а) Решите уравнение
$2\sin (2x+\frac{\pi }{6})-\cos x=\sqrt{3}\sin 2x-1$.
б) Укажите корни этого уравнения, принадлежащие отрезку $[\frac{5\pi }{2}; 4\pi ]$.
Задание с развёрнутым ответом. Запишите решение и сравните его с разбором.
Ответ: а) $x=\frac{\pi}{3}+2 \pi n$ или $x=\frac{\pi}{2}+2 \pi n$ или $x=\frac{3 \pi}{2}+2 \pi n$ или $x=\frac{5 \pi}{3}+2 \pi n$; б) $\frac{5 \pi}{2}$, $\frac{7 \pi}{2}$, $\frac{11 \pi}{3}$.
Решение
а) Сначала найдём все решения, затем отдельно проверим, какие попадают на заданный отрезок. Для угла со сдвигом применяем формулы суммы или разности:
$$
\sin(u\pm v)=\sin u\cos v\pm\cos u\sin v;\qquad\cos(u\pm v)=\cos u\cos v\mp\sin u\sin v.
$$
В формулах ниже подставляем указанный угол и его синус/косинус; так сдвинутый аргумент заменяется обычными $\sin x$ и $\cos x$.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.Раскроем синус суммы:
$$
2\sin(2x+\pi/6)=\sqrt3\sin2x+\cos2x.
$$
Подставим и вычтем $\sqrt3\sin2x$ из обеих частей:
$$
\sqrt3\sin2x+\cos2x-\cos x=\sqrt3\sin2x-1;\quad\cos2x-\cos x=-1.
$$
Прибавим 1 к обеим частям и выразим двойной угол:
$$
\cos2x-\cos x+1=0;\quad2\cos^2x-1-\cos x+1=0;\quad2\cos^2x-\cos x=0;\quad\cos x(2\cos x-1)=0.
$$
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.
$$
\cos x=0\quad\text{или}\quad\cos x=\frac12.
$$
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.
Косинус равен нулю в верхней и нижней точках окружности: первый угол $\pi/2$, а соседний отличается на $\pi$.
$$
x=\frac{\pi}{2}+\pi n,\qquad n\in\mathbb Z.
$$
Для $\cos x=\frac12$ нужна горизонтальная координата, которая положительна. Выбираем обе точки с такой координатой, используя углы приведённых треугольников и симметрию окружности.
$$
x=\frac{\pi}{3}+2\pi n\quad\text{или}\quad x=-\frac{\pi}{3}+2\pi n,\qquad n\in\mathbb Z.
$$
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):
$$
x=\frac{\pi}{2}+\pi n\quad\text{или}\quad x=\frac{\pi}{3}+2\pi n\quad\text{или}\quad x=-\frac{\pi}{3}+2\pi n,\qquad n\in\mathbb Z.
$$
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: $x=\frac{\pi}{2}+\pi n$.
$$
\frac{5\pi}{2}\le \frac{\pi}{2}+\pi n\le 4\pi;\qquad \frac{5}{2}\le \frac{1}{2}+1n\le 4.
$$
$$
\frac{5}{2}-(\frac{1}{2})\le 1n\le 4-(\frac{1}{2});\qquad 2\le n\le \frac{7}{2}.
$$
Подходящие целые значения: $n=2,3$. Подставим каждое:
$$
n=2:\qquad x=\frac{\pi}{2}+\pi\cdot(2)=\frac{5\pi}{2}.
$$
$$
n=3:\qquad x=\frac{\pi}{2}+\pi\cdot(3)=\frac{7\pi}{2}.
$$
Серия 2: $x=\frac{\pi}{3}+2\pi n$.
$$
\frac{5\pi}{2}\le \frac{\pi}{3}+2\pi n\le 4\pi;\qquad \frac{5}{2}\le \frac{1}{3}+2n\le 4.
$$
$$
\frac{5}{2}-(\frac{1}{3})\le 2n\le 4-(\frac{1}{3});\qquad \frac{13}{12}\le n\le \frac{11}{6}.
$$
Целых чисел в этом промежутке нет, поэтому эта серия не даёт корней на отрезке.
Серия 3: $x=-\frac{\pi}{3}+2\pi n$.
$$
\frac{5\pi}{2}\le -\frac{\pi}{3}+2\pi n\le 4\pi;\qquad \frac{5}{2}\le -\frac{1}{3}+2n\le 4.
$$
$$
\frac{5}{2}-(-\frac{1}{3})\le 2n\le 4-(-\frac{1}{3});\qquad \frac{17}{12}\le n\le \frac{13}{6}.
$$
Подходящие целые значения: $n=2$. Подставим каждое:
$$
n=2:\qquad x=-\frac{\pi}{3}+2\pi\cdot(2)=\frac{11\pi}{3}.
$$
Так проверены все целые параметры каждой серии, поэтому отбор полный. Ответ пункта б):
$$
x=\frac{5\pi}{2},\quad \frac{7\pi}{2},\quad \frac{11\pi}{3}.
$$