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Trigonometry · real student question

在区间 [0, 2π) 上解方程 sin²x + sin x = 0。

Question

解方程

sin⁡2x+sin⁡x=0\sin^2 x + \sin x = 0

求 xx 在区间 [0,2π)[0, 2\pi) 上的解。

Step-by-step solution

  1. 把它看成关于 sin⁡x\sin x 的二次方程。 令 u=sin⁡xu = \sin x,方程就变成 u2+u=0u^2 + u = 0。认出这个二次结构是关键一步;根本不需要用任何三角恒等式。

  2. 要因式分解,不要两边相除。 提出公因式 sin⁡x\sin x:

    sin⁡x (sin⁡x+1)=0\sin x\,(\sin x + 1) = 0

    千万不要两边同除以 sin⁡x\sin x——那会悄悄丢掉所有满足 sin⁡x=0\sin x = 0 的解,而这里绝大部分答案正是它们。

  3. 拆成两个简单方程。 乘积为零,只能是某个因式为零:

    sin⁡x=0或sin⁡x=−1\sin x = 0 \qquad \text{或} \qquad \sin x = -1

  4. 在 [0,2π)[0, 2\pi) 上分别求解。 正弦在一个周期的两端和中间取零,而取到最小值 −1-1 只有一次:

    sin⁡x=0  ⇒  x=0, π(2π 因区间半开而被排除)\sin x = 0 \;\Rightarrow\; x = 0,\ \pi \qquad (2\pi \text{ 因区间半开而被排除})

    sin⁡x=−1  ⇒  x=3π2\sin x = -1 \;\Rightarrow\; x = \frac{3\pi}{2}

  5. 汇总并逐个验证。 解集是 {0, π, 3π2}\left\{0,\ \pi,\ \dfrac{3\pi}{2}\right\}。代回原方程:x=0x=0 时 0+0=00 + 0 = 0 ✓;x=πx=\pi 时 0+0=00 + 0 = 0 ✓;x=3π2x = \tfrac{3\pi}{2} 时 (−1)2+(−1)=1−1=0(-1)^2 + (-1) = 1 - 1 = 0 ✓。在 [0,2π)[0,2\pi) 上取 22 百万个点做数值扫描,零点只出现在 00、π\pi 和 1.5π1.5\pi,说明没有漏解——特别是常见错误选项里的 2π3\tfrac{2\pi}{3} 和 4π3\tfrac{4\pi}{3},代进去得到 34±32≠0\tfrac34 \pm \tfrac{\sqrt3}{2} \neq 0。

Answer

x∈{0, π, 3π2}x \in \left\{0,\ \pi,\ \frac{3\pi}{2}\right\}

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