Кейс по тригонометрии: нужно решить уравнение sin(2x) = 2 sin x в общем виде. Какие подводные камни связаны с доменом и периодичностью функций, и как гарантировать, что решения перечислены полностью и без избыточности
Решение (коротко): Используем тождество sin(2x)=2sinxcosx \sin(2x)=2\sin x\cos xsin(2x)=2sinxcosx. Тогда 2sinxcosx=2sinx ⟹ 2sinx(cosx−1)=0.
2\sin x\cos x = 2\sin x \;\Longrightarrow\; 2\sin x(\cos x-1)=0. 2sinxcosx=2sinx⟹2sinx(cosx−1)=0.
Отсюда либо sinx=0 \sin x=0sinx=0, либо cosx=1 \cos x=1cosx=1. Решения: sinx=0⇒x=kπ, k∈Z;cosx=1⇒x=2πn, n∈Z.
\sin x=0 \Rightarrow x=k\pi,\; k\in\mathbb{Z}; \qquad \cos x=1 \Rightarrow x=2\pi n,\; n\in\mathbb{Z}. sinx=0⇒x=kπ,k∈Z;cosx=1⇒x=2πn,n∈Z.
Так как x=2πnx=2\pi nx=2πn — частный случай x=kπx=k\pix=kπ (при чётных kkk), окончательно x=kπ, k∈Z.
x=k\pi,\; k\in\mathbb{Z}. x=kπ,k∈Z. Подводные камни и как их избежать: - Домена ограничений нет: обе функции заданы на R\mathbb{R}R. - Нельзя делить уравнение на sinx\sin xsinx, не проверив случай sinx=0\sin x=0sinx=0 — при делении теряются решения sinx=0 \sin x=0sinx=0. - Периодичность: sin(2x) \sin(2x)sin(2x) имеет период π\piπ, sinx \sin xsinx — 2π2\pi2π; уравнение как равенство двух периодических функций имеет период lcm(π,2π)=2π \mathrm{lcm}(\pi,2\pi)=2\pilcm(π,2π)=2π, но множество решений может иметь меньший период (здесь период решений π\piπ). Чтобы избежать избыточности, давайте одно-параметрическое описание: x=kπ, k∈Zx=k\pi,\ k\in\mathbb{Z}x=kπ,k∈Z (или эквивалентно x≡0,π(mod2π)x\equiv 0,\pi\pmod{2\pi}x≡0,π(mod2π)).
Используем тождество sin(2x)=2sinxcosx \sin(2x)=2\sin x\cos xsin(2x)=2sinxcosx. Тогда
2sinxcosx=2sinx ⟹ 2sinx(cosx−1)=0. 2\sin x\cos x = 2\sin x \;\Longrightarrow\; 2\sin x(\cos x-1)=0.
2sinxcosx=2sinx⟹2sinx(cosx−1)=0. Отсюда либо sinx=0 \sin x=0sinx=0, либо cosx=1 \cos x=1cosx=1. Решения:
sinx=0⇒x=kπ, k∈Z;cosx=1⇒x=2πn, n∈Z. \sin x=0 \Rightarrow x=k\pi,\; k\in\mathbb{Z};
\qquad
\cos x=1 \Rightarrow x=2\pi n,\; n\in\mathbb{Z}.
sinx=0⇒x=kπ,k∈Z;cosx=1⇒x=2πn,n∈Z. Так как x=2πnx=2\pi nx=2πn — частный случай x=kπx=k\pix=kπ (при чётных kkk), окончательно
x=kπ, k∈Z. x=k\pi,\; k\in\mathbb{Z}.
x=kπ,k∈Z.
Подводные камни и как их избежать:
- Домена ограничений нет: обе функции заданы на R\mathbb{R}R.
- Нельзя делить уравнение на sinx\sin xsinx, не проверив случай sinx=0\sin x=0sinx=0 — при делении теряются решения sinx=0 \sin x=0sinx=0.
- Периодичность: sin(2x) \sin(2x)sin(2x) имеет период π\piπ, sinx \sin xsinx — 2π2\pi2π; уравнение как равенство двух периодических функций имеет период lcm(π,2π)=2π \mathrm{lcm}(\pi,2\pi)=2\pilcm(π,2π)=2π, но множество решений может иметь меньший период (здесь период решений π\piπ). Чтобы избежать избыточности, давайте одно-параметрическое описание: x=kπ, k∈Zx=k\pi,\ k\in\mathbb{Z}x=kπ, k∈Z (или эквивалентно x≡0,π(mod2π)x\equiv 0,\pi\pmod{2\pi}x≡0,π(mod2π)).