Giải Toán 11 Bài 4 : Phương trình lượng giác cơ bản
Trên thực tế, có nhiều bài toán dẫn đến việc giải một trong các phương trình có dạng: sinx = m, cosx = m, tanx = m, cotx = m, trong đó x là ẩn số, m là số thực cho trước. Các phương trình đó là các phương trình lượng giác cơ bản.
Lời giải:
Sau bài học này chúng ta sẽ giải quyết được câu hỏi trên như sau:
• Để vệ tinh cách mặt đất 1 000 km thì 550 + 450cost = 1 000
450cost=450
cost = 1
t = k2 (k, t0)
t = k2. = 100k (k{0; 1; 2; 3;...}
Vậy tại các thời điểm t = 100k (với k ∈ ℤ, t ≥ 0) (phút) kể từ lúc vệ tinh bay vào quỹ đạo thì vệ tinh cách mặt đất 1 000 km.
• Để vệ tinh cách mặt đất 250 km thì 550 + 450cost = 250
450cost = -300
cost = -
(Dùng máy tính cầm tay (chuyển về chế độ “radian”) bấm liên tiếp ta được kết quả gần đúng là 2,3)
Vậy tại các thời điểm t +100k (với k ∈ ℤ, t ≥ 0) (phút) kể từ lúc vệ tinh bay vào quỹ đạo thì vệ tinh cách mặt đất 250 km.
• Để vệ tinh cách mặt đất 100 km thì 550 + 450cost = 100
450cost = -450
cost = -1
t = +k2 (kZ, t0).
t = 50+100k (k{0;1;2;3;...}
Vậy tại các thời điểm t = 50 + 100k (với k ∈ ℤ, t ≥ 0) (phút) kể từ lúc vệ tinh bay vào quỹ đạo thì vệ tinh cách mặt đất 100 km.
I. Phương trình tương đương
Hoạt động 1 trang 32 Toán 11 Tập 1: Cho hai phương trình (với cùng ẩn x):
x2 ‒ 3x + 2 = 0 (1)
(x – 1)(x – 2) = 0 (2)
a) Tìm tập nghiệm S1 của phương trình (1) và tập nghiệm S2 của phương trình (2).
b) Hai tập S1, S2 có bằng nhau hay không?
Lời giải:
a) Ta có:
x2 ‒ 3x + 2 = 0 (1)
Suy ra x = 1 hoặc x = 2.
Vậy phương trình (1) có tập nghiệm S1 = {1; 2}.
(x – 1)(x – 2) = 0 (2)
Suy ra x = 1 hoặc x = 2.
Vậy phương trình (2) có tập nghiệm S2 = {1; 2}.
b) Hai tập S1, S2 bằng nhau vì cùng là tập {1; 2}.
Luyện tập 1 trang 32 Toán 11 Tập 1: Hai phương trình x – 1 = 0 và =0 có tương đương không? Vì sao?
Lời giải:
Tập nghiệm của phương trình x – 1 = 0 là S1 = {1}.
Tập nghiệm của phương trình là S2 = {1}.
Vì S1 = S2 nên hai phương trình x – 1 = 0 và =0 tương đương.
Hoạt động 2 trang 33 Toán 11 Tập 1: Khẳng định 3x ‒ 6 = 0 3x = 6 đúng hay sai?
Lời giải:
Phương trình 3x ‒ 6 = 0 có tập nghiệm S1 = {2}.
Phương trình 3x = 6 có tập nghiệm S2 = {2}.
Vì S1 = S2 nên hai phương trình 3x ‒ 6 = 0 và 3x = 6 tương đương
Khi đó ta viết 3x ‒ 6 = 0 3x = 6.
Vậy khẳng định 3x ‒ 6 = 0 3x = 6 là khẳng định đúng.
Luyện tập 2 trang 33 Toán 11 Tập 1: Giải phương trình: (x – 1)2 = 5x – 11.
Lời giải:
Ta có: (x – 1)2 = 5x – 11.
x2 – 2x + 1 – (5x – 11) = 0
x2 – 2x + 1 – 5x + 11 = 0
x2 – 7x + 12 = 0
x = 3 hoặc x = 4.
Vậy tập nghiệm của phương trình đã cho là S = {3; 4}.
II. Phương trình sinx = m
b) Đường thẳng d: y = cắt đồ thị hàm số y = sinx, x ∈ [π; 3π] tại hai giao điểm A1, B1 (Hình 33). Tìm hoành độ của hai giao điểm A1, B1.
Lời giải:
a) Với x ∈ [‒π; π] ta thấy sin x = tại x = và x = .
Do đó đường thẳng d: y = cắt đồ thị hàm số y = sinx, x ∈ [‒π; π] tại hai giao điểm A0, B0 có hoành độ lần lượt là và .
b) Với x ∈ [π; 3π] ta thấy sin x = tại x = và x = .
Do đó đường thẳng d: y = cắt đồ thị hàm số y = sinx, x ∈ [π; 3π] tại hai giao điểm A1, B1 có hoành độ lần lượt là và .
Luyện tập 3 trang 34 Toán 11 Tập 1: a) Giải phương trình: sin x = ;
b) Tìm góc lượng giác x sao cho sinx = sin55°.
Lời giải:
a) Do sin x = nên sin x = sin
Vậy phương trình sin x = có các nghiệm là x = +k2 và x = +k2 với k ∈ ℤ.
b) sinx = sin55°
Vậy các góc lượng giác thỏa mãn sinx = sin55° là x = 55° + k360° và x = 125° + k360° với k ∈ ℤ.
Luyện tập 4 trang 35 Toán 11 Tập 1: Giải phương trình sin2x = sin.
Lời giải:
Ta có:
sin2x = sin
Vậy phương trình đã cho có các nghiệm là x = +k2 và x = +k với k ∈ ℤ.
III. Phương trình cosx = m
b) Đường thẳng d: y = cắt đồ thị hàm số y = cosx, x ∈ [π; 3π] tại hai giao điểm C1, D1 (Hình 34). Tìm hoành độ của hai giao điểm C1, D1.
Lời giải:
a) Với x ∈ [‒π; π] ta thấy cosx = tại x = - và x = .
Do đó đường thẳng d: y = cắt đồ thị hàm số y = cosx, x ∈ [‒π; π] tại hai giao điểm C0, D0 có hoành độ lần lượt là và .
b) Với x ∈ [π; 3π] ta thấy cosx = tại x = và x = .
Do đó đường thẳng d: y = cắt đồ thị hàm số y = cosx, x ∈ [π; 3π] tại hai giao điểm C1, D1 có hoành độ lần lượt là và .
Luyện tập 5 trang 36 Toán 11 Tập 1: a) Giải phương trình: cosx = -.
b) Tìm góc lượng giác x sao cho cosx = cos(‒87°).
Lời giải:
a) Do cosx = - nên cosx = cos
Vậy phương trình đã cho có các nghiệm là x = +k2 và x = -+k2 với k ∈ ℤ.
b) cosx = cos(‒87°)
cosx = cos87°
Vậy các góc lượng giác x cần tìm là x = 87° + k360° và x = ‒87° + k360° với k ∈ ℤ.
Luyện tập 6 trang 37 Toán 11 Tập 1: Giải phương trình được nêu trong bài toán mở đầu.
Lời giải:
• Ta có:
550 + 450cost = 1 000
450cost = 450
cost = 1
t = k2 (kZ, t0)
t = k2. = 100k (kZ, t0).
Vậy phương trình này có các nghiệm là t = 100k với k ∈ ℤ, t ≥ 0.
• Ta có:
550 + 450cost = 250
450cost = -300
cost = -
(Dùng máy tính cầm tay (chuyển về chế độ “radian”) bấm liên tiếp ta được kết quả gần đúng là 2,3)
Vậy phương trình có các nghiệm là t+100k và t+100k với k ∈ ℤ, t ≥ 0.
• Ta có:
550 + 450cost = 100
450cost = -450
cost = -1
t = + k2 (kZ, t0)
t = 50 + 100k (kZ, t0).
Vậy phương trình có các nghiệm là t = 50 + 100k với k ∈ ℤ, t ≥ 0.
IV. Phương trình tanx = m
a) Từ hoành độ giao điểm của đồ thị hàm số y = tanx và đường thẳng y = 1 trên khoảng , hãy xác định tất cả các hoành độ giao điểm của hai đồ thị đó.
b) Có nhận xét gì về nghiệm của phương trình tanx = 1?
Lời giải:
a) Với x ta thấy tanx = 1 tại x=.
Do đó đường thẳng y = 1 cắt đồ thị hàm số y = tanx trên khoảng tại điểm có hoành độ là .
Do hàm số y = tanx tuần hoàn với chu kì là π nên đường thẳng y = 1 cắt đồ thị hàm số y = tanx tại các điểm có hoành độ là x = +k (kZ).
b) Phương trình tanx = 1 có các nghiệm là x = +k (kZ).
Luyện tập 7 trang 37 Toán 11 Tập 1: a) Giải phương trình: tanx = 1.
b) Tìm góc lượng giác x sao cho tanx = tan67°.
Lời giải:
a) Do tanx = 1 nên tanx = tan x = (kZ).
Vậy phương trình tanx = 1 có các nghiệm là x= với k ∈ ℤ.
b) tanx = tan67° x = 67° + k180° (k ∈ ℤ).
Vậy các góc lượng giác x cần tìm là x = 67° + k180° với k ∈ ℤ.
V. Phương trình cotx = m
a) Từ hoành độ giao điểm của đồ thị hàm số y = cotx và đường thẳng y = ‒1 trên khoảng (0; π), hãy xác định tất cả các hoành độ giao điểm của hai đồ thị đó.
b) Có nhận xét gì về nghiệm của phương trình cotx = ‒1?
Lời giải:
a) Với x ∈ (0; π), ta thấy cotx = ‒1 tại x=.
Do đó đường thẳng y = ‒1 cắt đồ thị hàm số y = cotx trên khoảng (0; π) tại điểm có hoành độ là .
Do hàm số y = cotx tuần hoàn với chu kì là π nên đường thẳng y = ‒1 cắt đồ thị hàm số y = cotx tại các điểm có hoành độ là x=+k (kZ).
b) Phương trình cotx = ‒1 có các nghiệm là x=-+k.
Luyện tập 8 trang 39 Toán 11 Tập 1: a) Giải phương trình: cotx = 1.
b) Tìm góc lượng giác x sao cho cotx = cot(‒83°).
Lời giải:
a) Do cotx = 1 nên cotx = cot x=+k (kZ).
Vậy phương trình cotx = 1 có các nghiệm là x=+k với k ∈ ℤ.
b) cotx = cot(‒83°)
x = ‒83° + k180° (k ∈ ℤ).
Vậy các góc lượng giác x cần tìm là x = ‒83° + k180° với k ∈ ℤ.
VI. Giải phương trình lượng giác cơ bản bằng máy tính cầm tay
a) sinx = 0,2;
b) cosx = -;
c) tanx = .
Lời giải:
Sau khi chuyển máy tính sang chế độ “radian”.
a) Bấm liên tiếp
Ta được kết quả gần đúng là 0,201.
Vậy phương trình sinx = 0,2 có các nghiệm là:
x ≈ 0,201 + k2π, k ∈ ℤ
và x ≈ π – 0,201 + k2π, k ∈ ℤ.
b) Bấm liên tiếp
Ta được kết quả gần đúng là 1,772.
Vậy phương trình cosx = - có các nghiệm là: x ≈ ± 1,772 + k2π, k ∈ ℤ.
c) Bấm liên tiếp
Ta được kết quả gần đúng là 0,955.
Vậy phương trình tanx = có các nghiệm là: x ≈ 0,955 + kπ, k ∈ ℤ.
Bài tập
Bài 1 trang 40 Toán 11 Tập 1: Giải phương trình:
a) sin;
b) sin;
c) cos;
d) 2cos3x + 5 = 3;
e) 3tanx = -;
g) cotx - 3 = (1-cotx).
Lời giải:
a) sin
sin = sin
Vậy phương trình đã cho có các nghiệm là x=k và x=+k với k ∈ ℤ.
b) sin
sin = sin
Vậy phương trình đã cho có các nghiệm là x = và x = với k ∈ ℤ.
c) cos
cos = cos
Vậy phương trình đã cho có các nghiệm là x = +k4 và x= với k ∈ ℤ.
d) 2cos3x + 5 = 3
cos3x = ‒1
3x = π + k2π (k ∈ ℤ)
x = +k(k ∈ ℤ).
Vậy phương trình đã cho có các nghiệm là x = +k với k ∈ ℤ.
e) 3tanx = -
tanx =
tanx = tan
x = + k (k ∈ ℤ).
Vậy phương trình đã cho có các nghiệm là x = + k với k ∈ ℤ.
g) cotx - 3 = (1-cotx)
cotx - 3 = -cotx
(1+)cotx = +3
cotx =
cotx =
cotx = cot
x = +k (k ∈ ℤ).
Vậy phương trình đã cho có các nghiệm là x = +k với k ∈ ℤ.
Bài 2 trang 40 Toán 11 Tập 1: Giải phương trình:
a) sin = sinx;
b) sin2x = cos3x;
c) .
Lời giải:
a) sin = sinx
Vậy phương trình đã cho có các nghiệm là x = +k2 và x=+k với k ∈ ℤ.
b) sin2x = cos3x
cos = cos3x
cos3x = cos
Vậy phương trình đã cho có các nghiệm là và với k ∈ ℤ.
c)
Vậy phương trình đã cho có các nghiệm là x = +k và x = -+k với k ∈ ℤ.
a) 3sinx + 2 = 0 trên khoảng ;
b) cosx = 0 trên đoạn .
Lời giải:
a) Ta có: 3sinx + 2 = 0
sinx = -.
Đường thẳng y = - và đồ thị hàm số y = sinx trên khoảng được vẽ như sau:
Từ đồ thị, ta thấy đường thẳng y = - cắt đồ thị hàm số y = sinx trên khoảng tại 5 điểm A, B, C, D, E.
Vậy phương trình 3sinx + 2 = 0 có 5 nghiệm trên khoảng .
b) Đường thẳng y = 0 (trục Ox) và đồ thị hàm số y = cosx trên đoạn được vẽ như sau:
Từ đồ thị, ta thấy đường thẳng y = 0 cắt đồ thị hàm số y = cosx trên đoạn tại 6 điểm M, N, P, Q, I, K.
Vậy phương trình cosx = 0 có 6 nghiệm trên đoạn .
(Nguồn: Đại số và Giải tích 11 Nâng cao, NXBGD Việt Nam, 2020)
a) Thành phố A có đúng 12 giờ có ánh sáng mặt trời vào ngày nào trong năm?
b) Vào ngày nào trong năm thì thành phố A có đúng 9 giờ có ánh sáng mặt trời?
c) Vào ngày nào trong năm thì thành phố A có đúng 15 giờ có ánh sáng mặt trời?
Lời giải:
a) Để thành phố A có đúng 12 giờ có ánh sáng mặt trời thì:
3sin+12 = 12
sin = 0
(t-80) = k (kZ)
t - 80 = 182k (kZ)
t = 80+182k (kZ).
Do t ∈ ℤ và 0 < t ≤ 365 nên ta có:
Với k = 0 thì t = 80 + 182.0 = 80;
Với k = 1 thì t = 80 + 182.1 = 262.
Vậy thành phố A có đúng 12 giờ có ánh sáng mặt trời vào ngày thứ 80 và ngày thứ 262 trong năm.
b) Để thành phố A có đúng 9 giờ có ánh sáng mặt trời thì:
3sin+12 = 9
sin = -1
(t-80) = - + k2 (kZ)
t - 80 = -91+364k (kZ)
t = -11+364k (kZ)
Do t ∈ ℤ và 0 < t ≤ 365 nên ta có:
Với k = 1 thì t = ‒11 + 364.1 = 353.
Vậy thành phố A có đúng 9 giờ có ánh sáng mặt trời vào ngày thứ 353 trong năm.
c) Để thành phố A có đúng 15 giờ có ánh sáng mặt trời thì:
3sin+12 = 15
sin = 1
(t-80) = + k2 (kZ)
t - 80 = 91+364k (kZ)
t = 171+364k (kZ)
Do t ∈ ℤ và 0 < t ≤ 365 nên ta có:
Với k = 0 thì t = 171 + 364.0 = 171.
Vậy thành phố A có đúng 15 giờ có ánh sáng mặt trời vào ngày thứ 171 trong năm.
Lời giải:
• Để khoảng cách h(m) từ vị trí người chơi đu đến vị trí cân bằng là 3 m thì:
Do t ≥ 0, k ∈ ℤ nên k ∈ {0; 1; 2; …}
Khi đó
Vậy (giây) thì khoảng cách h là 3 m.
• Để khoảng cách h(m) từ vị trí người chơi đu đến vị trí cân bằng là 0 m thì:
Do t ≥ 0, k ∈ ℤ nên k ∈ {0; 1; 2; …}, khi đó {}.
Vậy {} (giây) thì khoảng cách h là 0 m.