Trigonometry · real student question

解三角方程式 sin x 減 2 cos 2x 等於 1,並寫出通解。

Question

解三角方程式

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

並寫出通解。

Step-by-step solution

  1. 先把所有項都改寫成同一個三角函數。 方程式同時混了角 xx 與角 2x2x,沒辦法直接解。二倍角公式有三種寫法,選那個純粹用正弦表示的,因為另一項就是 sinx\sin x

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

  2. 代入並整理。

    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.

    方程式現在是單一未知量的二次式。

  3. 解這個二次方程。t=sinxt=\sin x,得 4t2+t3=04t^{2}+t-3=0。判別式 D=124(4)(3)=49D=1^{2}-4(4)(-3)=49 是完全平方,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.

    兩個值都落在 [1,1][-1,1] 裡,所以都不必捨去 —— 這一步一定要檢查,因為落在 [1,1][-1,1] 之外的根是增根。

  4. sinx=34\sin x=\tfrac34 這個值不是特殊角,所以答案留在 arcsin\arcsin 的形式。正弦在第一象限取到 34\tfrac34 一次、在第二象限再取一次:

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

    而緊湊寫法 x=(1)narcsin34+πnx=(-1)^{n}\arcsin\frac{3}{4}+\pi n 把兩者收成一行。數值上 arcsin340.8481\arcsin\tfrac34\approx 0.8481 弧度 48.59\approx 48.59^{\circ}

  5. sinx=1\sin x=-1 這裡正弦取到最小值,每個週期只發生在一個點上,所以只有一族解:

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

  6. 把兩族解代回原方程檢查。x=arcsin340.8481x=\arcsin\tfrac34\approx 0.8481sinx2cos2x=0.752(0.125)=1\sin x-2\cos 2x=0.75-2(-0.125)=1。取 x=π2x=-\tfrac{\pi}{2}12cos(π)=1+2=1-1-2\cos(-\pi)=-1+2=1。兩者都滿足方程,所以解集是這兩族的聯集。

Answer

x=(1)narcsin34+πnx=π2+2πn,nZx=(-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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