Równania trygonometryczne – wzory i przykłady zadań

Równania trygonometryczne pojawiają się wtedy, gdy niewiadoma występuje wewnątrz funkcji trygonometrycznej, na przykład w zapisie \( \sin x = \frac{1}{2} \) albo \( \cos 2x = -1 \). Na pierwszy rzut oka mogą wydawać się trudne, ale w praktyce opierają się na kilku powtarzalnych pomysłach: znajomości wartości funkcji trygonometrycznych, okresowości oraz umiejętności przekształcania wzorów.

Najważniejsze jest zrozumienie, że w przeciwieństwie do wielu zwykłych równań algebraicznych, równania trygonometryczne bardzo często mają nieskończenie wiele rozwiązań. Wynika to z tego, że funkcje trygonometryczne są okresowe.

Czym są równania trygonometryczne?

Równaniem trygonometrycznym nazywamy takie równanie, w którym niewiadoma występuje pod znakiem funkcji trygonometrycznej, np.:

  • \( \sin x = 0 \)
  • \( \cos x = \frac{\sqrt{3}}{2} \)
  • \( \tan x = -1 \)
  • \( 2\sin^2 x – 3\sin x + 1 = 0 \)

Podstawowy cel jest zawsze ten sam: znaleźć wszystkie wartości \(x\), które spełniają dane równanie.

Najważniejsze własności funkcji trygonometrycznych

Bez tych informacji trudno sprawnie rozwiązywać zadania.

Funkcja Okres Zakres wartości Uwagi
\( \sin x \) \( 2\pi \) \( [-1,1] \) te same wartości powtarzają się co \(2\pi\)
\( \cos x \) \( 2\pi \) \( [-1,1] \) te same wartości powtarzają się co \(2\pi\)
\( \tan x \) \( \pi \) \( \mathbb{R} \) nie istnieje dla \( x=\frac{\pi}{2}+k\pi \)
\( \cot x \) \( \pi \) \( \mathbb{R} \) nie istnieje dla \( x=k\pi \)

Wartości, które trzeba znać

Wiele prostych równań rozwiązuje się dzięki znajomości podstawowych wartości funkcji trygonometrycznych.

Kąt \( \sin x \) \( \cos x \) \( \tan x \)
\(0\) \(0\) \(1\) \(0\)
\(\frac{\pi}{6}\) \(\frac{1}{2}\) \(\frac{\sqrt{3}}{2}\) \(\frac{\sqrt{3}}{3}\)
\(\frac{\pi}{4}\) \(\frac{\sqrt{2}}{2}\) \(\frac{\sqrt{2}}{2}\) \(1\)
\(\frac{\pi}{3}\) \(\frac{\sqrt{3}}{2}\) \(\frac{1}{2}\) \(\sqrt{3}\)
\(\frac{\pi}{2}\) \(1\) \(0\) nie istnieje

Ogólne wzory rozwiązań

To najważniejsza część tematu. Gdy znamy wartość funkcji, musimy umieć zapisać wszystkie rozwiązania.

1. Równanie \( \sin x = a \)

Jeżeli \( -1 \le a \le 1 \), to rozwiązania można zapisać w postaci:

\[
x=\alpha+2k\pi \quad \text{lub} \quad x=\pi-\alpha+2k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

gdzie \( \alpha \) jest takim kątem, że \( \sin \alpha = a \).

Dla szczególnych wartości często korzysta się bezpośrednio z gotowych zapisów. Na przykład:

\[
\sin x=0 \iff x=k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

\[
\sin x=1 \iff x=\frac{\pi}{2}+2k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

\[
\sin x=-1 \iff x=\frac{3\pi}{2}+2k\pi \quad \text{lub} \quad -\frac{\pi}{2}+2k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

2. Równanie \( \cos x = a \)

Jeżeli \( -1 \le a \le 1 \), to rozwiązania mają postać:

\[
x=2k\pi \pm \alpha,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

gdzie \( \cos \alpha = a \).

Szczególne przypadki:

\[
\cos x=1 \iff x=2k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

\[
\cos x=-1 \iff x=\pi+2k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

\[
\cos x=0 \iff x=\frac{\pi}{2}+k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

3. Równanie \( \tan x = a \)

Dla tangensa sprawa jest prostsza, bo okres wynosi \( \pi \):

\[
x=\alpha+k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

gdzie \( \tan \alpha = a \).

Na przykład:

\[
\tan x=0 \iff x=k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

\[
\tan x=1 \iff x=\frac{\pi}{4}+k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

4. Równanie \( \cot x = a \)

Podobnie:

\[
x=\alpha+k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

gdzie \( \cot \alpha = a \).

Jak rozwiązywać równania trygonometryczne krok po kroku?

Najwygodniej stosować prosty schemat:

  1. Uprość równanie, jeśli to możliwe.
  2. Sprowadź je do jednej funkcji trygonometrycznej, np. tylko do \( \sin x \) albo tylko do \( \cos x \).
  3. Znajdź rozwiązania podstawowe z koła trygonometrycznego lub tabeli wartości.
  4. Zapisz rozwiązanie ogólne z uwzględnieniem okresowości.
  5. Jeśli zadanie wymaga rozwiązań z przedziału, wybierz tylko te, które do niego należą.

Przykład 1: równanie \( \sin x = \frac{1}{2} \)

Szukamy takich kątów, dla których sinus jest równy \( \frac{1}{2} \).

Z tablic lub z koła trygonometrycznego wiemy, że:

\[
\sin \frac{\pi}{6}=\frac{1}{2}
\]

Sinus jest dodatni w I i II ćwiartce, więc otrzymujemy dwa rozwiązania podstawowe:

\[
x=\frac{\pi}{6} \quad \text{lub} \quad x=\pi-\frac{\pi}{6}=\frac{5\pi}{6}
\]

Teraz dopisujemy okres \(2\pi\):

\[
x=\frac{\pi}{6}+2k\pi \quad \text{lub} \quad x=\frac{5\pi}{6}+2k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

Przykład 2: równanie \( \cos x = -\frac{\sqrt{3}}{2} \)

Wiemy, że:

\[
\cos \frac{\pi}{6}=\frac{\sqrt{3}}{2}
\]

Potrzebujemy wartości ujemnej, więc szukamy odpowiednich kątów w II i III ćwiartce:

\[
x=\pi-\frac{\pi}{6}=\frac{5\pi}{6}
\]

oraz

\[
x=\pi+\frac{\pi}{6}=\frac{7\pi}{6}
\]

Zatem:

\[
x=\frac{5\pi}{6}+2k\pi \quad \text{lub} \quad x=\frac{7\pi}{6}+2k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

Przykład 3: równanie \( \tan x = -1 \)

Wiemy, że:

\[
\tan \frac{\pi}{4}=1
\]

Wartość \(-1\) występuje na przykład dla kąta:

\[
x=-\frac{\pi}{4}
\]

albo równoważnie:

\[
x=\frac{3\pi}{4}
\]

Ponieważ tangens ma okres \( \pi \), rozwiązanie ogólne zapisujemy jako:

\[
x=-\frac{\pi}{4}+k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

Można też zapisać:

\[
x=\frac{3\pi}{4}+k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

Obie postacie są poprawne.

Przykład 4: równanie kwadratowe w funkcji trygonometrycznej

Rozwiążmy:

\[
2\sin^2 x-3\sin x+1=0
\]

To równanie wygląda groźniej, ale można je potraktować jak zwykłe równanie kwadratowe. Wprowadzamy podstawienie:

\[
t=\sin x
\]

Wtedy dostajemy:

\[
2t^2-3t+1=0
\]

Rozkładamy na czynniki:

\[
(2t-1)(t-1)=0
\]

Stąd:

\[
t=\frac{1}{2} \quad \text{lub} \quad t=1
\]

Czyli:

\[
\sin x=\frac{1}{2} \quad \text{lub} \quad \sin x=1
\]

Dla \( \sin x=\frac{1}{2} \):

\[
x=\frac{\pi}{6}+2k\pi \quad \text{lub} \quad x=\frac{5\pi}{6}+2k\pi
\]

Dla \( \sin x=1 \):

\[
x=\frac{\pi}{2}+2k\pi
\]

Ostatecznie:

\[
x=\frac{\pi}{6}+2k\pi \quad \text{lub} \quad x=\frac{5\pi}{6}+2k\pi \quad \text{lub} \quad x=\frac{\pi}{2}+2k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

Przykład 5: wykorzystanie tożsamości trygonometrycznej

Rozwiążmy równanie:

\[
\sin^2 x+\sin x\cos x=0
\]

Wyłączamy wspólny czynnik:

\[
\sin x(\sin x+\cos x)=0
\]

Iloczyn jest równy zero, gdy przynajmniej jeden czynnik jest równy zero.

Przypadek 1:

\[
\sin x=0
\]

stąd:

\[
x=k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

Przypadek 2:

\[
\sin x+\cos x=0
\]

Przenosimy:

\[
\sin x=-\cos x
\]

Dzielimy stronami przez \( \cos x \), ale tylko przy założeniu, że \( \cos x \neq 0 \):

\[
\tan x=-1
\]

Stąd:

\[
x=-\frac{\pi}{4}+k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

Zbiór rozwiązań:

\[
x=k\pi \quad \text{lub} \quad x=-\frac{\pi}{4}+k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

Najczęściej używane wzory trygonometryczne

W zadaniach z równaniami trygonometrycznymi bardzo często korzysta się z poniższych zależności.

Wzory podstawowe

\[
\sin^2 x+\cos^2 x=1
\]

\[
\tan x=\frac{\sin x}{\cos x},\qquad \cos x\neq 0
\]

\[
\cot x=\frac{\cos x}{\sin x},\qquad \sin x\neq 0
\]

Wzory na podwójny kąt

\[
\sin 2x=2\sin x\cos x
\]

\[
\cos 2x=\cos^2 x-\sin^2 x
\]

\[
\cos 2x=2\cos^2 x-1
\]

\[
\cos 2x=1-2\sin^2 x
\]

Wzory redukcyjne przydatne w przekształceniach

\[
\sin(\pi-x)=\sin x
\]

\[
\sin(\pi+x)=-\sin x
\]

\[
\cos(\pi-x)=-\cos x
\]

\[
\cos(\pi+x)=-\cos x
\]

Rozwiązania w danym przedziale

W wielu zadaniach nie wystarczy podać rozwiązania ogólnego. Trzeba jeszcze wskazać rozwiązania należące do określonego przedziału, na przykład \( [0,2\pi] \).

Rozważmy równanie:

\[
\sin x=\frac{\sqrt{2}}{2}
\]

Rozwiązanie ogólne:

\[
x=\frac{\pi}{4}+2k\pi \quad \text{lub} \quad x=\frac{3\pi}{4}+2k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

Jeśli mamy znaleźć rozwiązania z przedziału \( [0,2\pi] \), to sprawdzamy kolejne wartości. Otrzymujemy:

\[
x=\frac{\pi}{4},\ \frac{3\pi}{4}
\]

I to są wszystkie rozwiązania w tym przedziale.

Typowe błędy

  • Pomijanie okresowości i podawanie tylko jednego rozwiązania.
  • Mylenie okresu funkcji: dla sinusa i cosinusa jest to \(2\pi\), a dla tangensa i cotangensa \( \pi \).
  • Niepoprawne odczytywanie znaków funkcji w ćwiartkach.
  • Dzielenie przez wyrażenie, które może być równe zero, bez sprawdzenia dodatkowych przypadków.
  • Zapisywanie rozwiązań szczególnych bez parametru \(k\in\mathbb{Z}\).

Krótka mapa znaków funkcji w ćwiartkach

Ćwiartka \( \sin x \) \( \cos x \) \( \tan x \)
I + + +
II +
III +
IV +

Prosty wykres pomocniczy

Czasem łatwiej zrozumieć równania trygonometryczne, gdy zobaczy się przebieg funkcji. Poniższy wykres pokazuje \( \sin x \) oraz \( \cos x \) w przedziale od \(0\) do \(2\pi\). Dzięki temu łatwo zauważyć okresowość oraz miejsca, w których funkcje przyjmują te same wartości.

Kalkulator rozwiązań podstawowych

Poniższy prosty kalkulator pomaga znaleźć rozwiązania podstawowe dla równań postaci \( \sin x=a \), \( \cos x=a \) oraz \( \tan x=a \) w przedziale \( [0,2\pi) \). To nie zastępuje nauki, ale może pomóc sprawdzić wynik i lepiej zrozumieć, skąd biorą się rozwiązania.



Wynik pojawi się tutaj.

Zadania do samodzielnego przećwiczenia

Spróbuj rozwiązać poniższe przykłady samodzielnie, a potem porównaj z odpowiedziami.

  1. \( \sin x = -\frac{1}{2} \)
  2. \( \cos x = \frac{1}{2} \)
  3. \( \tan x = \sqrt{3} \)
  4. \( 2\cos^2 x-1=0 \)
  5. \( \sin 2x=0 \)

Odpowiedzi do zadań

1. \( \sin x = -\frac{1}{2} \)

\[
x=\frac{7\pi}{6}+2k\pi \quad \text{lub} \quad x=\frac{11\pi}{6}+2k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

2. \( \cos x = \frac{1}{2} \)

\[
x=\frac{\pi}{3}+2k\pi \quad \text{lub} \quad x=\frac{5\pi}{3}+2k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

3. \( \tan x = \sqrt{3} \)

\[
x=\frac{\pi}{3}+k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

4. \( 2\cos^2 x-1=0 \)

\[
2\cos^2 x=1
\]

\[
\cos^2 x=\frac{1}{2}
\]

\[
\cos x=\pm\frac{\sqrt{2}}{2}
\]

Stąd:

\[
x=\frac{\pi}{4}+k\frac{\pi}{2},\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

5. \( \sin 2x=0 \)

\[
2x=k\pi
\]

\[
x=\frac{k\pi}{2},\qquad k\in\mathbb{Z}
\]

Podsumowanie

Równania trygonometryczne da się opanować, jeśli pamięta się o trzech rzeczach: podstawowych wartościach funkcji, okresowości oraz poprawnym zapisie rozwiązania ogólnego. W prostszych zadaniach wystarczy odczytać kąty z koła trygonometrycznego. W trudniejszych trzeba użyć przekształceń algebraicznych lub tożsamości trygonometrycznych.

Najlepsza metoda nauki to ćwiczenie wielu podobnych przykładów. Po pewnym czasie zaczyna być widoczny schemat: najpierw uproszczenie, potem znalezienie rozwiązań podstawowych, a na końcu dopisanie okresu. Gdy ten mechanizm stanie się naturalny, zadania z równaniami trygonometrycznymi przestają być trudne.