Решение систем тригонометрических уравнений
46
Решение систем тригонометрических уравнений
Кандидат физико-mатематических наук
А. А. БОЛИБРУХ,
кандидат физико-mатематических наук
В. М. УРОЕВ,
профессор М. И. ШАБУНИН
В данной заметке на примерах задач, предложенных в разных годы наступительных экзаменах в МФТИ (письменных и устных), приведены некоторые способы решения систем тригонометрических уравнений.
Напомним определения, относящаяся к любым, не обязательно тригонометрическим, системам. Если каждое решение одной системы является решением другой системы, то вторая система называется «следствием» первой. Если первый система является следствием второй, а второй — следствием первой, то такие системы называются равносильными.
Укажем некоторые преобразования системы, в результате которых получаются системы, равносильные исходной.
-
Любое уравнение системы можно заменить равносильным ему уравнением.
-
Любое уравнение системы можно заменить уравнением, которое получается сложением данного с другой уравнением системы.
-
Значение неизвестного, найденное из некоторого уравнения системы, можно подставить в любое другое уравнение той же системы.
-
К системе можно добавить уравнение, являющегося следствием данной системы.
-
Если система содержит уравнение , где функция и определяны на одном и том же множестве, то она равносильна совокупности двух системы, в одной из которых уравнение заменено уравнением , а в другой — уравнением .
Приступая к решению системы тригонометрических уравнений, целесообразно вначале проверить, нельзя ли неопределенно из какого-либо уравнения системы выразить одно из неизвестных через другие.
Задача 1 (МФТИ, 1983). Решите систему уравнений
Решение е. Исподная система имеет смысл лишь в случае, когда определены функции и , т. е. выполл-
47
найотся условия
(3)
Рассмотрим первое уравнение. Естественно было бы разделить обе его части на 1 — тg x · tg y и воспользоваться формулой тангенса суммы. Тогда уравнение (1) можно было бы переписать в виде
(4)
но при этом мы можем потерять те решения системы (1), (2), для которых
(5)
Однако легко убедиться в том, что система (1), (2), (5) не имеет решения. В самом деле, если бы существовали решения этой системы, то из уравнения (1) следовало бы, что tg x + tg y = 0. Но тогда уравнение (5) прияло бы вид 1 + tg² y = 0, и следовательно, оно бы решений не имело.
Таким образом, исходная система при условии (3) равносильно системе (2), (4).
Из уравнения (4) находится x + y = π/4 + πn, т. е.
(6)
Тепер найденное для y выражение подставим в уравнение (2) исходной системы:
Полученное уравнение приводится к виду sin x (2 sin x + √2) = 0, откуда
a) sin x = 0, x = πm, m ∈ Z,
6) sin x = -√2/2,
x = (-1)^{k+1}π/4 + πk, k ∈ Z.
По формуле (6) определяем соответствующие значения y. Для серии a)
(7)
для серии 6)
(8)
Значения (x, y) из формулы (7) удовлетворяют условия (3). Для серии (8) требуется дополнительное исследование. Если sin x = -√2/2, то cos x ≠ 0, так что первое неравенство уравнения (3) зависит воиполнено. Второе неравенство cos y ≠ 0 выполняется не всегда.
Если k — четное число, т. е. k = 2p, где p ∈ Z, то по формуле (8) находится y = π/2 + π(n - 2p). Для этих значений y условие (3) не выполняется. Если же k — нечетное число, т. е. k = 2p - 1, где p ∈ Z, то y = π(n - 2p + 1) и условие (3) вы-
полено. Соответствующие значения x находится по формуле 6): x = -3π/4 + 2πp.
Ответ: (πm; π/4 + π(n - m)), (-3π/4 + 2πp; π(n - 2p + 1)), m, n, p ∈ Z.
Целочисленные параметры, входящие в запись решений системы, нельзя обозначать одной буквой. Это означает, что они обозначены принимать одинаковые значения, в то время как в действительности они принимают клегугодно цельные значения — одинаковые или разные.
В дальнейшем k, l, m, n, p, r, s, t, если не оговорено противное, принимают все целые значения.
Задача 2. Решите систему уравнений
(9)
Решение. Сложив уравнения системы (9), а затем вычтя из второго уравнения первого, получим систему, равносильно системе (9):
откуда последовательно находится
x + y = πn, y - x = π/2 + 2πk,
x = π(n/2 - k - 1/4),
y = π(n/2 + k + 1/4).
Ответ: (π(n/2 - k - 1/4); π(n/2 + k + 1/4)).
Так же, как система (9), можно решить любую систему вида
К таким системам приводятся, например, системы
Если система содержит только две комбинации трионометрических функций либо приводится к такойой, то, обозначив эти комбинации функций за новые неизвестные, можновести исходную систему к алгебраической.
Задача 3. Решите систему уравнений
(10)
Решение. Воспользовемся тождеством
и обозначим
48
cos x - sin x = u, cos y - sin y = v;
(11)
тогда
sin 2x = 1 - u², sin 2y = 1 - v²,
и система (10) сведется к алгебраической системе
Система (12) имеет два решения:
Рассмотрим вначале значения . Возвращаясь к исходным переменным, по формулам (11) получаем:
Но уже первое уравнение системы (13) решений не имеет, так как cos x - sin x = cos .
Следовательно, система (13) решений не имеет.
Рассмотрим теперь значения и . Вновь по формулам (11) получим
Для первого уравнения находим
Точно так же получаем
Таким образом, найдем следующее решение исходной системы:
(знаки выбираются независимо друг от друга).
В некоторых случаях система удается привести к виду
откуда в силу основного трионометрического точекства получаем уравнение , содержащей лишь одно неизвестное.
Если система приведена к виду
то неизвестное исключается переменным уравнения: tg , откуда .
При таких способах решения необходимо внимательно следить за тем, чтобы не потерять решения и не прибрести посторонних решений.
Задача 4 (МФТИ, 1978). Решите систему уравнений
Решение. Систему (15) можно привести к виду (14). Следовательно, получим равносильную систему
Возвода почленно уравнения системы (16) в квадрат и складывая, получаем уравнение, являющегося следствием системы (16):
или
откуда
Из первого уравнения системы (16) с учетом (17) находим ,
Поскольку при решении системы (15) могут появиться построение решения (использовалась операция возвления в квадрат), необходимо произвести отбор, подставив найденные значения (18), (19) во второе уравнение этой системы.
Легко видеть, что при четных и в формулах (18), (19) соответствуют значения cos и cos положительных, а при нечетных и эти значения отрицательны. Таким образом, |cos , так что для выполнения второго уравнения системы (16) требуется только, чтобы значения cos и cos совпадали. Отсюда получаем
Обе полученные серии (20) можно объединить и ответ записать в следующем виде.
49
Ответ:
При решении тригонометрических систем часто бывают непросто сделать первый шаг, найти «ключи» к решению задачи. Какие-то общее рекомендации здесь даны нельзя. Можно лишь посоветовать стараться применять такие преобразования уравнения системы, которые приводят к появлению тригонометрических функций одного аргумента или хотя бы не увеличивают число функций с разными аргументами.
Задача 5 (МФТИ, 1982). Решите систему уравнения
Решение. Если выразить члены уравнения через синусы и косинусы аргументов и , то получится довольно сложная система. Поэтому следует избрать другой способ решения.
Заметим, что сумма аргументов косинусов в уравнениях системы, равная , совпадает с суммой аргументов синусов. Учитывая это, переможим уравнения системы (21) «крест-накрест», т. е. умножим левую часть одного уравнения на правую часть другого. Получим уравнение , (22) являющегося следствием системы (21).
Заметим в уравнения (22) произведение тригонометрических функций соответствующими суммами (разностями); получим после применения подобных cos + cos , откуда 2 cos . Это уравнение распадается на два уравнения:
Следовательно, система (21) равна ссовокупности системы (21), (23) и (21), (24).
a) Из уравнения (23) следует, что . (25)
Подставляя из (25) в систему (21), получаем:
Оба уравнения этой системы приводятся к виду 3 sin , откуда . Из (25) находится соответствующие значения .
- Расмотрим теперь систему (21), (24). Из уравнения (24) находится . Подставляя это значение в системе (21), получаем:
Далее воспользуемся формулами приведения. Из второго уравнения системы (26) следует, что , т. е. . Подставляя это значение в первое уравнение, получаем
Посленее равенство не выполняется ни при каких целях , поэтому система (26) несовместна, и в случае 6) решений нет.
Ответ:
Уражения
Решите системы уравнения:
1 (МФТИ, 1982).
2 (МФТИ, 1978).
3 (МФТИ, 1982).
4 (МФТИ, 1982).
5 (МФТИ, 1981).
6 (МФТИ, 1976).
7 (МФТИ, 1978).
8 (МФТИ, 1986).
9 (МФТИ, 1982), Найдите все решения системы уравнения