У посібнику вміщено задачі із параметрами, які для більшості учнів традиційно є завданнями підвищеної складності. Розглядаються тригонометричні рівняння, нерівності та системи рівнянь. Приділено увагу питанням існування коренів рівняння, їх кількості на певному інтервалі. Представлено різні методи й підходи до вирішення завдань з метою найкращої підготовки учнів до ЗНО. Дана добірка матеріалу для самостійного рішення.
Призначено для вчителів математики, керівників гуртків, факультативів та учнів, які прагнуть розширити й поглибити свої знання з математики.
Зміст.
Введення………………………………………………………..5
§1. Тригонометричні рівняння з параметром
1.1 Розв’язування тригонометричних рівнянь…………..7
1.2 Умови існування рішень у рівняння………………..14
1.3 Кількість коренів рівняння…………………………..28
§2. Тригонометричні нерівності з параметрами…………….33
§3. Завдання підвищеної складності…………………...…….38
Список використаної літератури……………….…………….51
Введення.
У посібнику розглядаються розв’язування задач з параметрами, які для абсолютної більшості учнів традиційно є завданнями підвищеної труднощі. Завдання з параметрами відіграють важливу роль у формуванні логічного мислення й математичної культури у школярів, але їхнє рішення викликає у них значні труднощі. Це пов'язано з тим, що кожне рівняння чи нерівність з параметрами являє собою цілий клас звичайних рівнянь і нерівностей, для кожного з них має бути отримано рішення.
Посібник адресовано абітурієнтам, учням старших класів. Однак, починати знайомити учнів шкіл з подібними завданнями потрібно значно раніше - паралельно з відповідними розділами шкільної програми з математики. У запропонованому посібнику розглянуто задачі на рішення, з'ясування умов існування рішень, а також на визначення кількості рішень на певному інтервалі тригонометричних рівнянь, нерівностей і систем.
Мета даного посібника - створення умов для формування знань і умінь, необхідних для вирішення таких завдань, формування цілісного уявлення про методи їх розв’язування, розгляд різних типів завдань, підготовка учнів до випускних іспитів і зовнішнього незалежного оцінювання.
Представлено різні методи й підходи до вирішення завдань з метою найкращої підготовки учнів до ЗНО. Дана добірка матеріалу для самостійної підготовки.
Завдання, що містять параметри є свого роду критерієм засвоєння навчального матеріалу. У шкільному курсі алгебри і початків аналізу такі завдання розглядаються, але у вигляді окремої теми вони виділені тільки для профільних класів, тому у вчителів, які працюють із класами академічного рівня, найчастіше немає можливості приділити їм належної уваги, а учні, які хочуть і повинні знати даний матеріал, – є.
Вирішення представлених в посібнику завдань дозволяє:
Посібник призначений для вчителів математики, керівників математичних гуртків, факультативів та для учнів, які прагнуть розширити й поглибити свої знання з математики.
§1. Тригонометричні рівняння з параметром.
1.1 РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ТРИГОНОМЕТРИЧНИХ РІВНЯНЬ
Вирішити рівняння з параметрами - це означає, що для кожного допустимого значення параметра треба знайти всі рішення даного рівняння. Основний принцип рішення рівняння з параметром полягає в необхідності розгляду різних випадків залежно від значень параметра. Відповідь до рівняння з параметром записується у вигляді переліку проміжків зміни параметра із зазначенням для кожного проміжку рішень рівняння.
Приклад 1.1.01.![]()
Розв’язання.
, к Z
![]()
2) ; ![]()
Якщо , то треба розв’язати рівняння ![]()
Якщо , то треба розв’язати рівняння ![]()
,
![]()
3) Якщо
Рівняння розв’язків не має.
Відповідь: якщо
якщо
якщо ![]()
якщо
то розв’язків не має.
Приклад1.1.02. Розв’яжіть рівняння для всіх значень параметра![]()
.
![]()
Розв’язання.
Застосовуючи формулу різниці косинусів, одержимо![]()
Звідси
. ![]()
.
.
Друге рівняння має рішення, якщо
, або
.
Відповідь. Якщо то
![]()
.
Якщо ![]()
Приклад 1.1.03. Розв’язати рівняння:
Розв’язання.
Так як
то , ![]()
Маємо два випадки.
1. При рівняння не має рішень.
![]()
2. При
маємо рівняння![]()
:
а
.
Так як рівняння має рішення, якщо і ми знаємо, що ![]()
то n може приймати значення ![]()
Рішенням рівняння є
![]()
б)
Так як рівняння має рішення за умови, що
![]()
а і рішення рівняння![]()
Відповідь: Якщо то розв’язків не має;
![]()
якщо |
![]()
при ![]()
Приклад 1.1.04. Розв’язати рівняння:
Розв’язання.
Нехай
тоді рівняння прийме вигляд
Дискримінант рівняння:
Очевидно, що
при
Якщо , то рівняння не має рішень.
![]()
Нехай Тоді ![]()
2+![]()
або
.
Так як
то повинна виконуватись нерівність
![]()
Неважко помітити, що
З′ясуємо, при яких значеннях
виконується нерівність
Ця нерівність рівносильна системі
Тоді
Звідси ![]()
![]()
Усі знайдені значення a належать проміжку
.
Отже,
при
Відповідь.
Якщо або ![]()
то розв’язків немає![]()
![]()
Якщо то ![]()
Приклад 1.1.05. Розв’язати рівняння:
.
Розв’язання.
Помноживши обидві частини рівняння на
, отримаємо
.
Перетворюючи добуток синусів, матимемо
,
тобто
![]()
Звідки
Так як обидві частини рівняння помножили на , то це призвело до розширення області визначення рівняння, а значить могло привести до появи сторонніх коренів. Оберемо із найденої сукупності серій розв’язків такі серії, які являються розв’язками початкового рівняння. Для цього виключимо із найденої сукупності серій розв’язків те значення ![]()
, при яких ![]()
![]()
Ясно, що серії
![]()
спільних значень не мають.
Якщо
тоді ![]()
. Зазначимо далі, що
є розв’язком початкового рівняння лише при значенні
Це означає, що серія
є розв’язком початкового рівняння лише при значеннях
.
Відповідь. Якщо
Якщо
Розв’яжіть самостійно.
Розв’яжіть рівняння для всіх значень параметра.
![]()
Відповідь: якщо , то ![]()
![]()
якщо , ![]()
якщо ![]()
то ![]()
якщо то розв’язків немає.
![]()
Відповідь: якщо
то розв’язків немає;
якщо
Відповідь: якщо
то
якщо
Відповідь: якщо то ![]()
якщо![]()
якщо
якщо , то розв’язків немає.
![]()
Відповідь: якщо | a | ≤
, то
якщо | a | =
, то х =
+πn, n Z
![]()
якщо a | >
, то розв’язків немає.
Відповідь: якщо
то розв’язків немає;
якщо
то
якщо
, то
якщо , то ![]()
якщо
, то
Відповідь: якщо
;
якщо
має розв’язки і розв’яжіть систему.
Відповідь: система має розв’язки тільки при а = 0.
x =
+π(k +n), у =
(k – n), n,k Z.
![]()
1.2. УМОВИ ІСНУВАННЯ РІШЕНЬ.
У цьому параграфі розглянуті рівняння, в яких треба встановити, при яких значеннях параметра а рівняння має рішення або не має їх.
Приклад 1.2.01. При якому значенні параметра а рівняння
не має рішення.
Розв’язання.
Нехай
тоді
Отже,
.
(Можна, записавши рівняння у вигляді
і застосувавши теорему Вієта, отримати
Врахуємо, що
Знаходимо, що рівняння
має корені за умови
![]()
![]()
Рівняння
має корені за умови
![]()
![]()
Таким чином, наше рівняння має розв’язки, якщо
0 2 4 6 х
Тоді воно не має рішень, якщо
.
Відповідь.
.
Приклад 1.2.02. Знайдіть усі значення параметра при кожному з яких рівняння
![]()
має рішення.
Розв’язання.
Введемо нову змінну:
, t∈[0;1]. Тоді дане рівняння приймає вигляд
![]()
Щоб розв’язати квадратне рівняння зі змінною t, знайдемо його дискримінант:
.
![]()
Тоді квадратне рівняння має рішення.
Число не належить проміжку ![]()
таким чином, задане нам тригонометричне рівняння з параметром має рішення за умови
![]()
![]()
Відповідь. Рівняння має рішення при
Приклад 1.2,03. При яких значеннях рівняння
![]()
має рішення?
Розв’язання.
Застосовуючи формулу суми кубів, наведемо рівняння до виду
,
Вказуючи, що
, отримуємо
Замінюючи на ![]()
будемо мати
Так як
то повинна виконуватись нерівність
Звідси,
Відповідь.
Приклад1.2.04 (№35, ЗНО 2011). Знайдіть найменше значення , при якому має розв’язок рівняння
![]()
Розв’язання.
Якщо
тоді
.
Розв’яжемо кожну з нерівностей методом інтервалів:
;
![]()
+ + a
; ![]()
Маємо
Порівняємо від’ємні та додатні корені квадратних тричленів:
.
Можемо розв’язати останню систему:
1 a
![]()
Отже,
.
Найменше значення параметра a , що задовольняє умову задачі дорівнює ![]()
Відповідь.![]()
Приклад 1.2.05.Знайдіть НАЙМЕНШЕ значення параметра а, при якому має розв’язки рівняння:![]()
Розв’язання.
Оскільки
То рівняння набуває вигляду
.
Враховуючи, що для будь-яких х виконується подвійна нерівність
Доходимо висновку, що подане рівняння матиме корені, якщо вираз
набуватиме будь-якого значення з проміжку
.
Розв’яжемо нерівність
. Вона рівносильна системі
![]()
Найменшим з-поміж розв’язків є число -4,5.
Відповідь: -4,5.
Приклад 1.2.06 (№34 ЗНО 2014, додаткова сесія).
Знайдіть найбільше значення параметра a, при якому система рівнянь
має безліч розв’язків.
Розв’язання
Помножимо перше рівняння системи на і віднімемо друге. У результаті дістанемо:
![]()
рівняння перетворюється на неправильні рівності).
З першого рівняння маємо:
Щоб система мала безліч розв’язків здобуті значення
мають задовольняти основну тригонометричну тотожність
.
Отже,
звідки
Умову задачі задовольняє значення – найбільше значення параметра.
![]()
Відповідь: 3.5.
Приклад 1.2.07. Знайдіть усі значення параметра , при яких рівняннях ![]()
не має коренів.
Розв’язання.
![]()
Введемо нову змінну:
, тоді тригонометричне рівняння прийме такий вигляд
![]()
.
Розглянемо функцію
Треба дослідити її на найбільше і найменше значення на відрізку
Знаходимо похідну
Визначаємо критичні точки функції:
Число
не належить проміжку , тому обчислюємо значення функції в точці 0 і на кінцях відрізка: ![]()
;
Значить, при
дане нам рівняння
не має коренів.
Відповідь. Рівняння не має коренів
при р
За даним завданням можуть бути задані наприклад такі питання:
1) При якому найбільшому цілому від'ємному значенні параметра р рівняння не має коренів?
Приклад 1.2.08 . Знайдіть всі значення параметру р, при яких рівняння
має розв’язки.
Розв’язання.
Область визначення для параметра р:
Маємо .
![]()
Застосуємо метод допоміжного аргументу
Поділивши обидві частини рівняння на
, отримаємо
Зауважимо, при цьому у нас коефіцієнти перед синусом і косинусом володіють наступними властивостями:
Зауважимо, що невідому х шукати не треба![]()
.
Тоді
.
Враховуючи, що ця дріб приймає додатні значення, маємо
.
Обидві частини нерівності теж беруть додатні значення. Отже, можна піднести обидві частини в квадрат.
;
Отримаємо,
Відповідь:
Приклад 1.2.09 Знайдіть значення параметру а , при яких рівняння
має рішення.
Розв’язування.
.
Поділимо частини рівняння на
і отримуємо
.;
;
Так як
тоді позначимо
Тоді
, де .
![]()
Відомо що
;
Якщо
, тоді
Відповідь:
Приклад 1.2.10 Знайдіть значення параметру а , при яких рівняння
має рішення.
Розв’язування.
![]()
![]()
.
Якщо
, тоді ![]()
. Наше рівняння приймає вид
.
Розглянемо параболу
.
.
Тоді рівняння
на відрізку
може мати не більш одного кореня.
і
мають різні знаки, отже
Відповідь:
Приклад 1.2.11 Знайдіть значення параметру а , при яких рівняння
має рішення.
Розв’язування.
;
;
Відомо,що
Тоді
;
Якщо
; то
; Отже
З другого рівняння .
![]()
А перше рівняння виконується лише за умови:
Якщо
, то
;
![]()
![]()
Ця рівність неможлива, бо - непарне число, а![]()
-парне.
![]()
Отже, і наше рівняння при жодному значенні параметру не має рішень.
Відповідь:![]()
Розв’яжіть самостійно.
Знайдіть усі значення параметру, при яких рівняннях має розв’язки:
Відповідь:
Відповідь:
3.
. Відповідь:
4.
Відповідь:
5.
.
Відповідь: ![]()
6.
Відповідь:
Знайдіть всі значення параметру, при яких рівняннях не має рішень:
7.
Відповідь:
8.
Відповідь:
1.3 КІЛЬКІСТЬ КОРЕНІВ РІВНЯННЯ.
У цьому пункті розглядатимуться деякі приклади на визначення кількості коренів рівняння. Найбільш часто зустрічаються завдання в яких потрібно визначити значення параметру при якому рівняння має певну кінцеву кількість коренів. Через те що зазвичай тригонометричні рівняння (в силу періодичності тригонометричних функцій) мають цілу серію рішень, то в умові вказується певний проміжок, якому повинні належати корені рівняння.
Приклад 1.3.01При яких значеннях параметра рівняння
![]()
має більш ніж один корінь на проміжку
?
Розв’язання.
Нехай
, тоді
(, враховуючи умову задачі).
![]()
Тоді рівняння набуває вигляду
Тоді рівняння
;
;
Має єдиний корінь
на проміжку
,
що не задовольняє умову задачі.
,
,
За умовою задачі нам потрібно, щоб рівняння мало більше ніж один корінь на інтервалі
, тобто має виконуватися нерівність
Отже, рівняння матиме більше ніж один корінь на проміжку
, за виконання умов:
Звідки маємо:
Відповідь: При
Приклад 1.3.02. Знайдіть усі значення параметра а, при яких рівняння
має шість коренів.
Розв’язання.
Рівняння
рівносильне рівнянню
При
рівняння не має коренів.
При рівняння має два корені.
![]()
Розглянемо рівняння при
.
Графіком рівняння
є півколо з центром у точці О (0;0), радіусом R=
.
Графіком рівняння
є прямі, паралельні осі абсцис. Наприклад,
у
![]()
![]()
![]()
![]()
x
Якщо то рівняння має 5 рішень, а при ![]()
то рішень вже 7.
![]()
Отже, при
рівняння матиме шість коренів.
Відповідь: При ![]()
.
Приклад 1.3.03. При яких значеннях a рівняння
має тільки три кореня на відрізку
Розв’язання.
Виносячи спільний множник, отримаємо рівняння
Нехай спочатку
.
Тоді при
можна отримати три кореня
, лежачих на даному відрізку
Це означає, що другий множник не дорівнює нулю при на цьому відрізку і може перетворитися на нуль при ![]()
Якщо
, то коренями другого множника будуть числа
і хоча б один з них потрапить на відрізок
.
Отже, має бути
звідки отримуємо
![]()
Відповідь:
Розв’яжіть самостійно.
1.При яких значеннях параметра a рівняння
має рівно чотири кореня на відрізку
Відповідь.
.
2. Знайдіть усі значення параметру , при яких рівняння ![]()
має рівно три корені, що належать проміжку
?
Відповідь.![]()
Відповідь.
4. При яких значеннях параметра a рівняння
має на проміжку
не менш 3 коренів?
Відповідь.
§2.Нерівності з параметрами.
Приклад 2.01.При якому найменшому значенні параметру a нерівність
має хоча б єдиний розв’язок?
Розв’язання.
Розглянемо наступні випадки:
Випадок 1: ![]()
Якщо a < –1, то скористаємося наступними нерівностями:
;
.
Додавши ці нерівності, отримаємо, що![]()
,
.
Тому при нерівність не має розв’язків.
![]()
Якщо то, наприклад, число ![]()
є розв’язком: ![]()
.
Відповідь: a = –1.
Розв’язування.
;
.
Скористаємося тотожністю
. Отримаємо
Так як функція монотонно зростає на всій області визначення,то остання нерівність рівносильна системі нерівностей:
![]()
![]()
Треба розглянути питання взаємного розташування на числовій прямій точок ![]()
Отже, остання система має рішення, якщо і тільки якщо:
Тобто,
При нерівність
![]()
має рішення.
Відповідь: ![]()
Приклад 2.03. При всіх значеннях параметра a розв’язати нерівність
.
Розв’язування.
Перетворимо нерівність:
Скористаємося тим, що ліва частина останньої нерівності не перевищує 1, а його права частина завжди не менше, ніж 1. Тому нерівність рівносильна наступній системі рівнянь:
Відповідь: Якщо , то нерівність не має рішень;
![]()
Якщо
.
Приклад 2.04. При яких значеннях параметра a нерівність
має кінцеве додатне число рішень на інтервалі ![]()
Розв’язування.
;
;
;
Розглянемо наступні випадки:
Випадок1: ![]()
Якщо , то нерівність приймає вигляд:
![]()
![]()
Корні рівняння , які входять до інтервалу це: ![]()
![]()
Отже, останнє рівняння має кінцеве додатне число рішень на інтервалі тому ![]()
входить у відповідь завдання.
![]()
Випадок 2: ![]()
Нехай
Отримаємо квадратну нерівність:
Розв’яжемо рівняння
;
Якщо , то ![]()
. Врахуємо, що гілки параболи
спрямовані вниз. Тому рішення квадратного нерівності задаються сукупністю
Випадок 3: ![]()
Нехай
Отримаємо квадратну нерівність:
Якщо , то ![]()
та
Врахуємо, що гілки параболи
спрямовані до верху. Але треба розглянути, два випадки взаємного розташування коренів рівняння.
Маємо ,що при , рішення нерівності ![]()
, тобто
.
Ця нерівність має на інтервалі ) нескінченно багато рішень.
![]()
2) Якщо
, тобто
;
то отримаємо .
![]()
Тоді при , наша нерівність має розв’язок ![]()
,
Ця нерівність рівносильна рівнянню і має кінцеве додатне число рішень на інтервалі ![]()
.
![]()
Відповідь: ![]()
Розв’яжіть самостійно.
1.При яких значеннях параметра нерівність
![]()
має кінцеве додатне число рішень на інтервалі ![]()
Відповідь: ![]()
2.Знайдіть всі значення параметра а, при яких для будь-якого дійсного значення х виконується нерівність
Відповідь:
§3. Завдання підвищеної складності
Приклад. Для кожного значення параметру розв’яжіть рівняння:
![]()
Розв’язування.
;
;
або
Нехай
тоді
(1)
(2)
Якщо то
![]()
або
Отже, якщо то ![]()
При знайдемо рішення систем (1) и (2) і об'єднаємо їхні рішення.
![]()
Введемо функцію
Різні можливі випадки визначаються знаками функції
в точках
, знаком , положенням і значенням екстремуму функції ![]()
.
Маємо:
;
Так як
=
, то екстремум функції знаходиться в точці
і є мінімумом при , максимумом при ![]()
Значення в точці екстремуму
![]()
Рівняння
має два дійсних корні (при ![]()
Порівняємо
.
Знайдемо їх різницю
.
Значить ,
, якщо
і
При ![]()
.
Значення функції
в точках
и в точці екстремуму зміняють знак при значенні : ![]()
![]()
Тому розіб'ємо числову пряму на наступні проміжки:
.
1)Якщо то ![]()
. Від'ємне значення і у точки екстремуму
, тобто не належить проміжку
. А значення в точці екстремуму (сам екстремум) приймає додатні значення
У цьому випадку (мал.1) функція
від'ємна у всіх точках проміжку
. Система не має рішень на даному проміжку.
2)Якщо
, то
. Точка екстремуму - точка мінімуму додатна
і лежить поза проміжку
, а значення в ній від’ємне
Отримуємо, що (мал.2)
від'ємна у всіх точках проміжку
Наша система і для цих значень a не має рішень.
Функція має тільки один корінь на
, а саме
(рис.3). Значить, враховуючи заданий інтервал, функція додатна на
.
Так як якщо
,то значення
змінюється залежно від значення a. Розіб’ємо цей інтервал на два.
Якщо
то
, тобто
.
Якщо то ![]()
, тобто
Якщо ![]()
наша функція додатна на всьому інтервалі ![]()
4) Якщо то ![]()
. Точка мінімуму належить проміжку
, а сам мінімум від’ємний, то на нашому інтервалі функція
додатні значення не приймає.
5) Відзначимо, що при
система не має рішень.
Отже, якщо
, то рішень не має.
.
, то ![]()
II.
Різноманітні можливі випадки визначаються знаками функції
в точках
, знаком и положенням та значенням екстремуму функції ![]()
.
Маємо:
.
Екстремум функції знаходиться в точці
І
.
Значення функції
в точках
и в точці екстремуму змінює знак при таких значеннях : ![]()
![]()
Тому числову пряму розіб’ємо на проміжки:
Функція має тільки один корінь на
, а саме
Отже, враховуючи заданий інтервал, функція від’ємна на
. Якщо то ![]()
. Тоді,
і
.
2)Якщо
, то
. Точка екстремуму - точка максимуму - від’ємна
и належіть проміжку
, а значення в ній додатне
Получаємо, що функція має два корені на
Від’ємна вона, якщо
.
Так я інтервал
містить , то![]()
різні на різних частинах проміжку.
Якщо ![]()
.
Якщо
, то
При функція від’ємна на всьому інтервалі, окрім ![]()
.
Отже,
3) Якщо
, то
Точка максимуму від’ємна и не належить проміжку
. Значення у ній -
. Функція має тільки один корінь на
, а саме
Значить, враховуючи заданий інтервал, функція від’ємна на
.
Так я
, то
і
,
.
4) Якщо , то ![]()
.
,
.
Значить, функція має тільки один корінь на
, а саме
Тоді функція
від’ємна на
.
Якщо то ![]()
.
і
то ![]()
.
,
.
При ![]()
Функція від’ємною не може бути.
5) При , ![]()
.
,
. Значить, функція на нашому інтервалі має еще один корінь
. Вона від’ємна на
Так як
получимо
.
6) Аналогічно получаємо, при
А именно
Отже, ми з’ясували рішення другої системи:
якщо, то ![]()
.
.
, то рішень не має.
![]()
Об’єднаємо отримані рішення двох систем. Маємо:
при
при
при
при
при
;
при , ![]()
.
Додаємо, що при , ![]()
. І звернемося до заміни
.
При
Так як для даних значень![]()
значення ![]()
завжди із проміжку
, то
при
Так як для цих ![]()
, то
( мал.7)
при
при
Так як
, то
при
Так як,
то
при , ![]()
![]()
Маємо:
![]()
;
![]()
при , ![]()
Відповідь:
При ![]()
При![]()
при
при
при
при , ![]()
![]()
;
при , то
![]()
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ.
52