Trigonometry · real student question

三角方程式 sin x - 2 cos 2x = 1 を解き、一般解を求めよ。

Question

三角方程式

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

を解き、一般解を求めよ。

Step-by-step solution

  1. すべてを1つの三角関数で書き直す。 この方程式には角 xx と角 2x2x が混ざっており、そのままでは解けない。2倍角の公式の3つの形のうち、もう一方の項が sinx\sin x なので、正弦だけで書かれたものを選ぶ:

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

  2. 代入して整理する。

    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.

    これで方程式は1つの量についての2次方程式になった。

  3. 2次方程式を解く。 t=sinxt=\sin x と置くと 4t2+t3=04t^{2}+t-3=0 である。判別式は D=124(4)(3)=49D=1^{2}-4(4)(-3)=49 で平方数なので、

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

    どちらの値も [1,1][-1,1] に入るので捨てる必要はない。ここは必ず確認すること。[1,1][-1,1] の外に出る解は不適だからである。

  4. sinx=34\sin x=\tfrac34 を解く。 この値は特別な角ではないので、答えは arcsin\arcsin を使ったまま表す。正弦が 34\tfrac34 を取るのは第1象限で1回、第2象限で1回である:

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

    これは x=(1)narcsin34+πnx=(-1)^{n}\arcsin\frac{3}{4}+\pi n というまとまった式で1行に書ける。数値では arcsin340.8481\arcsin\tfrac34\approx 0.8481 ラジアン 48.59\approx 48.59^{\circ} である。

  5. sinx=1\sin x=-1 を解く。 ここでは正弦が最小値を取り、それは1周期に1点だけなので、解の族は1つしかない:

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

  6. 両方の族をもとの方程式で検算する。 x=arcsin340.8481x=\arcsin\tfrac34\approx 0.8481 では sinx2cos2x=0.752(0.125)=1\sin x-2\cos 2x=0.75-2(-0.125)=1x=π2x=-\tfrac{\pi}{2} では 12cos(π)=1+2=1-1-2\cos(-\pi)=-1+2=1。どちらも方程式を満たすので、解集合はこの2つの族の合併である。

Answer

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

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