Trigonometry · real student question

Resuelve la ecuación trigonométrica sen x - 2 cos 2x = 1 y da la solución general.

Question

Resuelve la ecuación trigonométrica

sinx2cos2x=1\sin x-2\cos 2x=1

y da la solución general.

Step-by-step solution

  1. Reescribe todo en términos de una sola función trigonométrica. La ecuación mezcla el ángulo xx con el ángulo 2x2x, y así no se puede resolver directamente. De las tres formas de la identidad del ángulo doble, elige la que está escrita sólo con senos, ya que el otro término es sinx\sin x:

    cos2x=12sin2x.\cos 2x=1-2\sin^{2}x.

  2. Sustituye y agrupa.

    sinx2(12sin2x)=1  sinx2+4sin2x=1,\sin x-2\left(1-2\sin^{2}x\right)=1\ \Longrightarrow\ \sin x-2+4\sin^{2}x=1,

    4sin2x+sinx3=0.4\sin^{2}x+\sin x-3=0.

    La ecuación es ahora una cuadrática en una sola cantidad.

  3. Resuelve la cuadrática. Haz t=sinxt=\sin x, de modo que 4t2+t3=04t^{2}+t-3=0. El discriminante es D=124(4)(3)=49D=1^{2}-4(4)(-3)=49, un cuadrado perfecto, así que

    t=1±78  t1=34,t2=1.t=\frac{-1\pm 7}{8}\ \Longrightarrow\ t_{1}=\frac{3}{4},\qquad t_{2}=-1.

    Ambos valores están en [1,1][-1,1], así que no hay que descartar ninguno. Conviene comprobarlo siempre, porque una raíz fuera de [1,1][-1,1] sería una solución imposible.

  4. Resuelve sinx=34\sin x=\tfrac34. Este valor no corresponde a un ángulo notable, así que la respuesta se deja en términos de arcsin\arcsin. El seno toma el valor 34\tfrac34 una vez en el primer cuadrante y otra en el segundo:

    x=arcsin34+2πnox=πarcsin34+2πn,nZ,x=\arcsin\frac{3}{4}+2\pi n\quad\text{o}\quad x=\pi-\arcsin\frac{3}{4}+2\pi n,\qquad n\in\mathbb{Z},

    lo que la fórmula compacta x=(1)narcsin34+πnx=(-1)^{n}\arcsin\frac{3}{4}+\pi n resume en una sola línea. Numéricamente arcsin340.8481\arcsin\tfrac34\approx 0.8481 rad 48.59\approx 48.59^{\circ}.

  5. Resuelve sinx=1\sin x=-1. Aquí el seno alcanza su mínimo, algo que ocurre en un único punto por periodo, así que sólo hay una familia:

    x=π2+2πn(equivalentemente x=3π2+2πn),nZ.x=-\frac{\pi}{2}+2\pi n\quad\left(\text{equivalentemente }x=\frac{3\pi}{2}+2\pi n\right),\qquad n\in\mathbb{Z}.

  6. Comprueba las dos familias en la ecuación original. En x=arcsin340.8481x=\arcsin\tfrac34\approx 0.8481: sinx2cos2x=0.752(0.125)=1\sin x-2\cos 2x=0.75-2(-0.125)=1. En x=π2x=-\tfrac{\pi}{2}: 12cos(π)=1+2=1-1-2\cos(-\pi)=-1+2=1. Ambas satisfacen la ecuación, así que el conjunto solución es la unión de las dos familias.

Answer

x=(1)narcsin34+πnox=π2+2πn,nZx=(-1)^{n}\arcsin\frac{3}{4}+\pi n\quad\text{o}\quad x=-\frac{\pi}{2}+2\pi n,\qquad n\in\mathbb{Z}

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