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高级数学 · 课程

用草图发现遗漏的解

你可以把方程解得完全正确,却在不知不觉中只交了一半的答案。

本页内容
  1. 怎样从草图数出解的个数?
  2. 例题详解
  3. 要留意的错误
  4. 自我检测
  5. 下一步

解三角方程之前或之后,画出指定区间内三角函数的草图,再画出右边数值对应的水平线,然后数交点。交点的个数就是你应有的解的个数。每一道”找出所有解”的题目都会用到,而且这是本课题里最快的自我检查方法。

这项技能与基本角与象限的做法以及代换后被扩大的区间配合使用。这两种方法都能写出一份答案列表,但只有草图能告诉你列表是否完整。

怎样从草图数出解的个数?

  1. 求函数的周期,例如 sin 2x 的周期是 360°/2 = 180°,这用到你学过的周期知识。
  2. 数周期个数:用区间长度除以周期。
  3. 画出直线,代表方程右边。严格介于 −1 和 1 之间的值,每个周期与正弦或余弦相交两次。正切每个 180° 周期与任何值相交一次。
  4. 把预期的个数写在题目旁边,再与你的答案列表对照。

数量不符,就表示有遗漏或多写了,看看哪个周期没有标上交点,就知道问题在哪里。

例题详解

解 sin 2x = 0.6,范围 0° ≤ x ≤ 360°。

第一步,先画草图: sin 2x 的周期是 180°,所以 360° 内有两个周期。直线 y = 0.6 与每个周期相交两次。预期有 4 个解。

第二步,令 u = 2x 求解: u 的区间是 0° ≤ u ≤ 720°。基本角是 sin⁻¹(0.6) = 36.87°。第一个周期:u = 36.87° 和 180° − 36.87° = 143.13°。第二个周期:u = 36.87° + 360° = 396.87° 和 143.13° + 360° = 503.13°。

第三步,换回: x = u/2,所以 x = 18.43°、71.57°、198.43°、251.57°。

答案: x = 18.4°、71.6°、198.4°、251.6°(保留 1 位小数)。

检查: 列表有 4 个值,与草图吻合。代入验证:sin(2 × 71.57°) = sin 143.13° = 0.6。

要留意的错误

常见的失误是找到两个答案就停下,因为基本方法通常就给出两个。

错误答案: x = 18.4° 和 71.6°

学生只解了一次 sin u = 0.6 再除以 2,没有问过有几个周期。区间只覆盖了前一半。

改正的方法是计算前先画出两个波。草图显示有两个波峰,每个都被直线交两次,空着的第二个波峰就指出了遗漏的解。有了草图,四个值的列表就很容易对照图像核实。

自我检测

1. cos 3x = 0.2 在 0° ≤ x ≤ 360° 内有几个解?

查看答案

周期是 360°/3 = 120°,所以 360° 内有 3 个周期。0.2 介于 −1 和 1 之间,每个周期有两个交点:3 × 2 = 6。

6 个解

2. 解 tan 2x = 1,范围 0° ≤ x ≤ 180°。你的草图预测有几个解?

查看答案

tan 2x 的周期是 90°,所以 180° 内有 2 个周期,而正切每个周期取每个值一次:共 2 个解。令 u = 2x,0° ≤ u ≤ 360°。tan u = 1 在 u = 45° 和 225°,所以 x = 22.5° 和 112.5°。

x = 22.5°、112.5°

3. 解 sin(x/2) = 0.8,范围 0° ≤ x ≤ 720°。

查看答案

周期是 720°,只有一个周期:预期 2 个解。令 u = x/2,0° ≤ u ≤ 360°。sin⁻¹(0.8) = 53.13°,所以 u = 53.13° 和 126.87°。然后 x = 2u。

x = 106.3° 和 253.7°

下一步

最后一课把振幅变化与平移分开理解,说明曲线同时被拉伸和抬高时,草图需要包含什么。

之后用综合练习题组检测全部内容。二次函数结构探索器培养的是同样的习惯:用数字核对图像。无计算器运算训练则帮你磨练精确值。

如果你想让老师确认你的草图真的抓出了遗漏的答案,附加数学线上一对一补习是其中一个地方。

常见问题

sin(kx) = c 有几个解?

如果 c 严格介于 −1 和 1 之间,图像每个完整周期有两个解。在 360° 的区间内,sin kx 的图像有 k 个周期,所以预期有 2k 个解。如果 c 恰好是 1 或 −1,则每个周期只有一个解。

草图需要画得很准确吗?

不需要。大致的曲线、在 x 轴上标出周期、再画上水平线就够了。你是在数交点,不是量交点。草图只要波的数量和直线的高度大致正确。

如果解刚好落在区间的端点呢?

若不等式用的是 ≤,而且该值确实满足方程,就要算进去。例如在 0° ≤ x ≤ 360° 内解 tan(x + 45°) = 1,x = 360° 是一个解。请代入端点检验,不要凭图像猜。

更新于:

下一步

如果你很少确定自己是否找齐了所有解,一对一的老师可以教你在计算前先用草图数出应有的答案个数,而且几秒钟就能做到。

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