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
Równanie sinx=21 umiemy rozwiązać od razu: dwie serie rozwiązań z okręgu jednostkowego. Równanie sin2x=cosx już nie, bo po obu stronach stoją różne funkcje różnych argumentów. Trzeba je sprowadzić do postaci A⋅B=0, gdzie A i B 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.
Pierwszy: (sin2α+cos2α)2−2sin2αcos2α=1−21(2sinαcosα)2. Dwa pozostałe wyprowadza się z sin(2α+α) i cos(2α+α). W kluczach CKE każdy z nich jest akceptowany jako „właściwy wzór” za pierwszy punkt, ale w arkuszu trzeba umieć go uzasadnić albo obejść.
cos2α=1−2sin2α=1−92=97 (tu znak cosinusa α nie był potrzebny).
Wynik:sin2α=−942, cos2α=97.
Zadania · część 2
3 zadania · ok. 10 min
tgα=2. Oblicz sin2α i cos2α.
Odpowiedź
sin2α=sin2α+cos2α2sinαcosα=1+tg2α2tgα=54.
cos2α=sin2α+cos2αcos2α−sin2α=1+tg2α1−tg2α=−53.
Wynik nie zależy od ćwiartki: α i α+π mają ten sam tangens i te same sin2α, cos2α.
sinxcosx=31. Oblicz sin4x+cos4x.
Odpowiedź
1−2sin2xcos2x=1−2⋅91=97.
Wyprowadź wzór cos3α=4cos3α−3cosα.
Odpowiedź
cos3α=cos2αcosα−sin2αsinα.
=(2cos2α−1)cosα−2sin2αcosα.
=2cos3α−cosα−2(1−cos2α)cosα=4cos3α−3cosα.
3 Równania elementarne
Rozwiązania ogólne (k∈Z)
sint=a, ∣a∣≤1: t=t0+2kπ albo t=π−t0+2kπ, gdzie sint0=a;
cost=a, ∣a∣≤1: t=±t0+2kπ, gdzie cost0=a;
tgt=a: t=t0+kπ, gdzie tgt0=a;
∣a∣>1 w równaniu z sin albo cos: brak rozwiązań.
Gdy argumentem jest bx+c, najpierw rozwiązuje się względem t=bx+c, potem dzieli przez b. Okres serii też się dzieli: b2kπ, nie 2kπ.
Symulacja 1 Wykres y=sin(bx), y=cos(bx) albo y=tg(bx) i prosta y=a. Punkty przecięcia w wybranym przedziale to rozwiązania równania. Zwiększ b i zobacz, jak rośnie liczba rozwiązań: w przedziale długości 2π jest ich zwykle 2b.
Przykład 3.1 Argument złożony, rozwiązania w przedziale
Rozwiąż równanie cos(2x−3π)=21 w przedziale [0,π].
2x−3π=3π+2kπ albo 2x−3π=−3π+2kπ.
x=3π+kπ albo x=kπ.
W [0,π]: z pierwszej serii k=0; z drugiej k=0 i k=1.
Wspólny czynnik po rozpisaniu podwojonego kąta: sin2x−cosx=cosx(2sinx−1).
Suma albo różnica funkcji kątów ax i bx: sin3x+sinx=2sin2xcosx.
Równanie kwadratowe w jednej funkcji: po zamianie cos2x albo cos2x zostaje np. 2t2+3t+1=0 z t=cosx, a to jest iloczyn (2t+1)(t+1).
Nie dziel obu stron przez wyrażenie z x. 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 sin2x=cosx w przedziale [0,2π].
2sinxcosx−cosx=0, więc cosx(2sinx−1)=0.
cosx=0: x=2π albo x=23π.
sinx=21: x=6π albo x=65π.
Wynik:x∈{6π,2π,65π,23π}.
Gdyby podzielić przez cosx, zostałoby tylko sinx=21, czyli dwa rozwiązania z czterech.
Przykład 4.2 Suma sinusów
Rozwiąż równanie sin3x+sinx=0 w przedziale [0,π].
2sin23x+xcos23x−x=2sin2xcosx=0.
sin2x=0: 2x=kπ, x=2kπ, w przedziale 0,2π,π.
cosx=0: x=2π (już jest).
Wynik:x∈{0,2π,π}.
Przykład 4.3 Równanie kwadratowe w cosinusie
Rozwiąż równanie cos2x+3cosx+2=0 w przedziale [0,2π].
cos2x=2cos2x−1: 2cos2x+3cosx+1=0.
t=cosx: 2t2+3t+1=(2t+1)(t+1)=0, czyli t=−21 albo t=−1.
cosx=−21: x=32π albo x=34π; cosx=−1: x=π.
Wynik:x∈{32π,π,34π}.
Przykład 4.4 Dzielenie, które gubi rozwiązania
Rozwiąż równanie 3sin2x=sinxcosx w przedziale [0,π].
Źle: podzielić przez sinx i dostać 3sinx=cosx, czyli tgx=33, x=6π.
Dobrze: sinx(3sinx−cosx)=0.
sinx=0: x=0 albo x=π.
3sinx=cosx: tu cosx=0 (inaczej sinx=0 i cosx=0 jednocześnie), więc wolno podzielić: tgx=33, x=6π.
Wynik:x∈{0,6π,π}.
Zadania · część 4
3 zadania · ok. 15 min
Rozwiąż równanie 2cos2x+3sinx−3=0 w przedziale [0,2π].
Odpowiedź
2(1−sin2x)+3sinx−3=0, czyli 2sin2x−3sinx+1=0.
(2sinx−1)(sinx−1)=0: sinx=21 albo sinx=1.
x∈{6π,2π,65π}.
Rozwiąż równanie sin2x=3cosx w przedziale [−π,π].
Odpowiedź
cosx(2sinx−3)=0.
cosx=0: x=±2π.
sinx=23: x=3π albo x=32π.
x∈{−2π,3π,2π,32π}.
Rozwiąż równanie cosx+cos5x=0 w przedziale [0,2π].
Odpowiedź
2cos3xcos2x=0.
cos3x=0: 3x=2π+kπ, x=6π+3kπ, w przedziale 6π i 2π.
cos2x=0: x=4π+2kπ, w przedziale 4π.
x∈{6π,4π,2π}.
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
Oblicz, korzystając z wzorów na funkcje sumy i różnicy kątów.
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). 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 x 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
(0–3 pkt) Rozwiąż równanie cos2x+sinx=0 w przedziale [0,2π].
Rozwiązanie i punktacja
Wzór.1−2sin2x+sinx=0, czyli 2sin2x−sinx−1=0.
Alternatywa.(2sinx+1)(sinx−1)=0: sinx=−21 albo sinx=1.
W przedziale.sinx=1: 2π; sinx=−21: 67π, 611π.
1 pkt za równanie kwadratowe w sinx. 2 pkt za sinx=−21 lub sinx=1. 3 pkt za x∈{2π,67π,611π}.
(0–4 pkt) Rozwiąż równanie cos3x+cosx=0 w przedziale [0,π].
Rozwiązanie i punktacja
Wzór.2cos2xcosx=0.
Alternatywa.cos2x=0 albo cosx=0.
Pierwsze.2x=2π+kπ, x=4π+2kπ: w przedziale 4π, 43π.
Drugie.x=2π.
1 pkt za zastosowanie wzoru na sumę cosinusów (albo na cos3x). 2 pkt za alternatywę. 3 pkt za rozwiązanie jednego z równań w przedziale. 4 pkt za x∈{4π,2π,43π}.
(0–4 pkt) Rozwiąż równanie sin4x+cos4x=85 w przedziale [0,π].
Rozwiązanie i punktacja
Wzór.sin4x+cos4x=1−21sin22x.
Równanie.1−21sin22x=85, czyli sin22x=43.
Alternatywa.sin2x=23 albo sin2x=−23.
W przedziale.2x∈[0,2π]: 2x∈{3π,32π,34π,35π}.
Wynik.x∈{6π,3π,32π,65π}.
1 pkt za przekształcenie sin4x+cos4x do funkcji 2x. 2 pkt za alternatywę. 3 pkt za rozwiązania jednego równania. 4 pkt za cztery rozwiązania.
(0–5 pkt) Rozwiąż równanie sinx+sin3x=sin2x w zbiorze liczb rzeczywistych.
Rozwiązanie i punktacja
Wzór.sinx+sin3x=2sin2xcosx.
Iloczyn.2sin2xcosx−sin2x=sin2x(2cosx−1)=0.
Alternatywa.sin2x=0 albo cosx=21.
Pierwsze.x=2kπ.
Drugie.x=3π+2kπ albo x=−3π+2kπ, k∈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 sin2x bez rozpatrzenia sin2x=0: co najwyżej 3 pkt.
7 Najczęstsze błędy
„sin(α+β)=sinα+sinβ.”
Funkcje trygonometryczne nie są liniowe. Kontrprzykład: sin(2π+2π)=0, a sin2π+sin2π=2.
„Mogę podzielić przez cosx.”
Tylko po sprawdzeniu, czy cosx=0 nie daje rozwiązań. Bezpieczniej wyłączyć czynnik przed nawias i dopisać równanie cosx=0.
„sin2x=21, więc x=12π+2kπ.”
Okres też się dzieli przez 2: x=12π+kπ albo x=125π+kπ. Zgubiona druga seria i zły okres to dwa osobne błędy.
„cost=a ma rozwiązania t0 i π−t0.”
To jest para dla sinusa. Dla cosinusa: ±t0, bo cosinus jest parzysty.
„Podniosę do kwadratu, będzie łatwiej.”
Na przykład sinx+cosx=1 po podniesieniu do kwadratu daje sin2x=0, czyli także x=π, a sinπ+cosπ=−1. Bez sprawdzenia co najwyżej 3 pkt.
8 Sprawdź się
Odpowiedz w myślach, zanim rozwiniesz odpowiedź.
1 Którą postać cos2x wybrać w równaniu cos2x=sinx?
1−2sin2x: wtedy wszystko jest w sinx.
2 Ile rozwiązań ma sin3x=0 w przedziale [0,π]?
Cztery: 0,3π,32π,π.
3 Na jaki iloczyn zamienia się cos5x−cosx?
−2sin3xsin2x.
4 Co trzeba zrobić przed podzieleniem równania przez sinx?
Rozpatrzyć przypadek sinx=0 i sprawdzić, czy daje rozwiązania.
9 Karta wzorów i co dalej
Wzory
sin(α±β), cos(α±β), sin2α, cos2α: broszura
sin4+cos4=1−21sin22α
sin3α=3sinα−4sin3α
Schemat równania
wzór → iloczyn =0 → alternatywa
sin: t0, π−t0; cos: ±t0; tg: t0+kπ
okres serii dzielony przez b
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 sin4+cos4: te trzeba wyprowadzić albo pamiętać.