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Trigonometry · real student question

解三角方程 sin x − 2cos 2x = 1,并写出它的通解。

Question

解三角方程

sin⁡x−2cos⁡2x=1\sin x-2\cos 2x=1

并写出它的通解。

Step-by-step solution

  1. 先把方程化成只含一种三角函数。 方程里既有角 xx 又有角 2x2x,没法直接求解。二倍角公式有三种写法,这里选纯用正弦的那一种,因为另一项恰好是 sin⁡x\sin x:

    cos⁡2x=1−2sin⁡2x.\cos 2x=1-2\sin^{2}x.

  2. 代入并整理。

    sin⁡x−2(1−2sin⁡2x)=1 ⟹ sin⁡x−2+4sin⁡2x=1,\sin x-2\left(1-2\sin^{2}x\right)=1\ \Longrightarrow\ \sin x-2+4\sin^{2}x=1,

    4sin⁡2x+sin⁡x−3=0.4\sin^{2}x+\sin x-3=0.

    方程现在成了关于同一个量的二次方程。

  3. 解这个二次方程。 令 t=sin⁡xt=\sin x,则 4t2+t−3=04t^{2}+t-3=0。判别式 D=12−4(4)(−3)=49D=1^{2}-4(4)(-3)=49 是完全平方数,所以

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

    两个值都落在 [−1,1][-1,1] 内,都不用舍去——这一步一定要检查,因为落在 [−1,1][-1,1] 之外的根是增根。

  4. 解 sin⁡x=34\sin x=\tfrac34。 这个值不对应特殊角,所以答案要用 arcsin⁡\arcsin 表示。正弦在第一象限取到 34\tfrac34 一次,在第二象限再取到一次:

    x=arcsin⁡34+2πn或x=π−arcsin⁡34+2πn,n∈Z,x=\arcsin\frac{3}{4}+2\pi n\quad\text{或}\quad x=\pi-\arcsin\frac{3}{4}+2\pi n,\qquad n\in\mathbb{Z},

    这两族可以用紧凑公式 x=(−1)narcsin⁡34+πnx=(-1)^{n}\arcsin\frac{3}{4}+\pi n 合并成一行。数值上 arcsin⁡34≈0.8481\arcsin\tfrac34\approx 0.8481 弧度 ≈48.59∘\approx 48.59^{\circ}。

  5. 解 sin⁡x=−1\sin x=-1。 这里正弦取到最小值,一个周期内只出现一次,所以只有一族解:

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

  6. 把两族解都代回原方程检验。 取 x=arcsin⁡34≈0.8481x=\arcsin\tfrac34\approx 0.8481:sin⁡x−2cos⁡2x=0.75−2(−0.125)=1\sin x-2\cos 2x=0.75-2(-0.125)=1。取 x=−π2x=-\tfrac{\pi}{2}:−1−2cos⁡(−π)=−1+2=1-1-2\cos(-\pi)=-1+2=1。两族都满足方程,所以解集就是这两族的并集。

Answer

x=(−1)narcsin⁡34+πn或x=−π2+2πn,n∈Zx=(-1)^{n}\arcsin\frac{3}{4}+\pi n\quad\text{或}\quad x=-\frac{\pi}{2}+2\pi n,\qquad n\in\mathbb{Z}

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