Matematyka i fizyka od podstaw
PLEN

Matura z matematyki › VII. Trygonometria › 7.4 rozszerzony szkic · Trening · PDF do druku

Zanim zaczniesz 7.3 Miara łukowa, wykresy, okresowość i wzory redukcyjne

Matura · poziom rozszerzony 7.4

Wzory na funkcje sumy kątów i równania trygonometryczne

Równanie trygonometryczne za 4–5 punktów to stały punkt arkusza rozszerzonego: w puli zadań CKE z lat 2024–2026 (arkusze i informator) jest ich sześć. W maju 2025 rozwiązało je 22% zdających, w maju 2026 29%. Schemat jest zawsze ten sam: wzór (suma, różnica, podwojony kąt) zamienia równanie na iloczyn, iloczyn rozpada się na równania elementarne, a z każdego wybiera się rozwiązania z przedziału. Tę lekcję zbudowaliśmy wokół tego schematu.

Czas
ok. 40 min czytania + ok. 60 min zadań
Zadania
11 zadań w treści, próbka treningu rachunkowego, 4 zadania w stylu maturalnym; pełny trening na osobnej stronie
Wymagania
podstawa programowa, zakres rozszerzony: VII.R5–VII.R6

0 Dlaczego iloczyn

Równanie sin⁡x=12\sin x = \frac12 umiemy rozwiązać od razu: dwie serie rozwiązań z okręgu jednostkowego. Równanie sin⁡2x=cos⁡x\sin 2x = \cos x już nie, bo po obu stronach stoją różne funkcje różnych argumentów. Trzeba je sprowadzić do postaci A⋅B=0A \cdot B = 0, gdzie AA i BB są wyrażeniami, z których każde daje równanie elementarne. Narzędziem są wzory z broszury CKE: na funkcje sumy i różnicy kątów, podwojonego kąta oraz na sumę i różnicę sinusów i cosinusów. Cała trudność polega na wyborze właściwego wzoru i na tym, żeby po drodze nie zgubić rozwiązań.

1 Funkcje sumy i różnicy kątów

Wzory (są w broszurze CKE)

sin⁡(α±β)=sin⁡αcos⁡β±cos⁡αsin⁡β,cos⁡(α±β)=cos⁡αcos⁡β∓sin⁡αsin⁡β,\sin(\alpha \pm \beta) = \sin\alpha\cos\beta \pm \cos\alpha\sin\beta, \qquad \cos(\alpha \pm \beta) = \cos\alpha\cos\beta \mp \sin\alpha\sin\beta, tg⁡(α±β)=tg⁡α±tg⁡β1∓tg⁡αtg⁡β.\operatorname{tg}(\alpha \pm \beta) = \frac{\operatorname{tg}\alpha \pm \operatorname{tg}\beta}{1 \mp \operatorname{tg}\alpha\operatorname{tg}\beta}.

Uwaga na znaki w cosinusie: przy sumie kątów jest minus, przy różnicy plus.

Przykład 1.1 Wartość dla kąta niestandardowego

Oblicz sin⁡75∘\sin 75^\circ.

  1. 75∘=45∘+30∘75^\circ = 45^\circ + 30^\circ.
  2. sin⁡75∘=sin⁡45∘cos⁡30∘+cos⁡45∘sin⁡30∘=22⋅32+22⋅12\sin 75^\circ = \sin45^\circ\cos30^\circ + \cos45^\circ\sin30^\circ = \frac{\sqrt2}{2}\cdot\frac{\sqrt3}{2} + \frac{\sqrt2}{2}\cdot\frac12.

Wynik: sin⁡75∘=6+24\sin 75^\circ = \frac{\sqrt6 + \sqrt2}{4}.

Zadania · część 1

3 zadania · ok. 8 min

  1. Oblicz cos⁡15∘\cos 15^\circ.

    Odpowiedź

    cos⁡(45∘−30∘)=22⋅32+22⋅12=6+24\cos(45^\circ - 30^\circ) = \frac{\sqrt2}{2}\cdot\frac{\sqrt3}{2} + \frac{\sqrt2}{2}\cdot\frac12 = \frac{\sqrt6 + \sqrt2}{4} (tyle samo co sin⁡75∘\sin75^\circ, bo kąty dopełniają się do 90∘90^\circ).

  2. Oblicz tg⁡75∘\operatorname{tg} 75^\circ.

    Odpowiedź
    1. tg⁡(45∘+30∘)=1+331−33=3+33−3\operatorname{tg}(45^\circ + 30^\circ) = \dfrac{1 + \frac{\sqrt3}{3}}{1 - \frac{\sqrt3}{3}} = \dfrac{3 + \sqrt3}{3 - \sqrt3}.
    2. Usunięcie niewymierności: (3+3)29−3=12+636=2+3\dfrac{(3 + \sqrt3)^2}{9 - 3} = \dfrac{12 + 6\sqrt3}{6} = 2 + \sqrt3.
  3. Wiadomo, że sin⁡α=35\sin\alpha = \frac35, α∈(π2, π)\alpha \in \left(\frac\pi2,\,\pi\right), oraz cos⁡β=1213\cos\beta = \frac{12}{13}, β∈(0, π2)\beta \in \left(0,\,\frac\pi2\right). Oblicz sin⁡(α+β)\sin(\alpha + \beta).

    Odpowiedź
    1. II ćwiartka: cos⁡α=−45\cos\alpha = -\frac45; I ćwiartka: sin⁡β=513\sin\beta = \frac{5}{13}.
    2. sin⁡(α+β)=35⋅1213+(−45)⋅513=36−2065=1665\sin(\alpha + \beta) = \frac35\cdot\frac{12}{13} + \left(-\frac45\right)\cdot\frac{5}{13} = \frac{36 - 20}{65} = \frac{16}{65}.

2 Podwojony kąt i jego konsekwencje

Podwojony kąt (w broszurze CKE)

sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α,cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α=2cos⁡2α−1=1−2sin⁡2α.\sin 2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha, \qquad \cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha = 2\cos^2\alpha - 1 = 1 - 2\sin^2\alpha.

Trzy postacie cos⁡2α\cos 2\alpha wybiera się pod resztę równania: jeśli obok stoi sin⁡x\sin x, bierze się 1−2sin⁡2x1 - 2\sin^2 x, jeśli cos⁡x\cos x, to 2cos⁡2x−12\cos^2 x - 1.

Wnioski, których nie ma w broszurze

sin⁡4α+cos⁡4α=1−12sin⁡22α,sin⁡3α=3sin⁡α−4sin⁡3α,cos⁡3α=4cos⁡3α−3cos⁡α.\sin^4\alpha + \cos^4\alpha = 1 - \tfrac12\sin^2 2\alpha, \qquad \sin3\alpha = 3\sin\alpha - 4\sin^3\alpha, \qquad \cos3\alpha = 4\cos^3\alpha - 3\cos\alpha.

Pierwszy: (sin⁡2α+cos⁡2α)2−2sin⁡2αcos⁡2α=1−12(2sin⁡αcos⁡α)2(\sin^2\alpha + \cos^2\alpha)^2 - 2\sin^2\alpha\cos^2\alpha = 1 - \frac12(2\sin\alpha\cos\alpha)^2. Dwa pozostałe wyprowadza się z sin⁡(2α+α)\sin(2\alpha + \alpha) i cos⁡(2α+α)\cos(2\alpha + \alpha). W kluczach CKE każdy z nich jest akceptowany jako „właściwy wzór” za pierwszy punkt, ale w arkuszu trzeba umieć go uzasadnić albo obejść.

Przykład 2.1 Znak z ćwiartki

sin⁡α=13\sin\alpha = \frac13 i α∈(π2, π)\alpha \in \left(\frac\pi2,\,\pi\right). Oblicz sin⁡2α\sin 2\alpha i cos⁡2α\cos 2\alpha.

  1. cos⁡α=−1−19=−223\cos\alpha = -\sqrt{1 - \frac19} = -\frac{2\sqrt2}{3} (II ćwiartka, cosinus ujemny).
  2. sin⁡2α=2⋅13⋅(−223)=−429\sin 2\alpha = 2 \cdot \frac13 \cdot \left(-\frac{2\sqrt2}{3}\right) = -\frac{4\sqrt2}{9}.
  3. cos⁡2α=1−2sin⁡2α=1−29=79\cos 2\alpha = 1 - 2\sin^2\alpha = 1 - \frac29 = \frac79 (tu znak cosinusa α\alpha nie był potrzebny).

Wynik: sin⁡2α=−429\sin2\alpha = -\frac{4\sqrt2}{9},  cos⁡2α=79\ \cos2\alpha = \frac79.

Zadania · część 2

3 zadania · ok. 10 min

  1. tg⁡α=2\operatorname{tg}\alpha = 2. Oblicz sin⁡2α\sin2\alpha i cos⁡2α\cos2\alpha.

    Odpowiedź
    1. sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡αsin⁡2α+cos⁡2α=2tg⁡α1+tg⁡2α=45\sin 2\alpha = \dfrac{2\sin\alpha\cos\alpha}{\sin^2\alpha + \cos^2\alpha} = \dfrac{2\operatorname{tg}\alpha}{1 + \operatorname{tg}^2\alpha} = \dfrac45.
    2. cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2αsin⁡2α+cos⁡2α=1−tg⁡2α1+tg⁡2α=−35\cos 2\alpha = \dfrac{\cos^2\alpha - \sin^2\alpha}{\sin^2\alpha + \cos^2\alpha} = \dfrac{1 - \operatorname{tg}^2\alpha}{1 + \operatorname{tg}^2\alpha} = -\dfrac35.

    Wynik nie zależy od ćwiartki: α\alpha i α+π\alpha + \pi mają ten sam tangens i te same sin⁡2α\sin2\alpha, cos⁡2α\cos2\alpha.

  2. sin⁡xcos⁡x=13\sin x\cos x = \frac13. Oblicz sin⁡4x+cos⁡4x\sin^4 x + \cos^4 x.

    Odpowiedź

    1−2sin⁡2xcos⁡2x=1−2⋅19=791 - 2\sin^2x\cos^2x = 1 - 2\cdot\frac19 = \frac79.

  3. Wyprowadź wzór cos⁡3α=4cos⁡3α−3cos⁡α\cos3\alpha = 4\cos^3\alpha - 3\cos\alpha.

    Odpowiedź
    1. cos⁡3α=cos⁡2αcos⁡α−sin⁡2αsin⁡α\cos3\alpha = \cos2\alpha\cos\alpha - \sin2\alpha\sin\alpha.
    2. =(2cos⁡2α−1)cos⁡α−2sin⁡2αcos⁡α= (2\cos^2\alpha - 1)\cos\alpha - 2\sin^2\alpha\cos\alpha.
    3. =2cos⁡3α−cos⁡α−2(1−cos⁡2α)cos⁡α=4cos⁡3α−3cos⁡α= 2\cos^3\alpha - \cos\alpha - 2(1 - \cos^2\alpha)\cos\alpha = 4\cos^3\alpha - 3\cos\alpha.

3 Równania elementarne

Rozwiązania ogólne (k∈Zk \in \mathbb Z)

  • sin⁡t=a\sin t = a, ∣a∣≤1|a| \le 1:  t=t0+2kπ\ t = t_0 + 2k\pi albo t=π−t0+2kπt = \pi - t_0 + 2k\pi, gdzie sin⁡t0=a\sin t_0 = a;
  • cos⁡t=a\cos t = a, ∣a∣≤1|a| \le 1:  t=±t0+2kπ\ t = \pm t_0 + 2k\pi, gdzie cos⁡t0=a\cos t_0 = a;
  • tg⁡t=a\operatorname{tg} t = a:  t=t0+kπ\ t = t_0 + k\pi, gdzie tg⁡t0=a\operatorname{tg} t_0 = a;
  • ∣a∣>1|a| > 1 w równaniu z sin⁡\sin albo cos⁡\cos: brak rozwiązań.

Gdy argumentem jest bx+cbx + c, najpierw rozwiązuje się względem t=bx+ct = bx + c, potem dzieli przez bb. Okres serii też się dzieli: 2kπb\frac{2k\pi}{b}, nie 2kπ2k\pi.

Symulacja 1 Wykres y=sin⁡(bx)y = \sin(bx), y=cos⁡(bx)y = \cos(bx) albo y=tg⁡(bx)y = \operatorname{tg}(bx) i prosta y=ay = a. Punkty przecięcia w wybranym przedziale to rozwiązania równania. Zwiększ bb i zobacz, jak rośnie liczba rozwiązań: w przedziale długości 2π2\pi jest ich zwykle 2b2b.

Przykład 3.1 Argument złożony, rozwiązania w przedziale

Rozwiąż równanie cos⁡(2x−π3)=12\cos\left(2x - \frac\pi3\right) = \frac12 w przedziale [0, π][0,\,\pi].

  1. 2x−π3=π3+2kπ2x - \frac\pi3 = \frac\pi3 + 2k\pi albo 2x−π3=−π3+2kπ2x - \frac\pi3 = -\frac\pi3 + 2k\pi.
  2. x=π3+kπx = \frac\pi3 + k\pi albo x=kπx = k\pi.
  3. W [0, π][0,\,\pi]: z pierwszej serii k=0k = 0; z drugiej k=0k = 0 i k=1k = 1.

Wynik: x∈{0, π3, π}x \in \left\{0,\ \frac\pi3,\ \pi\right\}.

Sprawdzenie: x=πx = \pi: cos⁡(2π−π3)=cos⁡π3=12\cos\left(2\pi - \frac\pi3\right) = \cos\frac\pi3 = \frac12 ✓.

Zadania · część 3

2 zadania · ok. 5 min

  1. Rozwiąż równanie sin⁡x=−22\sin x = -\frac{\sqrt2}{2} w przedziale [0, 2π][0,\,2\pi].

    Odpowiedź

    x=π+π4=5π4x = \pi + \frac\pi4 = \frac{5\pi}{4} albo x=2π−π4=7π4x = 2\pi - \frac\pi4 = \frac{7\pi}{4}.

  2. Rozwiąż równanie tg⁡(x+π6)=3\operatorname{tg}\left(x + \frac\pi6\right) = \sqrt3.

    Odpowiedź

    x+π6=π3+kπx + \frac\pi6 = \frac\pi3 + k\pi, więc x=π6+kπx = \frac\pi6 + k\pi, k∈Zk \in \mathbb Z.

4 Sprowadzanie do iloczynu

Sumy i różnice (w broszurze CKE)

sin⁡α+sin⁡β=2sin⁡α+β2cos⁡α−β2,sin⁡α−sin⁡β=2cos⁡α+β2sin⁡α−β2,\sin\alpha + \sin\beta = 2\sin\tfrac{\alpha + \beta}{2}\cos\tfrac{\alpha - \beta}{2}, \qquad \sin\alpha - \sin\beta = 2\cos\tfrac{\alpha + \beta}{2}\sin\tfrac{\alpha - \beta}{2}, cos⁡α+cos⁡β=2cos⁡α+β2cos⁡α−β2,cos⁡α−cos⁡β=−2sin⁡α+β2sin⁡α−β2.\cos\alpha + \cos\beta = 2\cos\tfrac{\alpha + \beta}{2}\cos\tfrac{\alpha - \beta}{2}, \qquad \cos\alpha - \cos\beta = -2\sin\tfrac{\alpha + \beta}{2}\sin\tfrac{\alpha - \beta}{2}.

Trzy drogi do iloczynu

  1. Wspólny czynnik po rozpisaniu podwojonego kąta: sin⁡2x−cos⁡x=cos⁡x(2sin⁡x−1)\sin 2x - \cos x = \cos x(2\sin x - 1).
  2. Suma albo różnica funkcji kątów axax i bxbx: sin⁡3x+sin⁡x=2sin⁡2xcos⁡x\sin3x + \sin x = 2\sin2x\cos x.
  3. Równanie kwadratowe w jednej funkcji: po zamianie cos⁡2x\cos2x albo cos⁡2x\cos^2 x zostaje np. 2t2+3t+1=02t^2 + 3t + 1 = 0 z t=cos⁡xt = \cos x, a to jest iloczyn (2t+1)(t+1)(2t + 1)(t + 1).

Nie dziel obu stron przez wyrażenie z xx. Jeśli musisz, najpierw rozpatrz przypadek, gdy jest ono równe zeru. W kluczach CKE dzielenie bez tego założenia daje co najwyżej 3 z 4–5 punktów.

Przykład 4.1 Wspólny czynnik

Rozwiąż równanie sin⁡2x=cos⁡x\sin 2x = \cos x w przedziale [0, 2π][0,\,2\pi].

  1. 2sin⁡xcos⁡x−cos⁡x=02\sin x\cos x - \cos x = 0, więc cos⁡x (2sin⁡x−1)=0\cos x\,(2\sin x - 1) = 0.
  2. cos⁡x=0\cos x = 0:  x=π2\ x = \frac\pi2 albo x=3π2x = \frac{3\pi}{2}.
  3. sin⁡x=12\sin x = \frac12:  x=π6\ x = \frac\pi6 albo x=5π6x = \frac{5\pi}{6}.

Wynik: x∈{π6, π2, 5π6, 3π2}x \in \left\{\frac\pi6,\ \frac\pi2,\ \frac{5\pi}6,\ \frac{3\pi}2\right\}.

Gdyby podzielić przez cos⁡x\cos x, zostałoby tylko sin⁡x=12\sin x = \frac12, czyli dwa rozwiązania z czterech.

Przykład 4.2 Suma sinusów

Rozwiąż równanie sin⁡3x+sin⁡x=0\sin3x + \sin x = 0 w przedziale [0, π][0,\,\pi].

  1. 2sin⁡3x+x2cos⁡3x−x2=2sin⁡2xcos⁡x=02\sin\frac{3x + x}{2}\cos\frac{3x - x}{2} = 2\sin2x\cos x = 0.
  2. sin⁡2x=0\sin2x = 0:  2x=kπ\ 2x = k\pi, x=kπ2x = \frac{k\pi}{2}, w przedziale 0, π2, π0,\ \frac\pi2,\ \pi.
  3. cos⁡x=0\cos x = 0:  x=π2\ x = \frac\pi2 (już jest).

Wynik: x∈{0, π2, π}x \in \left\{0,\ \frac\pi2,\ \pi\right\}.

Przykład 4.3 Równanie kwadratowe w cosinusie

Rozwiąż równanie cos⁡2x+3cos⁡x+2=0\cos2x + 3\cos x + 2 = 0 w przedziale [0, 2π][0,\,2\pi].

  1. cos⁡2x=2cos⁡2x−1\cos 2x = 2\cos^2x - 1:  2cos⁡2x+3cos⁡x+1=0\ 2\cos^2 x + 3\cos x + 1 = 0.
  2. t=cos⁡xt = \cos x:  2t2+3t+1=(2t+1)(t+1)=0\ 2t^2 + 3t + 1 = (2t + 1)(t + 1) = 0, czyli t=−12t = -\frac12 albo t=−1t = -1.
  3. cos⁡x=−12\cos x = -\frac12:  x=2π3\ x = \frac{2\pi}{3} albo x=4π3x = \frac{4\pi}{3};  cos⁡x=−1\ \cos x = -1:  x=π\ x = \pi.

Wynik: x∈{2π3, π, 4π3}x \in \left\{\frac{2\pi}3,\ \pi,\ \frac{4\pi}3\right\}.

Przykład 4.4 Dzielenie, które gubi rozwiązania

Rozwiąż równanie 3sin⁡2x=sin⁡xcos⁡x\sqrt3\sin^2 x = \sin x\cos x w przedziale [0, π][0,\,\pi].

  1. Źle: podzielić przez sin⁡x\sin x i dostać 3sin⁡x=cos⁡x\sqrt3\sin x = \cos x, czyli tg⁡x=33\operatorname{tg}x = \frac{\sqrt3}{3}, x=π6x = \frac\pi6.
  2. Dobrze: sin⁡x (3sin⁡x−cos⁡x)=0\sin x\,(\sqrt3\sin x - \cos x) = 0.
  3. sin⁡x=0\sin x = 0:  x=0\ x = 0 albo x=πx = \pi.
  4. 3sin⁡x=cos⁡x\sqrt3\sin x = \cos x: tu cos⁡x≠0\cos x \ne 0 (inaczej sin⁡x=0\sin x = 0 i cos⁡x=0\cos x = 0 jednocześnie), więc wolno podzielić: tg⁡x=33\operatorname{tg}x = \frac{\sqrt3}{3}, x=π6x = \frac\pi6.

Wynik: x∈{0, π6, π}x \in \left\{0,\ \frac\pi6,\ \pi\right\}.

Zadania · część 4

3 zadania · ok. 15 min

  1. Rozwiąż równanie 2cos⁡2x+3sin⁡x−3=02\cos^2 x + 3\sin x - 3 = 0 w przedziale [0, 2π][0,\,2\pi].

    Odpowiedź
    1. 2(1−sin⁡2x)+3sin⁡x−3=02(1 - \sin^2x) + 3\sin x - 3 = 0, czyli 2sin⁡2x−3sin⁡x+1=02\sin^2x - 3\sin x + 1 = 0.
    2. (2sin⁡x−1)(sin⁡x−1)=0(2\sin x - 1)(\sin x - 1) = 0:  sin⁡x=12\ \sin x = \frac12 albo sin⁡x=1\sin x = 1.
    3. x∈{π6, π2, 5π6}x \in \left\{\frac\pi6,\ \frac\pi2,\ \frac{5\pi}{6}\right\}.
  2. Rozwiąż równanie sin⁡2x=3cos⁡x\sin2x = \sqrt3\cos x w przedziale [−π, π][-\pi,\,\pi].

    Odpowiedź
    1. cos⁡x (2sin⁡x−3)=0\cos x\,(2\sin x - \sqrt3) = 0.
    2. cos⁡x=0\cos x = 0:  x=±π2\ x = \pm\frac\pi2.
    3. sin⁡x=32\sin x = \frac{\sqrt3}{2}:  x=π3\ x = \frac\pi3 albo x=2π3x = \frac{2\pi}{3}.
    4. x∈{−π2, π3, π2, 2π3}x \in \left\{-\frac\pi2,\ \frac\pi3,\ \frac\pi2,\ \frac{2\pi}{3}\right\}.
  3. Rozwiąż równanie cos⁡x+cos⁡5x=0\cos x + \cos5x = 0 w przedziale [0, π2]\left[0,\,\frac\pi2\right].

    Odpowiedź
    1. 2cos⁡3xcos⁡2x=02\cos3x\cos2x = 0.
    2. cos⁡3x=0\cos3x = 0:  3x=π2+kπ\ 3x = \frac\pi2 + k\pi, x=π6+kπ3x = \frac\pi6 + \frac{k\pi}{3}, w przedziale π6\frac\pi6 i π2\frac\pi2.
    3. cos⁡2x=0\cos2x = 0:  x=π4+kπ2\ x = \frac\pi4 + \frac{k\pi}{2}, w przedziale π4\frac\pi4.
    4. x∈{π6, π4, π2}x \in \left\{\frac\pi6,\ \frac\pi4,\ \frac\pi2\right\}.

5 Trening rachunkowy

Próbka treningu rachunkowego. Pełny trening ma 25 przykładów i zadań, z odpowiedziami i w wersji do druku.

Poziom A · wartości z wzorów

Zestawy A

  1. Oblicz, korzystając z wzorów na funkcje sumy i różnicy kątów.

    1. cos⁡75∘\cos 75^\circ
    Odpowiedzi

    a) 6−24\tfrac{\sqrt6 - \sqrt2}{4}

  2. Oblicz, korzystając z wzorów na podwojony kąt.

    1. sin⁡2α\sin2\alpha, gdy sin⁡α=35\sin\alpha = \frac35, α\alpha ostry
    Odpowiedzi

    a) 2425\tfrac{24}{25}

Poziom B · równania elementarne w R\mathbb R

Zestawy B

  1. Rozwiąż równanie (k∈Zk \in \mathbb Z).

    1. sin⁡x=22\sin x = \frac{\sqrt2}{2}
    2. cos⁡x2=12\cos\frac x2 = \frac12
    Odpowiedzi

    a) π4+2kπ\tfrac\pi4 + 2k\pi, 3π4+2kπ\tfrac{3\pi}4 + 2k\pi   b) ±2π3+4kπ\pm\tfrac{2\pi}{3} + 4k\pi

Poziom C · do iloczynu, rozwiązania w przedziale

Zestawy C

  1. Rozwiąż równanie w podanym przedziale.

    1. cos⁡2x=cos⁡x\cos2x = \cos x,  [0, 2π]\ [0,\,2\pi]
    2. tg⁡x=2sin⁡x\operatorname{tg}x = 2\sin x,  (−π2, π2)\ \left(-\frac\pi2,\,\frac\pi2\right)
    Odpowiedzi

    a) 0, 2π3, 4π3, 2π0,\ \tfrac{2\pi}3,\ \tfrac{4\pi}3,\ 2\pi   b) −π3, 0, π3-\tfrac\pi3,\ 0,\ \tfrac\pi3

6 Na maturze

W arkuszach rozszerzonych 2024–2026 to zadanie ma 3–5 punktów, a w wersji za 4 punkty zawsze ten sam schemat oceniania: 1 punkt za zastosowanie właściwego wzoru, 2 za alternatywę równań elementarnych, 3 za rozwiązanie jednego z nich, 4 za komplet rozwiązań w przedziale (albo w R\mathbb R). W połowie zadań pytano o rozwiązania w przedziale, w połowie o wszystkie rozwiązania rzeczywiste. Klucze akceptują każdą poprawną drogę. Punkty odbierają: dzielenie przez wyrażenie z xx bez założenia, błędny wzór i podnoszenie do kwadratu bez sprawdzenia. Poniższe zadania są nasze, w stylu arkusza.

Zadania w stylu maturalnym

4 zadania · 16 pkt · ok. 40 min

  1. (0–3 pkt) Rozwiąż równanie cos⁡2x+sin⁡x=0\cos2x + \sin x = 0 w przedziale [0, 2π][0,\,2\pi].

    Rozwiązanie i punktacja
    1. Wzór. 1−2sin⁡2x+sin⁡x=01 - 2\sin^2x + \sin x = 0, czyli 2sin⁡2x−sin⁡x−1=02\sin^2x - \sin x - 1 = 0.
    2. Alternatywa. (2sin⁡x+1)(sin⁡x−1)=0(2\sin x + 1)(\sin x - 1) = 0:  sin⁡x=−12\ \sin x = -\frac12 albo sin⁡x=1\sin x = 1.
    3. W przedziale. sin⁡x=1\sin x = 1: π2\frac\pi2;  sin⁡x=−12\ \sin x = -\frac12: 7π6\frac{7\pi}{6}, 11π6\frac{11\pi}{6}.

    1 pkt za równanie kwadratowe w sin⁡x\sin x. 2 pkt za sin⁡x=−12\sin x = -\frac12 lub sin⁡x=1\sin x = 1. 3 pkt za x∈{π2, 7π6, 11π6}x \in \left\{\frac\pi2,\ \frac{7\pi}6,\ \frac{11\pi}6\right\}.

  2. (0–4 pkt) Rozwiąż równanie cos⁡3x+cos⁡x=0\cos3x + \cos x = 0 w przedziale [0, π][0,\,\pi].

    Rozwiązanie i punktacja
    1. Wzór. 2cos⁡2xcos⁡x=02\cos2x\cos x = 0.
    2. Alternatywa. cos⁡2x=0\cos2x = 0 albo cos⁡x=0\cos x = 0.
    3. Pierwsze. 2x=π2+kπ2x = \frac\pi2 + k\pi, x=π4+kπ2x = \frac\pi4 + \frac{k\pi}{2}: w przedziale π4\frac\pi4, 3π4\frac{3\pi}4.
    4. Drugie. x=π2x = \frac\pi2.

    1 pkt za zastosowanie wzoru na sumę cosinusów (albo na cos⁡3x\cos3x). 2 pkt za alternatywę. 3 pkt za rozwiązanie jednego z równań w przedziale. 4 pkt za x∈{π4, π2, 3π4}x \in \left\{\frac\pi4,\ \frac\pi2,\ \frac{3\pi}4\right\}.

  3. (0–4 pkt) Rozwiąż równanie sin⁡4x+cos⁡4x=58\sin^4x + \cos^4x = \frac58 w przedziale [0, π][0,\,\pi].

    Rozwiązanie i punktacja
    1. Wzór. sin⁡4x+cos⁡4x=1−12sin⁡22x\sin^4x + \cos^4x = 1 - \frac12\sin^22x.
    2. Równanie. 1−12sin⁡22x=581 - \frac12\sin^22x = \frac58, czyli sin⁡22x=34\sin^22x = \frac34.
    3. Alternatywa. sin⁡2x=32\sin2x = \frac{\sqrt3}{2} albo sin⁡2x=−32\sin2x = -\frac{\sqrt3}{2}.
    4. W przedziale. 2x∈[0, 2π]2x \in [0,\,2\pi]: 2x∈{π3, 2π3, 4π3, 5π3}2x \in \left\{\frac\pi3,\ \frac{2\pi}3,\ \frac{4\pi}3,\ \frac{5\pi}3\right\}.
    5. Wynik. x∈{π6, π3, 2π3, 5π6}x \in \left\{\frac\pi6,\ \frac\pi3,\ \frac{2\pi}3,\ \frac{5\pi}6\right\}.

    1 pkt za przekształcenie sin⁡4x+cos⁡4x\sin^4x + \cos^4x do funkcji 2x2x. 2 pkt za alternatywę. 3 pkt za rozwiązania jednego równania. 4 pkt za cztery rozwiązania.

  4. (0–5 pkt) Rozwiąż równanie sin⁡x+sin⁡3x=sin⁡2x\sin x + \sin3x = \sin2x w zbiorze liczb rzeczywistych.

    Rozwiązanie i punktacja
    1. Wzór. sin⁡x+sin⁡3x=2sin⁡2xcos⁡x\sin x + \sin3x = 2\sin2x\cos x.
    2. Iloczyn. 2sin⁡2xcos⁡x−sin⁡2x=sin⁡2x (2cos⁡x−1)=02\sin2x\cos x - \sin2x = \sin2x\,(2\cos x - 1) = 0.
    3. Alternatywa. sin⁡2x=0\sin2x = 0 albo cos⁡x=12\cos x = \frac12.
    4. Pierwsze. x=kπ2x = \frac{k\pi}{2}.
    5. Drugie. x=π3+2kπx = \frac\pi3 + 2k\pi albo x=−π3+2kπx = -\frac\pi3 + 2k\pi, k∈Zk \in \mathbb Z.

    1 pkt za wzór na sumę sinusów. 2 pkt za postać iloczynową. 3 pkt za alternatywę. 4 pkt za rozwiązanie jednego równania. 5 pkt za komplet. Podzielenie przez sin⁡2x\sin2x bez rozpatrzenia sin⁡2x=0\sin2x = 0: co najwyżej 3 pkt.

7 Najczęstsze błędy

„sin⁡(α+β)=sin⁡α+sin⁡β\sin(\alpha + \beta) = \sin\alpha + \sin\beta.”
Funkcje trygonometryczne nie są liniowe. Kontrprzykład: sin⁡(π2+π2)=0\sin\left(\frac\pi2 + \frac\pi2\right) = 0, a sin⁡π2+sin⁡π2=2\sin\frac\pi2 + \sin\frac\pi2 = 2.
„Mogę podzielić przez cos⁡x\cos x.”
Tylko po sprawdzeniu, czy cos⁡x=0\cos x = 0 nie daje rozwiązań. Bezpieczniej wyłączyć czynnik przed nawias i dopisać równanie cos⁡x=0\cos x = 0.
„sin⁡2x=12\sin2x = \frac12, więc x=π12+2kπx = \frac\pi{12} + 2k\pi.”
Okres też się dzieli przez 22: x=π12+kπx = \frac{\pi}{12} + k\pi albo x=5π12+kπx = \frac{5\pi}{12} + k\pi. Zgubiona druga seria i zły okres to dwa osobne błędy.
„cos⁡t=a\cos t = a ma rozwiązania t0t_0 i π−t0\pi - t_0.”
To jest para dla sinusa. Dla cosinusa: ±t0\pm t_0, bo cosinus jest parzysty.
„Podniosę do kwadratu, będzie łatwiej.”
Na przykład sin⁡x+cos⁡x=1\sin x + \cos x = 1 po podniesieniu do kwadratu daje sin⁡2x=0\sin2x = 0, czyli także x=πx = \pi, a sin⁡π+cos⁡π=−1\sin\pi + \cos\pi = -1. Bez sprawdzenia co najwyżej 3 pkt.

8 Sprawdź się

Odpowiedz w myślach, zanim rozwiniesz odpowiedź.

1 Którą postać cos⁡2x\cos2x wybrać w równaniu cos⁡2x=sin⁡x\cos2x = \sin x?

1−2sin⁡2x1 - 2\sin^2x: wtedy wszystko jest w sin⁡x\sin x.

2 Ile rozwiązań ma sin⁡3x=0\sin 3x = 0 w przedziale [0, π][0,\,\pi]?

Cztery: 0, π3, 2π3, π0,\ \frac\pi3,\ \frac{2\pi}3,\ \pi.

3 Na jaki iloczyn zamienia się cos⁡5x−cos⁡x\cos5x - \cos x?

−2sin⁡3xsin⁡2x-2\sin3x\sin2x.

4 Co trzeba zrobić przed podzieleniem równania przez sin⁡x\sin x?

Rozpatrzyć przypadek sin⁡x=0\sin x = 0 i sprawdzić, czy daje rozwiązania.

9 Karta wzorów i co dalej

Wzory

sin⁡(α±β)\sin(\alpha \pm \beta), cos⁡(α±β)\cos(\alpha \pm \beta), sin⁡2α\sin2\alpha, cos⁡2α\cos2\alpha: broszura

sin⁡4+cos⁡4=1−12sin⁡22α\sin^4 + \cos^4 = 1 - \frac12\sin^22\alpha

sin⁡3α=3sin⁡α−4sin⁡3α\sin3\alpha = 3\sin\alpha - 4\sin^3\alpha

Schemat równania

wzór → iloczyn =0= 0 → alternatywa

sin⁡\sin: t0t_0, π−t0\pi - t_0;  cos⁡\ \cos: ±t0\pm t_0;  tg⁡\ \operatorname{tg}: t0+kπt_0 + k\pi

okres serii dzielony przez bb

W broszurze CKE „Wybrane wzory matematyczne” są wzory na funkcje sumy i różnicy kątów (także tangensa), podwojonego kąta oraz na sumy i różnice sinusów i cosinusów. Nie ma wzorów na potrojony kąt ani na sin⁡4+cos⁡4\sin^4 + \cos^4: te trzeba wyprowadzić albo pamiętać.

Dalej: twierdzenie sinusów i rozwiązywanie trójkątów (lekcja 7.5 Twierdzenie sinusów i rozwiązywanie trójkątów).