Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Phương trình lượng giác đặt ẩn phụ và bậc nhất đối với sin, cos
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em giải được phương trình bậc hai đối với một hàm số lượng giác bằng cách đặt ẩn phụ $t=\sin x$ hoặc $t=\cos x$ (kèm điều kiện $-1\le t\le1$), giải được phương trình dạng $a\sin x+b\cos x=c$ bằng công thức biến đổi về một hàm sin duy nhất, và giải được phương trình đẳng cấp bậc hai đối với sin, cos bằng cách chia cho $\cos^2x$ để đặt $t=\tan x$.
Kiến thức nền cần nhớ
Bài này dùng lại liên tục hai công cụ đã học: công thức nghiệm của $\sin x=a$ và $\cos x=a$ (same-grade bridge, hai bài trước), cùng công thức cộng $\sin(x+\varphi)=\sin x\cos\varphi+\cos x\sin\varphi$ đã học ở Khóa 1. Đây không phải nội dung mới — mà là cách kết hợp hai công cụ cũ để giải những phương trình phức tạp hơn dạng cơ bản.
Khởi động
Phương trình $2\sin^2x-3\sin x+1=0$ trông giống một phương trình bậc hai quen thuộc — chỉ khác ẩn số không phải $x$ mà là $\sin x$. Nếu tạm coi $\sin x$ là một ẩn mới, em có giải được phương trình bậc hai này không?
Kiến thức trọng tâm
Một phương trình chỉ chứa $\sin x$ dưới dạng đa thức bậc hai, ví dụ $A\sin^2x+B\sin x+C=0$, được giải bằng cách đặt $t=\sin x$. Vì $t=\sin x$ nên bắt buộc phải có điều kiện $-1\le t\le1$ — nếu nghiệm $t$ tìm được nằm ngoài đoạn này, ta loại nghiệm đó ngay, không cần giải tiếp phương trình $\sin x=t$. Sau khi tìm được các giá trị $t$ hợp lệ, ta quay lại giải từng phương trình cơ bản $\sin x=t$ đã học ở bài trước — một phương trình bậc hai có thể sinh ra hai, ba, thậm chí bốn họ nghiệm khác nhau về $x$.
Cách làm với $\cos x$ hoàn toàn tương tự: đặt $t=\cos x$, cùng điều kiện $-1\le t\le1$.
Một dạng phương trình khác thường gặp là $a\sin x+b\cos x=c$, với $a,b$ không đồng thời bằng 0. Ta không thể đặt $t=\sin x$ ở đây vì còn thừa $\cos x$ độc lập. Thay vào đó, ta dùng công thức biến đổi $a\sin x+b\cos x=\sqrt{a^2+b^2}\sin(x+\varphi)$, trong đó $\varphi$ là một góc thỏa $\cos\varphi=\dfrac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}$ và $\sin\varphi=\dfrac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}$ — công thức này chính là công thức cộng $\sin(x+\varphi)=\sin x\cos\varphi+\cos x\sin\varphi$ đọc ngược từ Khóa 1. Sau khi biến đổi, phương trình trở thành $\sqrt{a^2+b^2}\sin(x+\varphi)=c$ — đúng dạng $\sin(\cdot)=$ hằng số đã biết cách giải.
Phương trình $a\sin x+b\cos x=c$ có nghiệm khi và chỉ khi $|c|\le\sqrt{a^2+b^2}$, vì $\sin(x+\varphi)$ không thể vượt quá 1 về giá trị tuyệt đối — đúng logic điều kiện có nghiệm của $\sin x=a$ mà em đã quen.
Hình dưới minh họa Ví dụ 1: sau khi đặt $t=\sin x$, hai nghiệm $t=1$ và $t=\dfrac12$ trở thành hai đường thẳng nằm ngang cắt đồ thị $y=\sin x$.
Sau khi giải phương trình bậc hai theo t được t=1 và t=1/2, việc tìm nghiệm x quay lại đúng bài toán quen thuộc: đọc giao điểm của hai đường thẳng nằm ngang với đồ thị sin.
Ví dụ
Giải phương trình $2\sin^2x-3\sin x+1=0$
1
Giải phương trình $2\sin^2x-3\sin x+1=0$.
2
Đặt $t=\sin x$, điều kiện $-1\le t\le1$. Phương trình trở thành $2t^2-3t+1=0$.
3
$\Delta=9-8=1>0$. $t=\dfrac{3\pm1}{4}$, suy ra $t=1$ hoặc $t=\dfrac12$. Cả hai đều thỏa $-1\le t\le1$ (TMĐK).
4
Với $t=1$: $\sin x=1\Rightarrow x=\dfrac{\pi}{2}+k2\pi$. Với $t=\dfrac12$: $\sin x=\dfrac12\Rightarrow x=\dfrac{\pi}{6}+k2\pi$ hoặc $x=\dfrac{5\pi}{6}+k2\pi$.
5
Vậy phương trình có ba họ nghiệm: $x=\dfrac{\pi}{2}+k2\pi$, $x=\dfrac{\pi}{6}+k2\pi$, $x=\dfrac{5\pi}{6}+k2\pi$ ($k\in\mathbb{Z}$).
Ví dụ
Giải phương trình $\sin x+\sqrt3\cos x=1$
1
Giải phương trình $\sin x+\sqrt3\cos x=1$.
2
Ta có $a=1$, $b=\sqrt3$, $\sqrt{a^2+b^2}=\sqrt{1+3}=2$.
3
$\cos\varphi=\dfrac12$, $\sin\varphi=\dfrac{\sqrt3}{2}$, nên chọn $\varphi=\dfrac{\pi}{3}$.
4
$\sin x+\sqrt3\cos x=2\sin\left(x+\dfrac{\pi}{3}\right)$, nên phương trình trở thành $2\sin\left(x+\dfrac{\pi}{3}\right)=1$, tức $\sin\left(x+\dfrac{\pi}{3}\right)=\dfrac12$.
5
$x+\dfrac{\pi}{3}=\dfrac{\pi}{6}+k2\pi$ hoặc $x+\dfrac{\pi}{3}=\dfrac{5\pi}{6}+k2\pi$.
6
Trường hợp 1: $x=\dfrac{\pi}{6}-\dfrac{\pi}{3}+k2\pi=-\dfrac{\pi}{6}+k2\pi$. Trường hợp 2: $x=\dfrac{5\pi}{6}-\dfrac{\pi}{3}+k2\pi=\dfrac{\pi}{2}+k2\pi$.
7
Thay $x=-\dfrac{\pi}{6}$: $\sin\left(-\dfrac{\pi}{6}\right)+\sqrt3\cos\left(-\dfrac{\pi}{6}\right)=-\dfrac12+\sqrt3\cdot\dfrac{\sqrt3}{2}=-\dfrac12+\dfrac32=1$ (TMĐK).
8
Vậy $x=-\dfrac{\pi}{6}+k2\pi$ hoặc $x=\dfrac{\pi}{2}+k2\pi$, $k\in\mathbb{Z}$.
Một điểm cần phân biệt: phương trình bậc hai đối với $\sin x$ chỉ có thể đặt ẩn phụ khi toàn bộ phương trình viết được thuần túy theo $\sin x$ — nếu còn lẫn $\cos x$ độc lập (không phải qua $\cos^2x=1-\sin^2x$), ta phải dùng công thức đó để chuyển $\cos^2x$ về $1-\sin^2x$ trước, rồi mới đặt ẩn phụ được. Đây là kỹ năng sẽ gặp lại trong bài ôn tập cuối chương, khi phương trình pha trộn $\cos2x$ và $\sin x$ đòi hỏi đúng bước biến đổi này trước khi đặt ẩn phụ.
Ví dụ
Giải phương trình $\cos2x+3\cos x+2=0$
1
Giải phương trình $\cos2x+3\cos x+2=0$.
2
Dùng công thức nhân đôi $\cos2x=2\cos^2x-1$ (Khóa 1), phương trình trở thành $2\cos^2x-1+3\cos x+2=0$, tức $2\cos^2x+3\cos x+1=0$.
3
Đặt $t=\cos x$, điều kiện $-1\le t\le1$. Phương trình trở thành $2t^2+3t+1=0$.
4
$\Delta=9-8=1>0$. $t=\dfrac{-3\pm1}{4}$, suy ra $t=-\dfrac12$ hoặc $t=-1$. Cả hai đều thỏa $-1\le t\le1$ (TMĐK).
5
Với $t=-\dfrac12$: $\cos x=-\dfrac12\Rightarrow x=\pm\dfrac{2\pi}{3}+k2\pi$. Với $t=-1$: $\cos x=-1\Rightarrow x=\pi+k2\pi$.
6
Thay $x=\dfrac{2\pi}{3}$: $\cos\dfrac{4\pi}{3}+3\cos\dfrac{2\pi}{3}+2=-\dfrac12+3\left(-\dfrac12\right)+2=-\dfrac12-\dfrac32+2=0$ (TMĐK).
7
Vậy phương trình có nghiệm $x=\pm\dfrac{2\pi}{3}+k2\pi$ hoặc $x=\pi+k2\pi$, $k\in\mathbb{Z}$.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Sai lầm thường gặp
Sai lầm phổ biến là quên điều kiện $-1\le t\le1$ và chấp nhận một nghiệm $t$ nằm ngoài đoạn này (chẳng hạn $t=2$ từ một phương trình bậc hai khác) — nghiệm đó phải bị loại ngay, không được giải tiếp $\sin x=2$. Sai lầm khác là nhầm lẫn vai trò $a,b$ khi tính $\varphi$: $\cos\varphi$ ứng với hệ số của $\sin x$ (là $a$), không phải hệ số của $\cos x$.
Còn một dạng phương trình bậc hai đáng chú ý thứ ba: phương trình đẳng cấp bậc hai đối với $\sin x,\cos x$, dạng $a\sin^2x+b\sin x\cos x+c\cos^2x=0$ — mọi số hạng đều bậc hai, không có số hạng bậc thấp hơn xen giữa. Kỹ thuật xử lý khác hẳn hai kỹ thuật trên: xét trước $\cos x=0$ có là nghiệm không (thường không, vì khi đó $a\sin^2x=0$ kéo theo $\sin x=0$ cũng, mâu thuẫn với $\sin^2x+\cos^2x=1$); sau đó chia cả hai vế cho $\cos^2x\ne0$ để đưa về phương trình bậc hai theo $\tan x$.
Ví dụ
Giải phương trình $\sin^2x-3\sin x\cos x+2\cos^2x=0$
1
Giải phương trình $\sin^2x-3\sin x\cos x+2\cos^2x=0$.
2
Nếu $\cos x=0$ thì phương trình trở thành $\sin^2x=0$, tức $\sin x=0$ — nhưng $\sin x$ và $\cos x$ không thể cùng bằng 0 (vì $\sin^2x+\cos^2x=1$), nên $\cos x=0$ không phải là nghiệm.
3
Vì $\cos x\ne0$ với mọi nghiệm, chia cả hai vế cho $\cos^2x$: $\tan^2x-3\tan x+2=0$.
4
Đặt $t=\tan x$ (không cần điều kiện chặn vì tan nhận mọi giá trị thực). $(t-1)(t-2)=0$, suy ra $t=1$ hoặc $t=2$.
5
Với $t=1$: $\tan x=1\Rightarrow x=\dfrac{\pi}{4}+k\pi$. Với $t=2$: $\tan x=2\Rightarrow x=\arctan2+k\pi$ — vì 2 không phải giá trị tan của một góc đặc biệt, ta để nghiệm dưới dạng $\arctan2$, đúng như quy ước đã học ở bài trước.
6
Vậy phương trình có nghiệm $x=\dfrac{\pi}{4}+k\pi$ hoặc $x=\arctan2+k\pi$, $k\in\mathbb{Z}$.
Ba kỹ thuật của bài này giải quyết ba tình huống khác nhau về mặt cấu trúc: đặt ẩn phụ $t=\sin x$ hoặc $t=\cos x$ dùng khi phương trình chỉ chứa MỘT hàm lượng giác (dù ở bậc hai, ba…); biến đổi biên độ dùng khi phương trình là tổ hợp TUYẾN TÍNH của cả $\sin x$ và $\cos x$ cùng bậc nhất; chia cho $\cos^2x$ để đặt $t=\tan x$ dùng khi phương trình ĐẲNG CẤP bậc hai — mọi số hạng cùng bậc hai theo $\sin x,\cos x$. Nhận diện đúng cấu trúc phương trình trước khi chọn kỹ thuật là bước quan trọng nhất — chọn sai kỹ thuật (ví dụ cố đặt $t=\sin x$ cho một phương trình còn lẫn $\cos x$ độc lập bậc nhất, hoặc quên xét $\cos x=0$ trước khi chia cho $\cos^2x$) sẽ dẫn đến bế tắc hoặc mất nghiệm. Với thời gian và luyện tập đều đặn, việc nhận dạng đúng kỹ thuật ngay từ cái nhìn đầu tiên trở thành phản xạ — đúng như mục tiêu cuối cùng của cả chương này.
Ghi nhớ
Ba kỹ thuật của bài này: đặt ẩn phụ $t=\sin x$ hoặc $t=\cos x$ (kèm điều kiện $-1\le t\le1$) cho phương trình bậc hai theo một hàm; biến đổi biên độ $a\sin x+b\cos x=\sqrt{a^2+b^2}\sin(x+\varphi)$ cho phương trình bậc nhất đối với sin và cos; chia cho $\cos^2x$ để đặt $t=\tan x$ cho phương trình đẳng cấp bậc hai.
Hai chương ôn tập cuối cùng sẽ ghép cả bốn dạng phương trình cơ bản và hai kỹ thuật vừa học vào những đề tổng hợp kiểu đề kiểm tra thật, cùng với việc nhìn lại tính chất của các hàm số lượng giác.
Sau bài này, em giải được phương trình bậc hai đối với một hàm số lượng giác bằng cách đặt ẩn phụ t=sinx hoặc t=cosx (kèm điều kiện −1≤t≤1), giải được phương trình dạng asinx+bcosx=c bằng công thức biến đổi về một hàm sin duy nhất, và giải được phương trình đẳng cấp bậc hai đối với sin, cos bằng cách chia cho cos2x để đặt t=tanx.
Bài này dùng lại liên tục hai công cụ đã học: công thức nghiệm của sinx=a và cosx=a (same-grade bridge, hai bài trước), cùng công thức cộng sin(x+φ)=sinxcosφ+cosxsinφ đã học ở Khóa 1. Đây không phải nội dung mới — mà là cách kết hợp hai công cụ cũ để giải những phương trình phức tạp hơn dạng cơ bản.
Phương trình 2sin2x−3sinx+1=0 trông giống một phương trình bậc hai quen thuộc — chỉ khác ẩn số không phải x mà là sinx. Nếu tạm coi sinx là một ẩn mới, em có giải được phương trình bậc hai này không?
Một phương trình chỉ chứa sinx dưới dạng đa thức bậc hai, ví dụ Asin2x+Bsinx+C=0, được giải bằng cách đặt t=sinx. Vì t=sinx nên bắt buộc phải có điều kiện −1≤t≤1 — nếu nghiệm t tìm được nằm ngoài đoạn này, ta loại nghiệm đó ngay, không cần giải tiếp phương trình sinx=t. Sau khi tìm được các giá trị t hợp lệ, ta quay lại giải từng phương trình cơ bản sinx=t đã học ở bài trước — một phương trình bậc hai có thể sinh ra hai, ba, thậm chí bốn họ nghiệm khác nhau về x.
Cách làm với cosx hoàn toàn tương tự: đặt t=cosx, cùng điều kiện −1≤t≤1.
Một dạng phương trình khác thường gặp là asinx+bcosx=c, với a,b không đồng thời bằng 0. Ta không thể đặt t=sinx ở đây vì còn thừa cosx độc lập. Thay vào đó, ta dùng công thức biến đổi asinx+bcosx=a2+b2sin(x+φ), trong đó φ là một góc thỏa cosφ=a2+b2a và sinφ=a2+b2b — công thức này chính là công thức cộng sin(x+φ)=sinxcosφ+cosxsinφ đọc ngược từ Khóa 1. Sau khi biến đổi, phương trình trở thành a2+b2sin(x+φ)=c — đúng dạng sin(⋅)= hằng số đã biết cách giải.
Phương trình asinx+bcosx=c có nghiệm khi và chỉ khi ∣c∣≤a2+b2, vì sin(x+φ) không thể vượt quá 1 về giá trị tuyệt đối — đúng logic điều kiện có nghiệm của sinx=a mà em đã quen.
Hình dưới minh họa Ví dụ 1: sau khi đặt t=sinx, hai nghiệm t=1 và t=21 trở thành hai đường thẳng nằm ngang cắt đồ thị y=sinx.
Giải phương trình 2sin2x−3sinx+1=0
Giải phương trình 2sin2x−3sinx+1=0.
Đặt t=sinx, điều kiện −1≤t≤1. Phương trình trở thành 2t2−3t+1=0.
Δ=9−8=1>0. t=43±1, suy ra t=1 hoặc t=21. Cả hai đều thỏa −1≤t≤1 (TMĐK).
Với t=1: sinx=1⇒x=2π+k2π. Với t=21: sinx=21⇒x=6π+k2π hoặc x=65π+k2π.
Vậy phương trình có ba họ nghiệm: x=2π+k2π, x=6π+k2π, x=65π+k2π (k∈Z).
Giải phương trình sinx+3cosx=1
Giải phương trình sinx+3cosx=1.
Ta có a=1, b=3, a2+b2=1+3=2.
cosφ=21, sinφ=23, nên chọn φ=3π.
sinx+3cosx=2sin(x+3π), nên phương trình trở thành 2sin(x+3π)=1, tức sin(x+3π)=21.
x+3π=6π+k2π hoặc x+3π=65π+k2π.
Trường hợp 1: x=6π−3π+k2π=−6π+k2π. Trường hợp 2: x=65π−3π+k2π=2π+k2π.
Thay x=−6π: sin(−6π)+3cos(−6π)=−21+3⋅23=−21+23=1 (TMĐK).
Vậy x=−6π+k2π hoặc x=2π+k2π, k∈Z.
Một điểm cần phân biệt: phương trình bậc hai đối với sinx chỉ có thể đặt ẩn phụ khi toàn bộ phương trình viết được thuần túy theo sinx — nếu còn lẫn cosx độc lập (không phải qua cos2x=1−sin2x), ta phải dùng công thức đó để chuyển cos2x về 1−sin2x trước, rồi mới đặt ẩn phụ được. Đây là kỹ năng sẽ gặp lại trong bài ôn tập cuối chương, khi phương trình pha trộn cos2x và sinx đòi hỏi đúng bước biến đổi này trước khi đặt ẩn phụ.
Giải phương trình cos2x+3cosx+2=0
Giải phương trình cos2x+3cosx+2=0.
Dùng công thức nhân đôi cos2x=2cos2x−1 (Khóa 1), phương trình trở thành 2cos2x−1+3cosx+2=0, tức 2cos2x+3cosx+1=0.
Đặt t=cosx, điều kiện −1≤t≤1. Phương trình trở thành 2t2+3t+1=0.
Δ=9−8=1>0. t=4−3±1, suy ra t=−21 hoặc t=−1. Cả hai đều thỏa −1≤t≤1 (TMĐK).
Với t=−21: cosx=−21⇒x=±32π+k2π. Với t=−1: cosx=−1⇒x=π+k2π.
Thay x=32π: cos34π+3cos32π+2=−21+3(−21)+2=−21−23+2=0 (TMĐK).
Vậy phương trình có nghiệm x=±32π+k2π hoặc x=π+k2π, k∈Z.
Sai lầm phổ biến là quên điều kiện −1≤t≤1 và chấp nhận một nghiệm t nằm ngoài đoạn này (chẳng hạn t=2 từ một phương trình bậc hai khác) — nghiệm đó phải bị loại ngay, không được giải tiếp sinx=2. Sai lầm khác là nhầm lẫn vai trò a,b khi tính φ: cosφ ứng với hệ số của sinx (là a), không phải hệ số của cosx.
Còn một dạng phương trình bậc hai đáng chú ý thứ ba: phương trình đẳng cấp bậc hai đối với sinx,cosx, dạng asin2x+bsinxcosx+ccos2x=0 — mọi số hạng đều bậc hai, không có số hạng bậc thấp hơn xen giữa. Kỹ thuật xử lý khác hẳn hai kỹ thuật trên: xét trước cosx=0 có là nghiệm không (thường không, vì khi đó asin2x=0 kéo theo sinx=0 cũng, mâu thuẫn với sin2x+cos2x=1); sau đó chia cả hai vế cho cos2x=0 để đưa về phương trình bậc hai theo tanx.
Giải phương trình sin2x−3sinxcosx+2cos2x=0
Giải phương trình sin2x−3sinxcosx+2cos2x=0.
Nếu cosx=0 thì phương trình trở thành sin2x=0, tức sinx=0 — nhưng sinx và cosx không thể cùng bằng 0 (vì sin2x+cos2x=1), nên cosx=0 không phải là nghiệm.
Vì cosx=0 với mọi nghiệm, chia cả hai vế cho cos2x: tan2x−3tanx+2=0.
Đặt t=tanx (không cần điều kiện chặn vì tan nhận mọi giá trị thực). (t−1)(t−2)=0, suy ra t=1 hoặc t=2.
Với t=1: tanx=1⇒x=4π+kπ. Với t=2: tanx=2⇒x=arctan2+kπ — vì 2 không phải giá trị tan của một góc đặc biệt, ta để nghiệm dưới dạng arctan2, đúng như quy ước đã học ở bài trước.
Vậy phương trình có nghiệm x=4π+kπ hoặc x=arctan2+kπ, k∈Z.
Ba kỹ thuật của bài này giải quyết ba tình huống khác nhau về mặt cấu trúc: đặt ẩn phụ t=sinx hoặc t=cosx dùng khi phương trình chỉ chứa MỘT hàm lượng giác (dù ở bậc hai, ba…); biến đổi biên độ dùng khi phương trình là tổ hợp TUYẾN TÍNH của cả sinx và cosx cùng bậc nhất; chia cho cos2x để đặt t=tanx dùng khi phương trình ĐẲNG CẤP bậc hai — mọi số hạng cùng bậc hai theo sinx,cosx. Nhận diện đúng cấu trúc phương trình trước khi chọn kỹ thuật là bước quan trọng nhất — chọn sai kỹ thuật (ví dụ cố đặt t=sinx cho một phương trình còn lẫn cosx độc lập bậc nhất, hoặc quên xét cosx=0 trước khi chia cho cos2x) sẽ dẫn đến bế tắc hoặc mất nghiệm. Với thời gian và luyện tập đều đặn, việc nhận dạng đúng kỹ thuật ngay từ cái nhìn đầu tiên trở thành phản xạ — đúng như mục tiêu cuối cùng của cả chương này.
Ba kỹ thuật của bài này: đặt ẩn phụ t=sinx hoặc t=cosx (kèm điều kiện −1≤t≤1) cho phương trình bậc hai theo một hàm; biến đổi biên độ asinx+bcosx=a2+b2sin(x+φ) cho phương trình bậc nhất đối với sin và cos; chia cho cos2x để đặt t=tanx cho phương trình đẳng cấp bậc hai.