Bài giảng môn học Toán học lớp 11 - Kĩ năng giải phương trình lượng giác

KĨ NĂNG GIẢI PHƯƠNG TRÌNH LƯỢNG GIÁC PHẦN A. MỘT SỐ LƯU Ý KHI GIẢI PHƯƠNG TRÌNH LƯỢNG GIÁC      Trước hết cần nắm được những phương trình lượng giác thường gặp. Trong những phương trình này xin bàn một chút về phương trình đẳng cấp đối với sin và cos.      Với lí do: về dạng này SGK chỉ trình bày cho chúng ta phương trình đẳng cấp bậc hai mà trong các kì thi ta vẫn thấy xuất hiện những phương trình đẳng cấp bậc ba hay cao hơn. Minh chứng là đề thi khối B – 2008    “Giải phương trình : (ĐH Khối B – 2008 ).” Trước hết ta nhớ lại khái niệm biểu thức gọi là đẳng cấp bậc k nếu . Từ đây ta có thể định nghĩa được phương trình đẳng cấp bậc k đối với phương trình chứa sin và cos là phương trình có dạng trong đó:     Ví dụ: là phương trình đẳng cấp bậc bốn . Tuy nhiên ta xét phương trình : mới nhìn ta thấy đây không phải là phương trình đẳng cấp, những các bạn lưu ý là nên ta có thể viết lại phương trình đã cho như sau: , dễ thấy phương trình này là phương trình đẳng cấp bậc 3. Do vậy với phương trình lượng giác thì ta có thể định nghĩa lại khái niệm phương trình đẳng cấp như sau: “Là phương trình có dạng trong đó luỹ thừa của sinx và cosx cùng chẵn hoặc cùng lẻ.” Cách giải: Chia hai vế phương trình cho (k là số mũ cao nhất) ta được phương trình một hàm số là . Ví dụ: Giải các phương trình sau 1) Giải bài thi ĐH Khối B – 2008 nêu trên 2) 3) Những phương trình trên xin dành cho các bạn tự giải (vì đã có phương pháp giải). Bây giờ đi vào cách phân tích để tìm lời giải cho loại phương trình mà chúng ta không ưa gì mấy mà ta thường gọi là phương trình lượng giác không mẫu mực. Không riêng gì phương trình lượng giác không mẫu mực mà đối với mọi phương trình đại số hay phương trình mũ, logarit.. để giải những phương trình này ta phải tìm cách biến đổi phương trình đã có cách giải và một trong những phương pháp ta thường dùng là biến đổi về phương trình tích và đưa về phương trình chỉ chứa một hàm số lượng giác. Ví dụ 1: Giải phương trình : (Trích đề thi ĐH Khối A – 2008  ) Với bài toán này có lẽ khó khăn mà chúng ta gặp phải là đó là sự xuất hiện hai cung và cung . Các bạn lưu ý là ta luốn tính được giá trị đúng các giá trị lượng giác của các cung có dạng trong đó nên điều đầu tiên ta nghĩ tới là sử dụng công thức cộng để phá bỏ hai cung đó Ta có: Nên phương trình đã cho Nhận xét: * Để phá bỏ hai cung mà gây khó khăn cho chúng ta ngoài cách đã nêu ở trên ta có thể làm theo cách khác như sau: . . * Ta thấy sau khi phá bỏ hai cung và cung thì trong phương trình chỉ còn lại một cung duy nhất nên ta dẽ biến đổi hơn. Điều này cũng hoàn toàn tự nhiên thôi phải không các bạn Vậy nguyên tắc thứ nhất là: I. Đưa về cùng một cung. Bây giờ ta vận dụng nguyên tắc này vào giải những phương trình lượng giác có mặt trong các đề thi của những năm gần đây nhé Ví dụ 2: Giải phương trình : ( ĐH Khối D – 2006 ). Lời giải: Vận dụng nguyên tắc trên ta sẽ chuyển hai cung và về cung Áp dụng công thức nhân đôi và nhân ba ta có: Đặt . Ta có: Từ đây các bạn tìm được Chú ý : * Trong SGK không đưa ra công thức nhân ba tuy nhiên các em cũng nên biết công thức này nếu trong lúc khó khăn có thể mang ra sử dụng vì chứng minh nó không mấy khó khăn * Cách giải trên không phải là cách giải duy nhất và cũng không phải là cách giải hay nhất nhưng cách giải đó theo tôi nó tự nhiên và các bạn dẽ tìm ra lời giải nhất. Cách giải ngắn gọn và đẹp nhất đối với phương trình trên là ta biến đổi về phương trình tích như sau PT \Leftrightarrow (cos3x-cosx)-(1-cos2x)=0 \Leftrightarrow-2sin2x.sinx-2sin^2x=0 [/tex] giải phương trình này ta được nghiệm như trên. Ví dụ 3: Giải phương trình : (Dự bị Khối B – 2003 ). Lời giải: Ta chuyển cung về cung Ta có: Nên phương trình đã cho Đặt . Ta có: . Từ đây ta tìm được các nghiệm Chú ý : Vì trong phương trình chỉ chứa lũy thừa bậc chẵn của cos, do đó ta có thể chuyển về cung 2x nhờ công thức hạ bậc và công thức nhân đôi . PT . Ví dụ 4: Giải phương trình : (ĐH Khối D – 2008 ). Lời giải: Trong phương trình chỉ chứa hai cung 2x và x, nên ta chuyển cung 2x về cung x. PT . Tuy nhiên không phải phương trình lượng giác nào ta cũng đưa về được cùng một cung. Chẳng hạn ta xét ví dụ sau:  Ví dụ 5 : Giải phương trình : . Với phương trình này việc đưa về một cung gặp quá nhiều khó khăn, vì trong phương trình xuất hiện bốn cung 2x, 3x, 5x, 6x ! Tuy nhiên giữa các cung này cũng có mối quan hệ nhất định đó là quan hệ hiệu hai cung bằng nhau , hơn nữa hai vế của hai phương trình là tích của hai hàm số lượng giác nên ta nghĩ đến công thức biến đổi tích thành tổng. Thật vậy Phương trình Ví dụ 6 : Giải phương trình . Cũng tương tự như trên vì hai vế của phương trình là tổng của các hàm số lượng giác, hơn nữa ta nhận thấy mỗi vế của phương trình đều chứa ba cung x, 2x, 3x và ba cung này có quan hệ điều này gợi ta nhớ đến công thức biến đổi tổng thành tích. Phương trình Qua hai ví dụ trên tôi muốn đưa ra nguyên tắc thứ hai mà ta thường hay sử dụng là II. Biến đổi tích thành tổng và ngược lại Trong phương trình xuất hiện tích của các hàm số lượng giác sin và cos thì ta có thể biến đổi thành tổng (mục đích là tạo ra những đại lượng giống nhau để thực hiện các phép rút gọn). Nếu xuất hiện tổng thì ta biến đổi về tích (Mục đích làm xuất hiện thừa số chung ), đặc biệt là ta sẽ gép những cặp sao cho tổng hoặc hiệu hai cung bằng nhau. Ví dụ 7 : Giải phương trình (ĐH Khối B – 2002 ). Với phương trình này ta không thể chuyển về một cung, cũng không thể biến đổi tổng thành tích được! Nguyên nhâ mà ta không nghĩ tới đưa về một cung thì quá rõ, còn vì sao mà ta lại không sử dụng biến đổi tổng thành tích được là các hàm số xuất hiện ở hai vế của phương trình đều chứa lũy thừa bậc hai mà công thức biến đổi chỉ áp dụng cho các hàm số có lũy thừa bậc nhất thôi. Điều này dẫ tới ta tìm cách đưa bậc hai về bậc nhất và để thực hiện điều này ta liên tưởng đến công thức hạ bậc. Phương trình . Khi giải phương trình lượng giác ta phải sử dụng các công thức biến đổi lượng giác. Tuy nhiên những công thức này chỉ sử dụng khi hàm số lượng giác có số mũ bằng 1, do đó nếu trong phương trình có số mũ của các hàm số lượng giác là chẵn thì ta có thể hạ bậc để thuận tiện cho việc biến đổi . Vậy nguyên tắc thứ ba:  III. Hạ bậc Ví dụ 8 : Giải phương trình ( ĐH Khối A – 2005 ). Phương trình . Nhận xét: * Ở (1) ta có thể sử dụng công thức nhân ba, thay và chuyển về phương trình trùng phương đối với hàm số lượng giác . * Ta cũng có thể sử dụng các công thức nhân ngay từ đầu, chuyển phương trình đã cho về phương trình chỉ chứa cosx và đặt . Tuy nhiên cách được trình bày ở trên là đẹp hơn cả vì chúng ta chỉ sử dụng công thức hạ bậc và công thức biến đổi tích thành tổng ( Vì công thức nhân ba chúng ta không được học).  Ví dụ 9 : Giải phương trình (ĐH Khối B – 2004 ). Trước hết ta đặt điều kiện cho phương trình Đk: . Phương trình Chú ý : Nếu trong phương trình xuất hiện tan, cot và sin, cos thì ta thay tan, cot bởi sin và cos và lúc đó chúng ta dễ dàng tìm được lời giải hơn. Chú ý khi gặp phương trình chứa tan hay cot, ta nhớ đặt điệu kiện cho phương trình ! Ví dụ 10 : Giải phương trình (ĐH Khối D – 2003 ). Điều kiện : . Phương trình . Trên là một số nguyên tắc chung thường được sự dụng trong các phép biến đổi phương trình lượng giác. Mục đích của các phép biến đổi đó là nhằm : 1. Đưa phương trình ban đầu về phương trình lượng giác thường gặp (Thường là đưa về phương trình đa thức đối với một hàm số lượng giác). Ví dụ 1: Giải phương trình : (ĐH Công Đoàn – 2000). Giải: Điều kiện : Phương trình . Đây là phương trình đẳng cấp bậc ba nên ta chia hai vế của phương trình cho (do ), ta được phương trình : thỏa điều kiện . Nhận xét: Để giải phương trình này ngay từ đầu ta có thể chia hai về của phương trình cho hoặc sử dụng công thức và chuyển phương trình ban đầu về phương trình chỉ chứa hàm tan như trên. Ví dụ 2: Giải phương trình : ( ĐH Khối B – 2003 ). Giải: Điều kiện: Phương trình (do ) . Chú ý : Ta cần lưu ý đến công thức: và . Ví dụ 3: Giải phương trình : (HVBCVT TPHCM – 2001 ). Giải: Ta có Nên phương trình . Chú ý : Ta cần lưu ý đến công thức . . Ví dụ 4: Giải phương trình: (ĐH Khối D – 2005 ). Giải: Ta có: . Nên phương trình . . 2. Đưa phương trình về phương trình dạng tích : Tức là ta biến đổi phương trình về dạng . Khi đó việc giải phương trình ban đầu được quy về giải hai phương trình : . Trong mục đích này, ta cần làm xuất hiện nhân tử chung. Một số lưu ý khi tìm nhân tử chung : * Các biểu thức ; ; ; nên chúng có thừa số chung là . * Các biểu thức có thừa số chung là . * có thừa số chung . Tương tự có thừa số chung . Ví dụ 1: Giải phương trình: (ĐH Khối B – 2005 ). Giải: Phương trình . . Nhận xét: Ngoài cách biến đổi trên, ta có thể biến đổi cách khác như sau Phương trình . Mặc dù hai cách biến đổi trên khác nhau nhưng chúng đều dựa trên nguyên tắc ”đưa về một cung”. Ví dụ 2: Giải phương trình: (Dự bị Khối D – 2003 ). Giải: Đk: . Phương trình . Ví dụ 3: Giải phương trình: . Giải: Đk: Phương trình . Ví dụ 4: Giải phương trình: . Giải: Phương trình ( Lưu ý : ). Nhận xét: Khi sử dụng công thức nhân đôi, ta cần lưu ý là có ba công thức để thay nên tuy từng phương trình mà chúng ta chọn công thức phù hợp. PHẦN B. MỘT SỐ BÀI TẬP RÈN LUYỆN Bài 1. Giải phương trình : 4(sin4x + cos4x ) + sin4x = 2 Bài 2. Giải phương trình : sin2x + (1 + 2cos3x)sinx - 2sin(2x+) = 0 Bài 3. Giải phương trình: . Bài 4. Giải phương trình: , (x Î R) Bài 5. Giải phương trình: Bài 6. Giải phương trình: 2( tanx – sinx ) + 3( cotx – cosx ) + 5 = 0 Bài 7. Giải phương trình: Bài 8. Giải phương trình Bài 9. Giải phương trình Bài 10. Gi¶i ph­¬ng tr×nh: Bài 11. Gi¶i ph­¬ng tr×nh : Bài 11. Giải phương trình : Bài 12. Giải phương trình sau:. Bài 13. Giải phương trình: + 2tan2x + cos2x = 0. Bài 14. Giải phương trình: Bài 15. . Giải phương trình: . Bài 16. Gi¶i ph­¬ng tr×nh Bài 17. Giải phương trình : Bài 18. Giải phương trình : 8sin5x – cos4x.sinx + 4cos2x – 3sinx = 0 Bài 19. Gi¶i ph­¬ng tr×nh: Bài 20. (Khối A-2002) Gi¶i ph­¬ng tr×nh: 5 xÎ Bài 21. Giải phương trình 4sin2()– Bài 22. (Khối D – 2009) Giải phương trình Bài 23. (Khối B – 2009)Giải phương trình : Bài 24. (khối A – 2009) Giải phương trình : Bài 25. Tìm tất cả các giá trị của tham số thực m để hai phương trình sau đây tương đương: và cosx + m.sin2x = 0.