y) = -\sin(y)$, otrzymujemy:\[ f(-x) = -\sin(5x) \]Ponieważ $f(x) = \sin 5x$, możemy zauważyć, że $f(-x) = -f(x)$.
Zatem funkcja $f(x) = \sin 5x$ jest funkcją nieparzystą.
b) Obliczamy $f(-x)$ dla funkcji $f(x) = 4x^5$:\[ f(-x) = 4 \cdot (-x)^5 \]\[ f(-x) = 4 \cdot (-1)^5 \cdot x^5 \]\[ f(-x) = 4 \cdot (-1) \cdot x^5 \]\[ f(-x) = -4x^5 \]Ponieważ $f(x) = 4x^5$, możemy zauważyć, że $f(-x) = -f(x)$.
Zatem funkcja $f(x) = 4x^5$ jest funkcją nieparzystą.
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
Oblicz wartość wyrażenia: $\cos \frac{10\pi}{3} + \operatorname{tg}\left(-\frac{13\pi}{4}\right) - \sin 6\pi$.
Wartość wyrażenia wynosi $-\frac{3}{2}$.
Zadanie 2 (1 pkt)
Wyznacz okres podstawowy funkcji:
a) $f(x) = \operatorname{tg} 2x$
b) $f(x) = \sin \left(\frac{4}{5}\pi x - 1\right)$
a) Okres podstawowy funkcji $f(x) = \operatorname{tg} 2x$ wynosi $T = \frac{\pi}{2}$.
b) Okres podstawowy funkcji $f(x) = \sin \left(\frac{4}{5}\pi x - 1\right)$ wynosi $T = \frac{5}{2}$.
Zadanie 3 (4 pkt)
Wykaż, że:
a) $ \sin \frac{\pi}{6} \cdot \sin^2 (2\pi + 7) + \sin \frac{5\pi}{6} \cdot \cos^2 (2\pi - 7) = \cos \frac{\pi}{3} $
b) $ \cos (-0,8\pi) : \sin (-0,2\pi) = \text{tg } 0,3\pi $
a) Wykazano, że lewa strona równania jest równa $ \cos \frac{\pi}{3} $, co dowodzi tożsamości.
b) Wykazano, że lewa strona równania jest równa $ \text{tg } 0,3\pi $, co dowodzi tożsamości.
Zadanie 4 (3 pkt)
Wykaż, że dana równość nie jest tożsamością.
a) $\frac{\sin(\alpha + 6\pi)}{\cos(\alpha - 6\pi)} = \operatorname{ctg}\left(\alpha - \frac{11\pi}{2}
\right)$
b) $\cos(\alpha + 5\pi) \cdot \operatorname{ctg}\left(\frac{5\pi + 2\alpha}{2}
\right) = \cos \alpha$
a) Lewa strona upraszcza się do $\tan \alpha$, a prawa strona do $-\tan \alpha$, co oznacza, że równość nie jest tożsamością.
b) Lewa strona upraszcza się do $\sin \alpha$, a prawa strona wynosi $\cos \alpha$, co oznacza, że równość nie jest tożsamością.
Zadanie 5 (2 pkt)
Zbadaj parzystość funkcji określonej wzorem:
a) $f(x) = \sin 7x$
b) $f(x) = -3x^7$
a) Funkcja $f(x) = \sin 7x$ jest nieparzysta.
b) Funkcja $f(x) = -3x^7$ jest nieparzysta.
