Clever Quest Lab ← Matematika · 2. ročník SŠ
Matematika2. ročník SŠGoniometrické rovnice

Goniometrické rovnice

Goniometrická rovnica je rovnica, v ktorej je neznáma v argumente goniometrickej funkcie — napríklad sin x = 1/2 alebo 2·cos2x + 3·sin x − 3 = 0. Keďže goniometrické funkcie sú periodické, taká rovnica buď nemá žiadne riešenie, alebo ich má nekonečne veľa. Nájdeme ich pomocou jednotkovej kružnice, grafu a tabuľky presných hodnôt.

Téma nadväzuje na Goniometrické funkcie a Grafy goniometrických funkcií.

Čo potrebujeme vedieť vopred

Tabuľka presných hodnôt

Hodnoty v ostatných kvadrantoch dostaneme zo súmernosti kružnice (vzťahy nižšie).
x (°)0°30°45°60°90°
x (rad)0π/6π/4π/3π/2
sin x01/2√2/2√3/21
cos x1√3/2√2/21/20
tg x0√3/31√3nie je def.

Pri riešení rovníc využijeme súmernosť jednotkovej kružnice:

Znamienka: sínus je kladný v I. a II. kvadrante, kosínus v I. a IV. kvadrante, tangens v I. a III. kvadrante.

Rovnica sin x = a

Hľadáme všetky uhly x, ktorých bod na jednotkovej kružnici má y-ovú súradnicu a. Nakreslíme vodorovnú priamku y = a:

  • |a| > 1 — priamka kružnicu nepretína, rovnica nemá riešenie (K = ∅).
  • |a| < 1 — dva priesečníky, v intervale ⟨0; 2π) sú dve riešenia: x₀ a π − x₀.
  • a = ±1 — priamka sa kružnice dotýka, jedno riešenie: π/2 pre a = 1, 3π/2 pre a = −1.
Jednotková kružnica s priamkou y = 1/2. Priamka pretína kružnicu v bodoch s uhlami π/6 a 5π/6. x y 1/2 π/6 5π/6
sin x = 1/2: priamka y = 1/2 pretína kružnicu dvakrát.
x = x₀ + 2kπ alebo x = π − x₀ + 2kπ, k ∈ Z

Číslo x₀ je jedno riešenie — pri tabuľkových hodnotách ho prečítame z tabuľky, inak ho určí kalkulačka (tlačidlo sin−1), ktorá vráti x₀ z intervalu ⟨−π/2; π/2⟩.

Rovnica cos x = a

Teraz hľadáme body kružnice s x-ovou súradnicou a, preto nakreslíme zvislú priamku x = a:

  • |a| > 1 — rovnica nemá riešenie.
  • |a| < 1 — v intervale ⟨0; 2π) sú dve riešenia: x₀ a 2π − x₀ (body súmerné podľa osi x).
  • a = 1 — jediné riešenie x = 0; a = −1 — jediné riešenie x = π.
Jednotková kružnica so zvislou priamkou x = 1/2. Priamka pretína kružnicu v bodoch s uhlami π/3 a 5π/3. x y 1/2 π/3 5π/3
cos x = 1/2: priamka x = 1/2 pretína kružnicu dvakrát.
x = x₀ + 2kπ alebo x = −x₀ + 2kπ, k ∈ Z

Skrátene x = ±x₀ + 2kπ. Kalkulačka (cos−1) vráti x₀ z intervalu ⟨0; π⟩.

Rovnica tg x = a

Tangens nadobúda každú reálnu hodnotu, preto má rovnica tg x = a riešenie pre každé a ∈ R.

Geometricky: na dotyčnici ku kružnici v bode [1; 0], t. j. na priamke x = 1, vyznačíme bod T[1; a]. Priamka OT pretne kružnicu v dvoch protiľahlých bodoch — ich uhly sú x₀ a x₀ + π.

Jednotková kružnica, dotyčnica x = 1 a bod T[1; 1]. Priamka OT pretína kružnicu v bodoch s uhlami π/4 a 5π/4. x y T[1; 1] π/4 5π/4
tg x = 1: priamka OT pretína kružnicu v protiľahlých bodoch.
x = x₀ + kπ, k ∈ Z

Pri tangense stačí jedna „rodina" riešení, lebo jeho perióda je π. Kalkulačka (tg−1) vráti x₀ z intervalu (−π/2; π/2). Nezabudni na podmienku cos x ≠ 0.

Zhrnutie a zápis v stupňoch

rovnicariešenia v ⟨0; 2π)všeobecné riešenie, k ∈ Z
sin x = a, |a| < 1x₀; π − x₀x₀ + 2kπ; π − x₀ + 2kπ
cos x = a, |a| < 1x₀; 2π − x₀±x₀ + 2kπ
tg x = a, a ∈ Rx₀; x₀ + πx₀ + kπ
sin x = 00; πkπ
sin x = 1π/2π/2 + 2kπ
sin x = −13π/23π/2 + 2kπ
cos x = 0π/2; 3π/2π/2 + kπ
cos x = 102kπ
cos x = −1ππ + 2kπ

V stupňoch nahradíme 2kπ výrazom k·360° a kπ výrazom k·180°: napríklad x = π/6 + 2kπ je to isté ako x = 30° + k·360°. V jednom zápise nemiešaj radiány so stupňami (nie 30° + 2kπ).

Rovnice s lineárnym argumentom

Ak je v argumente výraz b·x (napr. sin(2x)), zavedieme substitúciu t = b·x, vyriešime základnú rovnicu pre t a potom sa vrátime k x. Vydelíme pritom aj periódu.

Príklad sin(2x) = 1/2:

Rovnica má v ⟨0; 2π) až štyri riešenia — funkcia sin(2x) má periódu π, na intervale dĺžky 2π teda prebehne dve periódy. Vo všeobecnosti má sin(b·x) aj cos(b·x) periódu 2π/b a tg(b·x) periódu π/b.

Rovnice riešené substitúciou

Ak je v rovnici tá istá goniometrická funkcia v druhej aj v prvej mocnine, zavedieme substitúciu t = sin x (alebo cos x, tg x) a vyriešime kvadratickú rovnicu. Pri sínuse a kosínuse potom vyradíme korene mimo intervalu ⟨−1; 1⟩ — tie riešenie nedávajú.

Príklad 2·sin2x − sin x − 1 = 0:

Keby vyšlo napríklad t = −2 (pri rovnici sin2x + sin x − 2 = 0 sú korene t₁ = 1, t₂ = −2), koreň −2 vyradíme, lebo sin x ≥ −1.

Ak rovnica obsahuje sínus aj kosínus, často pomôže vzťah sin2x + cos2x = 1. Napríklad v rovnici 2·cos2x + 3·sin x − 3 = 0 dosadíme cos2x = 1 − sin2x:

Skúška a pozor na delenie

Rovnicu nedeľ výrazom, ktorý môže byť nulový (napr. sin x alebo cos x) — stratil by si riešenia. Radšej ho vyber pred zátvorku a využi, že súčin je nulový práve vtedy, keď je nulový niektorý činiteľ.

Rovnica sin x · cos x = sin x

✗ Nesprávne: vydelíme sin x ⇒ cos x = 1 ⇒ x = 2kπ. Stratili sme napríklad x = π: sin π · cos π = 0 · (−1) = 0 = sin π.

✓ Správne: sin x · cos x − sin x = 0, sin x · (cos x − 1) = 0, teda sin x = 0 alebo cos x = 1. Z toho x = kπ alebo x = 2kπ; druhé riešenia sú už medzi prvými, preto x = kπ, k ∈ Z.

Deliť smieme len vtedy, keď overíme, že deliteľ v riešení nemôže byť nulový. Napríklad pri sin x = cos x: keby cos x = 0, bolo by sin x = ±1 ≠ 0, takže cos x ≠ 0 a smieme deliť: tg x = 1, x = π/4 + kπ.

Skúška: keď rovnicu upravujeme neekvivalentne (umocnenie, násobenie výrazom s neznámou), dosadíme riešenia do pôvodnej rovnice. Pri rovniciach s tangensom over aj podmienku cos x ≠ 0. Vďaka periodicite stačí skúška pre riešenia z jednej periódy.

Riešené príklady

Príklad 1: Rieš rovnicu sin x = 1/2.
  1. Z tabuľky: sin π/6 = 1/2, teda x₀ = π/6 (30°).
  2. Druhý bod kružnice s y-ovou súradnicou 1/2 je súmerný podľa osi y: π − π/6 = 5π/6 (150°).
  3. Všeobecné riešenie: x = π/6 + 2kπ alebo x = 5π/6 + 2kπ, k ∈ Z.
  4. V stupňoch: x = 30° + k·360° alebo x = 150° + k·360°.
  5. Množina riešení: K = ⋃k∈Z {π/6 + 2kπ; 5π/6 + 2kπ}.
Príklad 2: Rieš rovnicu cos(2x) = −√2/2 v intervale ⟨0; 2π).
  1. Substitúcia t = 2x. Pre x ∈ ⟨0; 2π) je t ∈ ⟨0; 4π).
  2. Z tabuľky cos π/4 = √2/2. Kosínus je záporný v II. a III. kvadrante: t = π − π/4 = 3π/4, t = π + π/4 = 5π/4.
  3. Všeobecne: t = 3π/4 + 2kπ alebo t = 5π/4 + 2kπ.
  4. Späť x = t/2: x = 3π/8 + kπ alebo x = 5π/8 + kπ.
  5. Pre k = 0: 3π/8; 5π/8, pre k = 1: 11π/8; 13π/8; pre k = 2 už x ≥ 2π.
  6. K = {3π/8; 5π/8; 11π/8; 13π/8}, v stupňoch 67,5°; 112,5°; 247,5°; 292,5°.
Príklad 3: Rieš rovnicu 2·sin2x − 3·sin x + 1 = 0.
  1. Substitúcia t = sin x: 2t² − 3t + 1 = 0.
  2. D = 9 − 8 = 1, t₁ = (3 + 1)/4 = 1, t₂ = (3 − 1)/4 = 1/2. Oba korene ležia v ⟨−1; 1⟩.
  3. sin x = 1 ⇒ x = π/2 + 2kπ.
  4. sin x = 1/2 ⇒ x = π/6 + 2kπ alebo x = 5π/6 + 2kπ.
  5. Skúška pre x = π/2: 2·1 − 3·1 + 1 = 0 ✓; pre x = π/6: 2·1/4 − 3·1/2 + 1 = 0 ✓.
  6. K = ⋃k∈Z {π/6 + 2kπ; π/2 + 2kπ; 5π/6 + 2kπ}; v ⟨0; 2π) sú to π/6; π/2; 5π/6.

🧠 Zapamätaj si

Vyskúšaj si to — riešiteľ goniometrických rovníc

Zvoľ funkciu f, koeficient b a hodnotu a. Rovnicu f(b·x) = a vyriešime v intervale ⟨0; 2π) aj všeobecne. Hodnotu a môžeš meniť aj ťahaním oranžového bodu na kružnici.

Funkcia f

sin x = 1/2

  • graf funkcie
  • priamka y = a
  • riešenie v ⟨0; 2π)
  • ďalšie riešenia (perióda)