13.3 Podstawowe tożsamości trygonometryczne
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Dla kąta $\alpha$, dla którego $\operatorname{tg} \alpha = 3$, oblicz wartości funkcji: $\sin \alpha$, $\cos \alpha$, $\operatorname{ctg} \alpha$.
Dla $\operatorname{tg} \alpha = 3$ istnieją dwie możliwości, w zależności od kwadrantu, w którym leży kąt $\alpha$.
a) Jeśli kąt $\alpha$ leży w I ćwiartce, to $\sin \alpha = \frac{3\sqrt{10}}{10}$, $\cos \alpha = \frac{\sqrt{10}}{10}$, a $\operatorname{ctg} \alpha = \frac{1}{3}$.
b) Jeśli kąt $\alpha$ leży w III ćwiartce, to $\sin \alpha = -\frac{3\sqrt{10}}{10}$, $\cos \alpha = -\frac{\sqrt{10}}{10}$, a $\operatorname{ctg} \alpha = \frac{1}{3}$.
a) Obliczenie wartości $\text{ctg } \alpha$:
\[ \text{ctg } \alpha = \frac{1}{\text{tg } \alpha} \]
Podstawiamy daną wartość $\text{tg } \alpha = 3$:
\[ \text{ctg } \alpha = \frac{1}{3} \]
b) Obliczenie wartości $\sin \alpha$ i $\cos \alpha$:
Korzystamy z zależności:
\[ \text{tg } \alpha = \frac{\sin \alpha}{\cos \alpha} \]
Podstawiamy daną wartość $\text{tg } \alpha = 3$:
\[ 3 = \frac{\sin \alpha}{\cos \alpha} \]
Mnożymy obie strony przez $\cos \alpha$:
\[ \sin \alpha = 3 \cdot \cos \alpha \]
Teraz wykorzystujemy jedynkę trygonometryczną:
\[ \sin^2 \alpha + \cos^2 \alpha = 1 \]
Podstawiamy $\sin \alpha = 3 \cdot \cos \alpha$ do jedynki trygonometrycznej:
\[ (3 \cdot \cos \alpha)^2 + \cos^2 \alpha = 1 \]
\[ 9 \cdot \cos^2 \alpha + \cos^2 \alpha = 1 \]
\[ 10 \cdot \cos^2 \alpha = 1 \]
\[ \cos^2 \alpha = \frac{1}{10} \]
Pierwiastkujemy obie strony:
\[ \cos \alpha = \pm \sqrt{\frac{1}{10}} \]
Upraszczamy pierwiastek:
\[ \cos \alpha = \pm \frac{1}{\sqrt{10}} = \pm \frac{\sqrt{10}}{10} \]
Dla $\cos \alpha = \frac{\sqrt{10}}{10}$, obliczamy $\sin \alpha$:
\[ \sin \alpha = 3 \cdot \frac{\sqrt{10}}{10} = \frac{3\sqrt{10}}{10} \]
Dla $\cos \alpha = -\frac{\sqrt{10}}{10}$, obliczamy $\sin \alpha$:
\[ \sin \alpha = 3 \cdot \left(-\frac{\sqrt{10}}{10}\right) = -\frac{3\sqrt{10}}{10} \]
Zadanie 2 (1 pkt)
Wiedząc, że $\sin \beta \neq 0$, doprowadź do najprostszej postaci wyrażenie: $\cot \beta \cdot \sin \beta \cdot \cos \beta + \cos^2\beta$.
Wyrażenie po uproszczeniu ma postać $2\cos^2\beta$.
Wiedząc, że $\sin \beta \neq 0$, doprowadzamy wyrażenie do najprostszej postaci.
Korzystamy z tożsamości $\text{ctg} \beta = \frac{\cos \beta}{\sin \beta}$.
Oto początkowe wyrażenie:
\[ \text{ctg} \beta \cdot \sin \beta \cdot \cos \beta + \cos^2\beta \]
Podstawiamy definicję $\text{ctg} \beta$:
\[ \frac{\cos \beta}{\sin \beta} \cdot \sin \beta \cdot \cos \beta + \cos^2\beta \]
Ponieważ $\sin \beta \neq 0$, możemy skrócić $\sin \beta$:
\[ \cos \beta \cdot \cos \beta + \cos^2\beta \]
\[ \cos^2\beta + \cos^2\beta \]
Dodajemy wyrazy podobne:
\[ 2\cos^2\beta \]
Zadanie 3 (4 pkt)
Zweryfikuj, czy poniższe wyrażenie stanowi tożsamość trygonometryczną:
$$\left(\frac{1+\sin\alpha}{\cos\alpha} + \frac{\cos\alpha}{1+\sin\alpha}\right) \cdot \text{ctg}\alpha = \frac{2}{\sin\alpha}$$
przy założeniu, że $\alpha \in (0^\circ, 360^\circ)$ oraz $\alpha \ne 0^\circ$, $\alpha \ne 90^\circ$, $\alpha \ne 180^\circ$, $\alpha \ne 270^\circ$.
Wyrażenie stanowi tożsamość trygonometryczną, ponieważ obie strony równania upraszczają się do $\frac{2}{\sin\alpha}$.
Aby zweryfikować tożsamość, przekształcimy lewą stronę równania (L) do prawej strony (P).
a) Rozpoczynamy od lewej strony równania:
\[ \text{L} = \left(\frac{1+\sin\alpha}{\cos\alpha} + \frac{\cos\alpha}{1+\sin\alpha}\right) \cdot \text{ctg}\alpha \]
Ujednolicamy mianowniki w nawiasie:
\[ \text{L} = \left(\frac{(1+\sin\alpha)^2 + \cos^2\alpha}{\cos\alpha(1+\sin\alpha)}\right) \cdot \text{ctg}\alpha \]
Rozwijamy kwadrat i stosujemy tożsamość pitagorejską $\sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1$:
\[ \text{L} = \frac{1 + 2\sin\alpha + \sin^2\alpha + \cos^2\alpha}{\cos\alpha(1+\sin\alpha)} \cdot \text{ctg}\alpha \]
\[ \text{L} = \frac{1 + 2\sin\alpha + 1}{\cos\alpha(1+\sin\alpha)} \cdot \text{ctg}\alpha \]
\[ \text{L} = \frac{2 + 2\sin\alpha}{\cos\alpha(1+\sin\alpha)} \cdot \text{ctg}\alpha \]
Wyłączamy 2 z licznika:
\[ \text{L} = \frac{2(1+\sin\alpha)}{\cos\alpha(1+\sin\alpha)} \cdot \text{ctg}\alpha \]
Skracamy wspólny czynnik $(1+\sin\alpha)$, co jest dozwolone, ponieważ z założeń $\alpha \ne 270^\circ$, więc $1+\sin\alpha \ne 0$:
\[ \text{L} = \frac{2}{\cos\alpha} \cdot \text{ctg}\alpha \]
Zastępujemy $\text{ctg}\alpha$ przez $\frac{\cos\alpha}{\sin\alpha}$:
\[ \text{L} = \frac{2}{\cos\alpha} \cdot \frac{\cos\alpha}{\sin\alpha} \]
Skracamy $\cos\alpha$, co jest dozwolone, ponieważ z założeń $\alpha \ne 90^\circ$ i $\alpha \ne 270^\circ$, więc $\cos\alpha \ne 0$:
\[ \text{L} = \frac{2}{\sin\alpha} \]
Porównując z prawą stroną równania, $\text{P} = \frac{2}{\sin\alpha}$, stwierdzamy, że $\text{L} = \text{P}$.
Więc wyrażenie jest tożsamością trygonometryczną.
Zadanie 4 (2 pkt)
Wyznacz wartość $\operatorname{tg} \alpha$, jeśli spełniony jest warunek:
$$\frac{3\cos\alpha + 2\sin\alpha}{5\sin\alpha - 4\cos\alpha} = 1.$$
Wartość $\operatorname{tg} \alpha$ wynosi $\frac{7}{3}$.
Rozpoczynamy od danego równania:
\[ \frac{3\cos\alpha + 2\sin\alpha}{5\sin\alpha - 4\cos\alpha} = 1 \]
Mnożymy obie strony równania przez mianownik:
\[ 3\cos\alpha + 2\sin\alpha = 5\sin\alpha - 4\cos\alpha \]
Przenosimy wszystkie wyrażenia zawierające $\cos\alpha$ na jedną stronę, a wszystkie wyrażenia zawierające $\sin\alpha$ na drugą stronę równania:
\[ 3\cos\alpha + 4\cos\alpha = 5\sin\alpha - 2\sin\alpha \]
Upraszczamy obie strony:
\[ 7\cos\alpha = 3\sin\alpha \]
Dzielimy obie strony przez $\cos\alpha$:
\[ \frac{7\cos\alpha}{\cos\alpha} = \frac{3\sin\alpha}{\cos\alpha} \]
\[ 7 = 3 \cdot \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha} \]
Dzielimy przez $3$:
\[ \frac{7}{3} = \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha} \]
Ponieważ definicja tangensa to $\operatorname{tg}\alpha = \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}$, otrzymujemy ostateczną wartość:
\[ \operatorname{tg}\alpha = \frac{7}{3} \]
Zadanie 5 (5 pkt)
Wiedząc, że $\alpha \in (90^\circ, 180^\circ)$ oraz $\sin \alpha \cdot \cos \alpha = -\frac{3}{8}$, oblicz $\sin \alpha - \cos \alpha$.
Szukana wartość wynosi $\sin \alpha - \cos \alpha = \frac{\sqrt{7}}{2}$.
Wiadomo, że kwadrat wyrażenia $(\sin \alpha - \cos \alpha)$ można rozpisać jako:
\[ (\sin \alpha - \cos \alpha)^2 = \sin^2 \alpha - 2 \sin \alpha \cdot \cos \alpha + \cos^2 \alpha \]
Korzystając z jedynki trygonometrycznej $\sin^2 \alpha + \cos^2 \alpha = 1$, wzór upraszcza się do:
\[ (\sin \alpha - \cos \alpha)^2 = 1 - 2 \sin \alpha \cdot \cos \alpha \]
Podstawiamy daną wartość $\sin \alpha \cdot \cos \alpha = -\frac{3}{8}$:
\[ (\sin \alpha - \cos \alpha)^2 = 1 - 2 \cdot \left(-\frac{3}{8}\right) \]
Wykonujemy mnożenie:
\[ (\sin \alpha - \cos \alpha)^2 = 1 + \frac{3}{4} \]
Sumujemy wartości po prawej stronie:
\[ (\sin \alpha - \cos \alpha)^2 = \frac{7}{4} \]
Aby znaleźć wartość $\sin \alpha - \cos \alpha$, pierwiastkujemy obie strony równania:
\[ \sin \alpha - \cos \alpha = \pm \sqrt{\frac{7}{4}} \]
Upraszczamy pierwiastek:
\[ \sin \alpha - \cos \alpha = \pm \frac{\sqrt{7}}{2} \]
Z treści zadania wiemy, że $\alpha \in (90^\circ, 180^\circ)$, co oznacza, że kąt $\alpha$ leży w drugiej ćwiartce układu współrzędnych. W drugiej ćwiartce $\sin \alpha$ jest dodatni, a $\cos \alpha$ jest ujemny.
Zatem różnica $\sin \alpha - \cos \alpha$ musi być dodatnia.
Dlatego wybieramy wartość dodatnią:
\[ \sin \alpha - \cos \alpha = \frac{\sqrt{7}}{2} \]
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Dla kąta $\alpha$, dla którego $\operatorname{tg} \alpha = -\frac{1}{2}$, oblicz wartości funkcji: $\sin \alpha$, $\cos \alpha$, $\operatorname{ctg} \alpha$.
Dla $\operatorname{tg} \alpha = -\frac{1}{2}$ istnieją dwie możliwości, w zależności od kwadrantu, w którym leży kąt $\alpha$.
a) Jeśli kąt $\alpha$ leży w II ćwiartce, to $\sin \alpha = \frac{\sqrt{5}}{5}$, $\cos \alpha = -\frac{2\sqrt{5}}{5}$, a $\operatorname{ctg} \alpha = -2$.
b) Jeśli kąt $\alpha$ leży w IV ćwiartce, to $\sin \alpha = -\frac{\sqrt{5}}{5}$, $\cos \alpha = \frac{2\sqrt{5}}{5}$, a $\operatorname{ctg} \alpha = -2$.
Zadanie 2 (1 pkt)
Wiedząc, że $ \cos \gamma \neq 0 $, doprowadź do najprostszej postaci wyrażenie: $ \tan \gamma \cdot \sin \gamma \cdot \cos \gamma + \cos^2\gamma $.
Wyrażenie po uproszczeniu ma postać $1$.
Zadanie 3 (4 pkt)
Zweryfikuj, czy poniższe wyrażenie stanowi tożsamość trygonometryczną:
$$\left(\frac{1+\cos\alpha}{\sin\alpha} + \frac{\sin\alpha}{1+\cos\alpha}\right) \cdot \text{tg}\alpha = \frac{2}{\cos\alpha}$$
przy założeniu, że $\alpha \in (0^\circ, 360^\circ)$ oraz $\alpha \ne 0^\circ$, $\alpha \ne 90^\circ$, $\alpha \ne 180^\circ$, $\alpha \ne 270^\circ$.
Wyrażenie stanowi tożsamość trygonometryczną, ponieważ obie strony równania upraszczają się do $\frac{2}{\cos\alpha}$.
Zadanie 4 (2 pkt)
Wyznacz wartość $\operatorname{tg} \alpha$, jeśli spełniony jest warunek:
$$\frac{4\cos\alpha + 5\sin\alpha}{2\sin\alpha - 3\cos\alpha} = 1.$$
Wartość $\operatorname{tg} \alpha$ wynosi $-\frac{7}{3}$.
Zadanie 5 (5 pkt)
Wiedząc, że $\alpha \in (90^\circ, 180^\circ)$ oraz $\sin \alpha \cdot \cos \alpha = -\frac{2}{5}$, oblicz $\sin \alpha - \cos \alpha$.
Szukana wartość wynosi $\sin \alpha - \cos \alpha = \frac{3\sqrt{5}}{5}$.
