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Topos Uranos

摘要

本课求解未知数出现在三角函数之中的方程和不等式。首先证明 sin⁡x=c\sin x = c、cos⁡x=c\cos x = c 和 tan⁡x=c\tan x = c 在整个实数轴上的通解,它们借助周期性把用反函数得到的一周内的解推广开来,并计算其中有多少个落在给定的区间内。然后讲解如何通过两个正弦相等或两个余弦相等,把用恒等式、因式分解或倍角求解的方程化为这些最简方程;用辅助角形式求解关于正弦和余弦的一次方程,并给出其可解条件,还求解齐次方程,并说明除法如何丢失解、平方如何增添解。最后,借助单位圆和符号表求解一周内的不等式,并把解周期地推广。

学习目标

  1. 证明并应用正弦、余弦和正切的最简方程的通解,并计算它们在给定区间内的解的个数。
  2. 借助恒等式、因式分解、两个正弦相等或两个余弦相等以及辅助角形式,把三角方程化为最简方程,并判断关于正弦和余弦的一次方程何时有解。
  3. 识别除法时丢失的解以及平方或相乘时增添的解,并把得到的每个解代回原方程检验。
  4. 借助单位圆和符号表求解一周内的三角函数不等式,并写出其通解。

最简方程的通解

三角方程是未知数出现在三角函数的自变量中的方程,例如 2sin⁡2x−3sin⁡x+1=02\sin^2 x - 3\sin x + 1 = 0 或 sin⁡3x=sin⁡x\sin 3x = \sin x;解这个方程就是求出满足它的全体实数所成的集合。在关于反三角函数的课中证明了最简方程定理,它给出 sin⁡x=c\sin x = c 和 cos⁡x=c\cos x = c 在 [0,2π)\ico{0}{2\pi} 中的解。然而,正弦和余弦的周期为 2π2\pi,正切的周期为 π\pi,这见于关于三角函数及其图像的课;由此可知,每个解都重复无穷多次,而要描述全部的解,只需知道它们在一个长度为一个周期的区间中的情形。使人能从这样的区间过渡到整条数轴的事实,是化到第一周定理的一个变形,该定理已在关于角及其度量的课中证明。

引理化到一个周期

设 p>0p > 0 和 aa 为实数。对任意实数 xx,存在唯一的整数 kk,使得 x−kp∈[a,a+p)x - kp \in \ico{a}{a + p}。

一次伸缩变换把区间 [a,a+p)\ico{a}{a + p} 变到第一周 [0,2π)\ico{0}{2\pi} 上,化到第一周定理便给出所求的整数。图中取 a=1a = 1、p=52p = \frac{5}{2} 和 x=8x = 8。

证明

  1. θ=2πp(x−a)=θ0+2kπ,0≤θ0<2π\theta = \frac{2\pi}{p} (x - a) = \dato{t}{\theta_0 + 2k\pi, \quad 0 \leq \theta_0 < 2\pi}

    设 θ\theta 是从 xx 减去 aa 再乘以 2πp\frac{2\pi}{p} 所得的数。由化到第一周定理,存在唯一的整数 kk 和唯一的 θ0\theta_0(属于 [0,2π)\ico{0}{2\pi}),使得 θ=θ0+2kπ\theta = \theta_0 + 2k\pi。

  2. x−kp=a+p2πθ0→a≤x−kp<a+px - kp = a + \frac{p}{2\pi} \theta_0 \rightarrow \resaltar{a \leq x - kp < a + p}

    乘以 p2π\frac{p}{2\pi}(它是正数,保持不等号方向),再加上 aa:数 x−kpx - kp 位于所要求的区间中。图中,k=2k = 2,且 x−2p=3x - 2p = 3。

  3. a≤x−jp<a+p→0≤θ−2jπ<2π→j=ka \leq x - jp < a + p \rightarrow 0 \leq \resaltar{\theta - 2j\pi} < 2\pi \rightarrow \resaltar{j = k}

    唯一性:若整数 jj 也满足 a≤x−jp<a+pa \leq x - jp < a + p,则减去 aa 并乘以 2πp\frac{2\pi}{p} 后,得到 θ−2jπ\theta - 2j\pi 位于 [0,2π)\ico{0}{2\pi} 中,于是 θ=(θ−2jπ)+2jπ\theta = \left( \theta - 2j\pi \right) + 2j\pi 是与证明开头那种分解同类的另一个分解;由化到第一周定理给出的唯一性,j=kj = k。

定理通解

设 cc 是满足 ∣c∣≤1\abs{c} \leq 1 的实数。sin⁡x=c\sin x = c 的解是数 arcsin⁡c+2kπ\arcsin c + 2k\pi 和 π−arcsin⁡c+2kπ\pi - \arcsin c + 2k\pi,cos⁡x=c\cos x = c 的解是数 arccos⁡c+2kπ\arccos c + 2k\pi 和 −arccos⁡c+2kπ-\arccos c + 2k\pi,其中 kk 取遍整数。对任意实数 cc,tan⁡x=c\tan x = c 的解是数 arctan⁡c+kπ\arctan c + k\pi,其中 kk 为整数。若 ∣c∣>1\abs{c} > 1,则正弦方程和余弦方程无解。

用集合和逻辑联结词的记号,定理写成:

sin⁡x=c↔x=arcsin⁡c+2kπ∨x=π−arcsin⁡c+2kπ,k∈Z\sin x = c \leftrightarrow x = \arcsin c + 2k\pi \vee x = \pi - \arcsin c + 2k\pi, \quad k \in \mathbb{Z}
cos⁡x=c↔x=±arccos⁡c+2kπ,tan⁡x=c↔x=arctan⁡c+kπ,k∈Z\cos x = c \leftrightarrow x = \pm \arccos c + 2k\pi, \qquad \tan x = c \leftrightarrow x = \arctan c + k\pi, \quad k \in \mathbb{Z}

先在 [−π2,3π2)\ico{-\frac{\pi}{2}}{\frac{3\pi}{2}} 上讨论,它是一周,分成两半:在 [−π2,π2]\icc{-\frac{\pi}{2}}{\frac{\pi}{2}} 上正弦严格增大,这由主值区间上的单调性定理得出,而关于反函数的课从按弧长行进的公理推出了该定理;在 (π2,3π2)\ioo{\frac{\pi}{2}}{\frac{3\pi}{2}} 上起作用的是补角的对称性 sin⁡(π−x)=sin⁡x\sin(\pi - x) = \sin x,见关于三角比的课。引理把结果推广到整条数轴,而余弦方程化为正弦方程。图中取 c=12c = \frac{1}{2},此时 arcsin⁡c=π6\arcsin c = \frac{\pi}{6}。

证明

  1. −π2≤x≤π2→(sin⁡x=c↔x=α)\dato{a}{-\frac{\pi}{2} \leq x \leq \frac{\pi}{2} \rightarrow \left( \sin x = c \leftrightarrow x = \alpha \right)}

    设 α=arcsin⁡c\alpha = \arcsin c,它位于 [−π2,π2]\icc{-\frac{\pi}{2}}{\frac{\pi}{2}} 中,并满足 sin⁡α=c\sin \alpha = c。由于正弦在这个区间上严格增大,它在其中不会两次取同一个值:α\alpha 是这一周前一半中的唯一解。在单位圆上,P(α)P(\alpha) 是右半圆上高度为 cc 的点。

  2. sin⁡x=sin⁡(π−x)=c↔π−x=α↔x=π−α\sin x = \resaltar{\sin(\pi - x)} = c \leftrightarrow \resaltar{\pi - x = \alpha} \leftrightarrow \dato{b}{x = \pi - \alpha}

    若 xx 位于 (π2,3π2)\ioo{\frac{\pi}{2}}{\frac{3\pi}{2}} 中,则角 π−x\pi - x 位于 (−π2,π2)\ioo{-\frac{\pi}{2}}{\frac{\pi}{2}} 中,且与 xx 有相同的正弦。由刚才所证,xx 是解当且仅当 π−x=α\pi - x = \alpha:高度为 cc 的水平直线与左半圆交于对称点 P(π−α)P(\pi - \alpha)。

  3. sin⁡x=sin⁡x0=c↔x=α+2kπ∨x=π−α+2kπ\sin x = \resaltar{\sin x_0} = c \leftrightarrow \dato{g}{\resaltar{x = \alpha + 2k\pi \vee x = \pi - \alpha + 2k\pi}}

    现在设 xx 为任意实数。由引理,取 p=2πp = 2\pi 和 a=−π2a = -\frac{\pi}{2},可写成 x=x0+2kπx = x_0 + 2k\pi,其中 x0x_0 位于所讨论的一周中,并且由周期性 sin⁡x=sin⁡x0\sin x = \sin x_0。因此,xx 是解当且仅当 x0x_0 等于 α\alpha 或 π−α\pi - \alpha。

  4. α=±π2→π−α=α∨π−α=α+2π\alpha = \pm \frac{\pi}{2} \rightarrow \resaltar{\pi - \alpha = \alpha} \vee \resaltar{\pi - \alpha = \alpha + 2\pi}

    反过来,这两族中的每个数都是解,同样由周期性可得。在正弦的图像上,直线 y=cy = c 在每个周期内与曲线交于两点。若 c=1c = 1 或 c=−1c = -1,两族重合,因为 π−α\pi - \alpha 与 α\alpha 相差 2π2\pi 的一个倍数,此时每个周期内只有一个交点。

  5. π2−x=π2−arccos⁡c+2kπ∨π2−x=π2+arccos⁡c+2kπ\frac{\pi}{2} - x = \resaltar{\frac{\pi}{2} - \arccos c} + 2k\pi \vee \frac{\pi}{2} - x = \resaltar{\frac{\pi}{2} + \arccos c} + 2k\pi

    对于余弦,利用余角的对称性 cos⁡x=sin⁡(π2−x)\cos x = \sin\left( \frac{\pi}{2} - x \right),以及关于反函数的课中的余角定理 arcsin⁡c=π2−arccos⁡c\arcsin c = \frac{\pi}{2} - \arccos c。把刚才的结论应用于角 π2−x\frac{\pi}{2} - x,得到两族。

  6. cos⁡x=c↔x=±arccos⁡c+2kπ\cos x = c \leftrightarrow \resaltar{x = \pm \arccos c + 2k\pi}

    解出 xx,两族为 arccos⁡c−2kπ\arccos c - 2k\pi 和 −arccos⁡c−2kπ-\arccos c - 2k\pi;由于 −k-k 随 kk 一起取遍整数,这正是定理中的两族。在单位圆上,点 P(β)P(\beta) 和 P(−β)P(-\beta)(这里 β=arccos⁡c\beta = \arccos c)是横坐标为 cc 的竖直直线的两个交点。

  7. tan⁡x=tan⁡x0=c↔x=arctan⁡c+kπ\tan x = \resaltar{\tan x_0} = c \leftrightarrow \resaltar{x = \arctan c + k\pi}

    对于周期为 π\pi 的正切,取 p=πp = \pi 和 a=−π2a = -\frac{\pi}{2} 应用引理:若 x=x0+kπx = x_0 + k\pi,其中 x0x_0 属于 (−π2,π2)\ioo{-\frac{\pi}{2}}{\frac{\pi}{2}}(正切在其上是到 R\mathbb{R} 的双射),则唯一的解是 x0=arctan⁡cx_0 = \arctan c;点 −π2-\frac{\pi}{2} 不计入,因为正切在该点无定义。若 ∣c∣>1\abs{c} > 1,则正弦和余弦都取不到值 cc,因为它们的值在 [−1,1]\icc{-1}{1} 中。

例如,由于 arcsin⁡(−12)=−π6\arcsin\left( -\frac{1}{2} \right) = -\frac{\pi}{6},sin⁡x=−12\sin x = -\frac{1}{2} 的解是下面两族中的数;在第一族中取 k=1k = 1,在第二族中取 k=0k = 0,便得到位于 [0,2π)\ico{0}{2\pi} 中的两个解,即 11π6\frac{11\pi}{6} 和 7π6\frac{7\pi}{6},与关于反函数的课中的结果一致。

sin⁡x=−12↔x=−π6+2kπ∨x=7π6+2kπ,k∈Z\sin x = -\frac{1}{2} \leftrightarrow x = -\frac{\pi}{6} + 2k\pi \vee x = \frac{7\pi}{6} + 2k\pi, \quad k \in \mathbb{Z}

sin⁡x=0\sin x = 0 的解构成两族 2kπ2k\pi 和 π+2kπ\pi + 2k\pi,合起来就是 π\pi 的整数倍;cos⁡x=0\cos x = 0 的解是 ±π2+2kπ\pm\frac{\pi}{2} + 2k\pi,合起来就是数 π2+kπ\frac{\pi}{2} + k\pi。下面这两个简洁的描述经常用到:

sin⁡x=0↔x=kπ,cos⁡x=0↔x=π2+kπ,k∈Z\sin x = 0 \leftrightarrow x = k\pi, \qquad \cos x = 0 \leftrightarrow x = \frac{\pi}{2} + k\pi, \quad k \in \mathbb{Z}

区间中解的个数

关于三角方程的问题通常限定在某个区间内,几乎总是 [0,2π)\ico{0}{2\pi}。引理表明,形如 x1+2kπx_1 + 2k\pi 的每一族在 [a,a+2π)\ico{a}{a + 2\pi} 中恰有一个成员,无论 aa 取何值;由此可得最简方程在任意一周内的解的个数。

定理一周内的解

设 aa 和 cc 为实数。若 ∣c∣<1\abs{c} < 1,则方程 sin⁡x=c\sin x = c 和 cos⁡x=c\cos x = c 各自在 [a,a+2π)\ico{a}{a + 2\pi} 中恰有两个解,若 ∣c∣=1\abs{c} = 1,则恰有一个解。方程 tan⁡x=c\tan x = c 在 [a,a+π)\ico{a}{a + \pi} 中恰有一个解。

由引理,每一族解在一周内只贡献一个成员;只需知道正弦的两族或余弦的两族何时是同一族。图中取 a=1a = 1,并取 c=12c = \frac{1}{2} 和 c=1c = 1。

证明

  1. x1+2jπ∈[a,a+2π)↔j=−k\dato{u}{x_1 + 2j\pi \in \ico{a}{a + 2\pi} \leftrightarrow j = -k}

    设 x1x_1 为实数。由引理,取 p=2πp = 2\pi,存在唯一的整数 kk,使得 x1−2kπx_1 - 2k\pi 位于 [a,a+2π)\ico{a}{a + 2\pi} 中:数 x1+2jπx_1 + 2j\pi(这里 jj 为整数)所成的族在一周内恰有一个成员。

  2. α+2kπ=π−α+2jπ↔α=π2+(j−k)π↔α=±π2↔c=±1\alpha + 2k\pi = \pi - \alpha + 2j\pi \leftrightarrow \resaltar{\alpha = \frac{\pi}{2} + (j - k)\pi} \leftrightarrow \alpha = \pm \frac{\pi}{2} \leftrightarrow \resaltar{c = \pm 1}

    设 α=arcsin⁡c\alpha = \arcsin c,它位于 [−π2,π2]\icc{-\frac{\pi}{2}}{\frac{\pi}{2}} 中。若正弦的两族有公共成员,则它们是同一族,而这恰好发生在 α\alpha 等于 π2\frac{\pi}{2} 或 −π2-\frac{\pi}{2} 时,即 c=±1c = \pm 1 时。因此,若 ∣c∣<1\abs{c} < 1,两族在一周内贡献两个不同的解;若 ∣c∣=1\abs{c} = 1,则只有一个。

  3. β+2kπ=−β+2jπ↔β=(j−k)π↔β∈{0,π}↔c=±1\beta + 2k\pi = -\beta + 2j\pi \leftrightarrow \resaltar{\beta = (j - k)\pi} \leftrightarrow \beta \in \left\{ 0, \pi \right\} \leftrightarrow \resaltar{c = \pm 1}

    设 β=arccos⁡c\beta = \arccos c,它位于 [0,π]\icc{0}{\pi} 中。余弦的两族有公共成员,当且仅当 β\beta 是 π\pi 的整数倍,即 β\beta 等于 00 或 π\pi,这等价于 c=±1c = \pm 1;计数与正弦的情形相同。

  4. −π2<arctan⁡c<π2→arctan⁡c+kπ≠π2+jπ-\frac{\pi}{2} < \arctan c < \frac{\pi}{2} \rightarrow \resaltar{\arctan c + k\pi \neq \frac{\pi}{2} + j\pi}

    对于正切只有一族,相邻成员的间隔为 π\pi,引理(取 p=πp = \pi)使它在 [a,a+π)\ico{a}{a + \pi} 中恰有一个成员。这个成员是解,因为 arctan⁡c+kπ\arctan c + k\pi 永远不具有 π2+jπ\frac{\pi}{2} + j\pi 的形式(正切在这种点无定义):arctan⁡c\arctan c 位于 (−π2,π2)\ioo{-\frac{\pi}{2}}{\frac{\pi}{2}} 中。