а) Решите уравнение
$\sin 2x+2\sin (-x)+\cos (-x)-1=0.$
б) Укажите корни этого уравнения, принадлежащие отрезку $[2\pi ; \frac{7\pi }{2}].$
Задание с развёрнутым ответом. Запишите решение и сравните его с разбором.
Ответ: а) x = 2πk или x = -π/6 + 2πk или x = 7π/6 + 2πk, k ∈ Z; б) 2π, 19π/6
Решение
а) Сначала найдём все решения, затем отдельно проверим, какие попадают на заданный отрезок. На единичной окружности углы $x$ и $-x$ симметричны относительно горизонтальной оси: горизонтальная координата сохраняется, вертикальная меняет знак. Поэтому $\cos(-x)=\cos x$, $\sin(-x)=-\sin x$.Формулы двойного угла получаются из формул суммы при равных углах:
$$
\sin2x=\sin(x+x)=\sin x\cos x+\cos x\sin x=2\sin x\cos x;
$$
$$
\cos2x=\cos(x+x)=\cos^2x-\sin^2x=2\cos^2x-1=1-2\sin^2x.
$$
В последних двух записях использовано $\sin^2x+\cos^2x=1$ — равенство координат единичной окружности по теореме Пифагора. Выберем ту запись, которая оставит в уравнении одну функцию.Подставим формулы в исходное уравнение:
$$
2\sin x\cos x-2\sin x+\cos x-1=0.
$$
Сгруппируем первые два и последние два слагаемых, затем вынесем общую скобку:
$$
2\sin x(\cos x-1)+1\cdot(\cos x-1)=0;\qquad(\cos x-1)(2\sin x+1)=0.
$$
Произведение равно нулю тогда и только тогда, когда хотя бы один множитель равен нулю. На множители не делим: иначе можно потерять их нули. Разбираем каждый случай.
$$
\cos x-1=0\quad\text{или}\quad2\sin x+1=0;\qquad\cos x=1\quad\text{или}\quad\sin x=-\frac12.
$$
Значения углов, которые понадобятся далее, можно получить из двух прямоугольных треугольников. В равнобедренном с катетами 1 гипотенуза равна $\sqrt{1^2+1^2}=\sqrt2$, поэтому синус и косинус угла $\pi/4$ равны $1/\sqrt2=\sqrt2/2$. Половина равностороннего треугольника со стороной 2 имеет гипотенузу 2, короткий катет 1 и второй катет $\sqrt{2^2-1^2}=\sqrt3$. Отсюда $\sin(\pi/6)=\cos(\pi/3)=1/2$ и $\cos(\pi/6)=\sin(\pi/3)=\sqrt3/2$.
Чтобы получить все углы, используем единичную окружность: косинус — горизонтальная координата её точки, синус — вертикальная. Одинаковый косинус имеют точки, симметричные относительно горизонтальной оси; одинаковый синус — относительно вертикальной. Один полный оборот добавляет $2\pi$ к углу и не меняет координаты. Поэтому перечисленные далее точки вместе с полными оборотами дают все решения, а не только первые положительные углы.
Координата по горизонтали равна $1$ только в одной крайней точке окружности. Поэтому повторение происходит через полный оборот $2\pi$.
$$
x=2\pi n,\qquad n\in\mathbb Z.
$$
Для $\sin x=-\frac12$ нужна вертикальная координата, которая отрицательна. Выбираем обе точки с такой координатой, используя углы приведённых треугольников и симметрию окружности.
$$
x=-\frac{\pi}{6}+2\pi n\quad\text{или}\quad x=-\frac{5\pi}{6}+2\pi n,\qquad n\in\mathbb Z.
$$
Буква $n$ в каждой серии означает любое целое число; значения параметра для разных серий выбираются независимо. Все преобразования сделаны без деления на выражение, которое могло обратиться в нуль, либо с отдельно проверенными ограничениями. Поэтому других корней нет. Полное решение пункта а):
$$
x=2\pi n\quad\text{или}\quad x=-\frac{\pi}{6}+2\pi n\quad\text{или}\quad x=-\frac{5\pi}{6}+2\pi n,\qquad n\in\mathbb Z.
$$
б) Отрезок замкнут: подходящие концы тоже включаем. Решим неравенство отдельно для каждой серии. Сначала делим на положительное $\pi$, затем вычитаем постоянную часть и делим на положительный шаг серии.
Серия 1: $x=2\pi n$.
$$
2\pi\le 2\pi n\le \frac{7\pi}{2};\qquad 2\le 0+2n\le \frac{7}{2}.
$$
$$
2-(0)\le 2n\le \frac{7}{2}-(0);\qquad 1\le n\le \frac{7}{4}.
$$
Подходящие целые значения: $n=1$. Подставим каждое:
$$
n=1:\qquad x=0+2\pi\cdot(1)=2\pi.
$$
Серия 2: $x=-\frac{\pi}{6}+2\pi n$.
$$
2\pi\le -\frac{\pi}{6}+2\pi n\le \frac{7\pi}{2};\qquad 2\le -\frac{1}{6}+2n\le \frac{7}{2}.
$$
$$
2-(-\frac{1}{6})\le 2n\le \frac{7}{2}-(-\frac{1}{6});\qquad \frac{13}{12}\le n\le \frac{11}{6}.
$$
Целых чисел в этом промежутке нет, поэтому эта серия не даёт корней на отрезке.
Серия 3: $x=-\frac{5\pi}{6}+2\pi n$.
$$
2\pi\le -\frac{5\pi}{6}+2\pi n\le \frac{7\pi}{2};\qquad 2\le -\frac{5}{6}+2n\le \frac{7}{2}.
$$
$$
2-(-\frac{5}{6})\le 2n\le \frac{7}{2}-(-\frac{5}{6});\qquad \frac{17}{12}\le n\le \frac{13}{6}.
$$
Подходящие целые значения: $n=2$. Подставим каждое:
$$
n=2:\qquad x=-\frac{5\pi}{6}+2\pi\cdot(2)=\frac{19\pi}{6}.
$$
Так проверены все целые параметры каждой серии, поэтому отбор полный. Ответ пункта б):
$$
x=2\pi,\quad \frac{19\pi}{6}.
$$