Тригонометрические неравенства
Содержание
- Суть темы
- Базовые тригонометрические неравенства
- Формулы без листа (минимум, который надо помнить)
- Основные методы решения
- Строгость неравенства: когда конец дуги включён, а когда выколот
- Алгоритм решения сложного неравенства
- Примеры разбора задач
- Частые ошибки
- Что запомнить
- Стратегия на ДВИ
- Оформление под рубрику ДВИ
Суть темы
На ДВИ по математике тригонометрические неравенства редко встречаются в чистом виде (как отдельный номер). Чаще всего они являются частью более сложной задачи: возникают при решении систем, при отборе корней, внутри логарифмов или под знаками корня.
Главная сложность тригонометрических неравенств на ДВИ — аккуратный учет ОДЗ, пересечение множеств решений и правильная запись ответа с периодами. В отличие от уравнений, где ответом является набор точек, решением неравенства всегда служит набор дуг на тригонометрической окружности.
Базовые тригонометрические неравенства
Любое сложное неравенство в итоге сводится к одному или нескольким простейшим вида , , . На экзамене листа формул под рукой не будет, поэтому надёжнее всего решать их геометрически — с помощью тригонометрической окружности. (Для произвольного, нетабличного — например — границы дуг всё равно записывают аналитически через , , ; окружность при этом остаётся обоснованием.)
Формулы без листа (минимум, который надо помнить)
На ДВИ листа формул нет, а почти каждый разбор ниже опирается на эти тождества. Их нужно знать наизусть; ниже — самые рабочие, с короткими подсказками к выводу. Полный список — в справочнике (раздел «Тригонометрия»).
Основные методы решения
Если неравенство не является простейшим, его нужно преобразовать. На ДВИ применяют четыре основных подхода:
- Алгебраическая замена. Если в неравенстве присутствует только одна функция (или ее можно получить через основное тригонометрическое тождество), сделай замену или . Реши алгебраическое неравенство методом интервалов, а затем вернись к тригонометрии. Не забудь: новая переменная ограничена, для синуса/косинуса, — часть алгебраических решений может оказаться пустой (см. Пример 1).
- Разложение на множители + метод интервалов на окружности. Перенеси все слагаемые в одну часть и сгруппируй. Если удастся привести неравенство к виду (или к дроби ), знак произведения/частного читается по окружности методом интервалов (см. ниже) — это короче и надёжнее ручного перебора систем.
- Метод вспомогательного угла. Идеально работает для комбинаций вида (см. блок формул выше).
- Универсальная подстановка — запасной метод, когда в неравенстве смешаны и и ничто другое не помогает (см. ниже). Применяй осторожно: подстановка теряет серию (там не существует) — её надо проверить отдельной подстановкой в исходное неравенство.
Строгость неравенства: когда конец дуги включён, а когда выколот
Это самый частый источник потери частичного балла «» на ДВИ. Правило простое, но его надо проговорить в решении явно.
Алгоритм решения сложного неравенства
Примеры разбора задач
Реши неравенство .
Сводим к одной функции
Выразим косинус через синус, используя тождество :
Домножим на . Внимание: при умножении неравенства на отрицательное число знак обязательно меняется:
Решаем квадратное неравенство
Сделаем замену , причём сразу помним ограничение . Получим квадратное неравенство . Корни уравнения : , . Ветви параболы направлены вверх, значит или .
Возвращаемся к синусу
Вернемся к исходной переменной, не забывая про :
- . Это неравенство не имеет решений, так как синус ограничен снизу минус единицей (вот зачем мы держали в голове ).
- .
Записываем ответ по окружности
Нарисуем тригонометрическую окружность, проведем прямую и выделим верхнюю дугу. Точки пересечения: и . Обходим против часовой стрелки от меньшего к большему. Неравенство строгое (), поэтому в точках и имеем — это не удовлетворяет , значит концы выколоты (круглые скобки).
Ответ: .
Следующий пример демонстрирует классический сюжет ДВИ, где требуется скомбинировать формулы двойного угла и метод вспомогательного угла.
Реши неравенство .
Раскладываем на множители
Распишем как и разложим как разность квадратов:
Вынесем общий множитель за скобки:
Применяем вспомогательный угол
Применим метод вспомогательного угла к обеим скобкам:
- .
- .
Подставим это обратно в неравенство:
Сделаем замену . Неравенство примет вид (разделив на положительное , что не меняет знак):
Метод интервалов на окружности
Решим методом интервалов на окружности. Нули множителей за один период :
-
при и ;
-
при и .
Эти четыре точки делят окружность на дуги. Определим знак произведения на каждой, подставив пробную точку:
| Дуга | пробная | знак | ||
|---|---|---|---|---|
Нам нужно , то есть дуги со знаком «»: и .
Проверяем строгость концов
Строгость концов. Неравенство нестрогое (), а в граничных точках произведение равно нулю (там либо , либо ), что удовлетворяет «». Значит все концы дуг включаются — скобки квадратные. ОДЗ здесь нет (ни дробей, ни корней), выкалывать нечего.
Получаем (присоединяя ноль слева ко второй дуге — точка той же серии, что ):
Возвращаемся к исходной переменной
Возвращаемся к , подставив :
Вычисляем границы (; ; ; ):
Ответ: .
Реши неравенство .
Выписываем ОДЗ
Начнем с ОДЗ. Подкоренное выражение должно быть строго больше нуля (так как корень в знаменателе):
Это нижняя полуплоскость. Запишем интервал: . Точки на оси абсцисс () выколоты — это граница ОДЗ.
Сводим к неравенству для числителя
Так как корень всегда положителен в своей ОДЗ, знак дроби зависит только от числителя:
(здесь использовано тождество ).
Решаем простейшее неравенство
Решаем простейшее неравенство для аргумента :
Разбираемся со строгостью концов
Строгость концов числителя. В точках числитель , поэтому дробь равна , а неравенство нестрогое () — выполнено. Значит эти концы включаются (квадратная скобка), при условии что они лежат в ОДЗ. Выколоты будут только концы, идущие от ОДЗ (, то есть точки и ). Не перепутай: один и тот же отрезок может иметь закрытый конец «по числителю» и открытый «по ОДЗ».
Пересекаем с ОДЗ
Теперь нужно пересечь решение числителя с ОДЗ. Подставим конкретные значения , чтобы найти дуги в пределах одного полного оборота (берём виток ОДЗ ):
-
При : . Пересекаем с интервалом ОДЗ : получаем полуинтервал . Левый конец закрыт (нуль числителя, в ОДЗ); правый конец выколот (граница ОДЗ).
-
При : . Пересекаем с ОДЗ : получаем . Левый конец выколот (граница ОДЗ); правый конец закрыт (нуль числителя, в ОДЗ).
Обе дуги повторяются с периодом .
Ответ: .
Реши неравенство .
Выписываем ОДЗ
Сначала ОДЗ: тангенс определён при , то есть . Эти точки — вертикальные асимптоты, они всегда выколоты.
Решаем на промежутке непрерывности
Тангенс имеет период , поэтому решим неравенство на одном «своём» промежутке непрерывности — на , где монотонно возрастает от до .
На этом промежутке при . Так как тангенс возрастает, выполняется правее этой точки, вплоть до асимптоты:
Строгость концов и период
Строгость концов. Левый конец включён: там , а неравенство нестрогое (). Правый конец выколот: это асимптота, тангенс там не определён (граница ОДЗ).
Прибавляем период тангенса (а не !):
Ответ: .
Реши уравнение при условии .
Понимаем сюжет задачи
Это типичный для ДВИ сюжет: тригонометрическое неравенство работает не как самостоятельная задача, а как фильтр для корней уравнения (так возникает «отбор корней», заявленный во вступлении). Сначала решаем уравнение, потом неравенством-условием отсеиваем лишние серии.
Решаем уравнение
Шаг 1. Решаем уравнение. даёт две серии:
то есть и .
Отбираем серии по условию
Шаг 2. Применяем условие-неравенство (верхняя полуплоскость окружности).
-
Точка лежит во второй четверти: . Условие выполнено — серия подходит.
-
Точка лежит в третьей четверти: . Условие нарушено — серия отбрасывается.
На окружности это видно сразу: из двух точек с (симметричных относительно оси ) выше оси абсцисс лежит только верхняя.
Ответ: .
Частые ошибки
Что запомнить
-
Базовые неравенства удобнее всего решать геометрически (рисуй окружность); для нетабличного границы дуг записывай через .
-
Интервал дуги записывается от меньшего значения к большему против часовой стрелки.
-
Для тангенса период , для синуса и косинуса — .
-
Строгость концов: нестрогое неравенство — границы, где функция , включены; строгое — выколоты; точки вне ОДЗ (асимптоты, нули знаменателя) выколоты всегда.
-
Всегда начинай с ОДЗ, особенно если есть корни, дроби или логарифмы. Пересекай финальный ответ с ОДЗ на единой окружности.
-
Произведения и частные читай методом интервалов на окружности (таблица знаков на дугах), а не ручным перебором систем.
-
Выражения вида сворачивай в один синус вспомогательного угла; ключевые тождества (двойной угол, понижение степени, приведения) держи в памяти — листа формул на ДВИ нет.
Стратегия на ДВИ
Оформление под рубрику ДВИ
- Какой период нужно прибавлять к концам интервалов при решении неравенства ?
- Неравенство — какие скобки у концов дуги и в ответе?
- После замены получилось или . Что даёт ветка ?
- Точка — нуль знаменателя дроби в нестрогом неравенстве . Включается ли она в ответ?