Решение неравенств онлайн. Алгоритм решения простейших тригонометрических неравенств и распознавание способов решения тригонометрических неравенств

Алгоритм решения простейших тригонометрических неравенств и распознавание способов решения тригонометрических неравенств.

Учителя высшей квалификационной категории:

Ширко Ф.М. п. Прогресс, МОБУ-СОШ №6

Санкина Л.С. г. Армавир, ЧОУ СОШ «Новый путь»

Не существует универсальных приемов преподавания дисциплин естественно-математического цикла. Каждый учитель находит свои, приемлемые только для него способы преподавания.

Наш многолетний опыт преподавания показывает, что учащиеся легче усваивают материал, требующий концентрации внимания и сохранения в памяти большого объема информации, если они научены использовать в своей деятельности алгоритмы на начальной стадии обучения сложной темы. Такой темой на наш взгляд, является тема решение тригонометрических неравенств.

Итак, перед тем, как мы приступим с учащимися к выявлению приемов и способов решения тригонометрических неравенств, отрабатываем и закрепляем алгоритм решения простейших тригонометрических неравенств.

Алгоритм решения простейших тригонометрических неравенств

Отмечаем на соответствующей оси точки (для sin x – ось ОУ, для cos x – ось ОХ )

Восстанавливаем перпендикуляр к оси, который пересечет окружность в двух точках.

Первой на окружности подписываем точку, которая принадлежит промежутку области значений аркфункции по определению.

Начиная от подписанной точки, заштриховываем дугу окружности, соответствующую заштрихованной части оси.

Обращаем особое внимание на направление обхода. Если обход совершается по часовой стрелке (т.е. присутствует переход через 0), то вторая точка на окружности будет отрицательной, если против часовой стрелки – положительной.

Записываем ответ в виде промежутка с учетом периодичности функции.

Рассмотрим работу алгоритма на примерах.

1) sin ≥ 1/2;

Решение:

Изображаем единичную окружность.;

Отмечаем на оси ОУ точку ½.

Восстанавливаем перпендикуляр к оси,

который пересечет окружность в двух точках.

По определению арксинуса первой отмечаем

точку π/6.

Заштриховываем ту часть оси, которая соответствует

данному неравенству, выше точки ½.

Заштриховываем дугу окружности, соответствующую заштрихованной части оси.

Обход совершается против часовой стрелки, получили точку 5π/6.

Записываем ответ в виде промежутка с учетом периодичности функции;

Ответ: x ;[π/6 + 2πn , 5π/6 + 2πn ], n  Z.

Простейшее неравенство решается по тому же алгоритму, если в записи ответа нет табличного значения.

Учащиеся, на первых уроках решая неравенства у доски, проговаривают каждый шаг алгоритма вслух.

2) 5 cos x – 1 ≥ 0;

Решение: у

5 cos x – 1 ≥ 0;

cos x ≥ 1/5;

Изображаем единичную окружность.

Отмечаем на оси ОХ точку с координатой 1/5.

Восстанавливаем перпендикуляр к оси, который

пересечет окружность в двух точках.

Первой на окружности подписываем точку, которая принадлежит промежутку области значений арккосинуса по определению (0;π).

Заштриховываем ту часть оси, которая соответствует данному неравенству.

Начиная от подписанной точки arccos 1/5, заштриховываем дугу окружности, соответствующую заштрихованной части оси.

Обход совершается по часовой стрелке (т.е. присутствует переход через 0), значит, вторая точка на окружности будет отрицательной -arccos 1/5.

Записываем ответ в виде промежутка с учетом периодичности функции, от меньшего значения к большему.

Ответ: x  [-arccos 1/5 + 2πn , arccos 1/5 + 2πn ], n  Z.

Совершенствованию умения решать тригонометрические неравенства способствуют вопросы: «Каким способом будем решать группу неравенств?»; «Чем одно неравенство отличается от другого?»; «Чем одно неравенство похоже на другое?»; Как изменился бы ответ, если было дано строгое неравенство?»; Как изменился бы ответ, если было вместо знака «» стоял знак «

Задание на анализ списка неравенств с позиций способов их решения позволяет отработать их распознавание.

Учащимся предлагаются неравенства, которые необходимо решить на уроке.

Вопрос: Выделите неравенства, которые требуют применения равносильных преобразований при сведении тригонометрического неравенства к простейшему?

Ответ 1, 3, 5.

Вопрос: Назовите неравенства, в которых требуется рассмотреть сложный аргумент как простой?

Ответ: 1, 2, 3, 5, 6.

Вопрос: Назовите неравенства, где можно применить тригонометрические формулы?

Ответ: 2, 3, 6.

Вопрос: Назовите неравенства, где можно применить метод введения новой переменной?

Ответ: 6.

Задание на анализ списка неравенств с позиций способов их решения позволяет отработать их распознавание. При формировании умений важно выделять этапы его выполнения и формулировать их в общем виде, что и представлено в алгоритме решения простейших тригонометрических неравенств.

МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИХ НЕРАВЕНСТВ

Актуальность. Исторически сложилось, что тригонометрическим уравнениям и неравенствам уделялось особое место в школьном курсе. Можно сказать, что тригонометрия является одним из важнейших разделов школьного курса и всей математической науки в целом.

Тригонометрические уравнения и неравенства занимают одно из центральных мест в курсе математики средней школы, как по содержанию учебного материала, так и по способам учебно-познавательной деятельности, которые могут и должны быть сформированы при их изучении и применены к решению большого числа задач теоретического и прикладного характера.

Решение тригонометрических уравнений и неравенств создаёт предпосылки для систематизации знаний учащихся, связанных со всем учебным материалом по тригонометрии (например, свойства тригонометрических функций, приёмы преобразования тригонометрических выражений и т.д.) и даёт возможность установить действенные связи с изученным материалом по алгебре (уравнения, равносильность уравнений, неравенства, тождественные преобразования алгебраических выражений и т.д.).

Иначе говоря, рассмотрение приёмов решения тригонометрических уравнений и неравенств предполагает своего рода перенос этих умений на новое содержание.

Значимость теории и ее многочисленные применения являются доказательством актуальности выбранной темы. Это в свою очередь позволяет определить цели, задачи и предмет исследования курсовой работы.

Цель исследования: обобщить имеющиеся типы тригонометрических неравенств, основные и специальные методы их решения, подобрать комплекс задач для решения тригонометрических неравенств школьниками.

Задачи исследования:

1. На основе анализа имеющейся литературы по теме исследования систематизировать материал.

2. Привести комплекс заданий, необходимый для закрепления темы «Тригонометрические неравенства».

Объектом исследования являются тригонометрические неравенства в школьном курсе математики.

Предмет исследования: типы тригонометрических неравенств и методы их решения.

Теоретическая значимость заключается в систематизации материала.

Практическая значимость: применение теоретических знаний в решении задач; разбор основных часто встречающихся методов решений тригонометрических неравенств.

Методы исследования : анализ научной литературы, синтез и обобщение полученных знаний, анализ решения заданий, поиск оптимального методов решения неравенств.

§1. Типы тригонометрических неравенств и основные методы их решения

1.1. Простейшие тригонометрические неравенства

Два тригонометрических выражения, соединённые между собой знаком или >, называются тригонометрическими неравенствами.

Решить тригонометрическое неравенство – это значит, найти множество значений неизвестных, входящих в неравенство, при которых неравенство выполняется.

Основная часть тригонометрических неравенств решается сведением их к решению простейших:

Это может быть метод разложения на множители, замены переменного (
,
и т.д.), где сначала решается обычное неравенство, а затем неравенство вида
и т.д., или другие способы.

Простейшие неравенства решаются двумя способами: с помощью единичной окружности или графически.

Пусть f(х  – одна из основных тригонометрических функций. Для решения неравенства
достаточно найти его решение на одном периоде, т.е. на любом отрезке, длина которого равна периоду функции f  x  . Тогда решением исходного неравенства будут все найденные x , а также те значения, которые отличаются от найденных на любое целое число периодов функции. При этом удобно использовать графический метод.

Приведем пример алгоритма решения неравенств
(
) и
.

Алгоритм решения неравенства
(
).

1. Сформулируйте определение синуса числа x на единичной окружности.

3. На оси ординат отметьте точку с координатой a .

4. Через данную точку проведите прямую, параллельную оси OX, и отметьте точки пересечения ее с окружностью.

5. Выделите дугу окружности, все точки которой имеют ординату, меньшую a .

6. Укажите направление обхода (против часовой стрелки) и запишите ответ, добавив к концам промежутка период функции 2πn ,
.

Алгоритм решения неравенства
.

1. Сформулируйте определение тангенса числа x на единичной окружности.

2. Нарисуйте единичную окружность.

3. Проведите линию тангенсов и на ней отметьте точку с ординатой a .

4. Соедините данную точку с началом координат и отметьте точку пересечения полученного отрезка с единичной окружностью.

5. Выделите дугу окружности, все точки которой имеют на линии тангенсов ординату, меньшую a .

6. Укажите направление обхода и запишите ответ с учетом области определения функции, добавив период πn ,
(число, стоящее в записи слева, всегда меньше числа, стоящего справа).

Графическая интерпретация решений простейших уравнений и формулы решения неравенств в общем виде указаны в приложении (Приложения 1 и 2).

Пример 1. Решите неравенство
.

На единичной окружности проводим прямую
, которая пересекает окружность в точках A и B.

Все значения y на промежутке NM больше , все точки дуги AMB удовлетворяют данному неравенству. При всех углах поворота, больших , но меньших ,
будет принимать значения больше (но не больше единицы).

Рис.1

Таким образом, решением неравенства будут все значения на интервале
, т.е.
. Для того, чтобы получить все решения данного неравенства, достаточно к концам этого промежутка прибавить
, где
, т.е.
,
. Заметим, что значения
и
являются корнями уравнения
,

т.е.
;
.

Ответ:
,
.

1.2. Графический метод

На практике довольно часто оказывается полезным графический метод решения тригонометрических неравенств. Рассмотрим сущность метода на примере неравенства
:

1. Если аргумент – сложный (отличен от х ), то заменяем его на t .

2. Строим в одной координатной плоскости tOy графики функций
и
.

3. Находим такие две соседние точки пересечения графиков , между которыми синусоида располагается выше прямой
. Находим абсциссы этих точек.

4. Записываем двойное неравенство для аргумента t , учитывая период косинуса (t будет между найденными абсциссами).

5. Делаем обратную замену (возвращаемся к первоначальному аргументу) и выражаем значение х из двойного неравенства, записываем ответ в виде числового промежутка.

Пример 2. Решить неравенство: .

При решении неравенств графическим методом необходимо как можно более точно построить графики функций. Преобразуем неравенство к виду:

Построим в одной системе координат графики функций
и
(рис. 2).

Рис.2

Графики функций пересекаются в точке А с координатами
;
. На промежутке
точки графика
ниже точек графика
. А при
значения функции совпадают. Поэтому
при
.

Ответ:
.

1.3. Алгебраический метод

Довольно часто исходное тригонометрическое неравенство путем удачно выбранной подстановки удается свести к алгебраическому (рациональному или иррациональному) неравенству. Данный метод подразумевает преобразование неравенства, введение подстановки или замену переменной.

Рассмотрим на конкретных примерах применение этого метода.

Пример 3. Приведение к простейшему виду
.

(рис. 3)

Рис.3

,
.

Ответ:
,

Пример 4. Решить неравенство:

ОДЗ:
,
.

Используя формулы:
,

запишем неравенство в виде:
.

Или, полагая
после несложных преобразований получим

,

,

.

Решая последнее неравенство методом интервалов, получаем:

Рис.4

, соответственно
. Тогда из рис. 4 следует
, где
.

Рис.5

Ответ:
,
.

1.4. Метод интервалов

Общая схема решения тригонометрических неравенств методом интервалов:

С помощью тригонометрических формул разложить на множители.

Найти точки разрыва и нули функции, поставить их на окружность.

Взять любую точку К (но не найденную ранее) и выяснить знак произведения. Если произведение положительно, то поставить точку за единичной окружностью на луче, соответствующему углу. Иначе точку поставить внутри окружности.

Если точка встречается четное число раз, назовем ее точкой четной кратности, если нечетное число раз – точкой нечетной кратности. Провести дуги следующим образом: начать с точки К , если следующая точка нечетной кратности, то дуга пересекает окружность в этой точке, если же точка четной кратности, то не пересекает.

Дуги за окружностью – положительные промежутки; внутри окружности – отрицательные промежутки.

Пример 5. Решить неравенство

,
.

Точки первой серии:
.

Точки второй серии:
.

Каждая точка встречается нечетное число раз, то есть все точки нечетной кратности.

Выясним знак произведения при
: . Отметим все точки на единичной окружности (рис.6):

Рис. 6

Ответ:
,
;
,
;
,
.

Пример 6 . Решите неравенство .

Решение:

Найдём нули выражения .

Получ ae м :

,
;

,
;

,
;

,
;

На единичной окружности значения серии х 1 пред­ставлены точками
. Серия х 2 дает точки
. Из серии х 3 получаем две точ­ки
. Наконец, серию х 4 будут представлять точки
. Нанесем все эти точки на еди­ничную окружность, указав в скобках рядом с каждой из них ее кратность.

Пусть теперь число будет равным. Делаем прикидку по знаку:

Значит, точку A следует выбрать на луче, образую­щем угол с лучом Ох, вне единичной окружности. (Заметим, что вспомогательный луч О A совсем не обя­зательно изображать на рисунке. Точка A выбирается приблизительно.)

Теперь от точки A ведем волнообраз­ную непрерывную линию последовательно ко всем отме­ченным точкам. Причем в точках
наша линия переходит из одной области в другую: если она находилась вне единичной окружности, то переходит внутрь нее. Подойдя к точке , линия возвращается во внутреннюю область, так как кратность этой точки четная. Аналогично в точке (с четной кратностью) линию приходится повернуть во внешнюю область. Итак, начертили некую картинку, изображенную на рис. 7. Она помогает выделить на единичной окружности искомые области. Они обозначены знаком « + ».

Рис.7

Окончательный ответ:

Примечание. Если волнообразную линию после обхода ею всех отмеченных на единичной окружности точек не удается вернуть в точку A , не пересекая окружность в «незаконном» месте, то это означает, что в решении допущена ошибка, а именно пропущено нечетное коли­чество корней.

Ответ : .

§2. Комплекс задач по решению тригонометрических неравенств

В процессе формирования у школьников умений решать тригонометрические неравенства, также можно выделить 3 этапа.

1. подготовительный,

2. формирование умений решать простейшие тригонометрические неравенства;

3. введение тригонометрических неравенств других видов.

Цель подготовительного этапа состоит в том, что необходимо сформировать у школьников умение использовать тригонометрический круг или график для решения неравенств, а именно:

Умения решать простейшие неравенства вида
,
,
,
, с помощью свойств функций синус и косинус;

Умения составлять двойные неравенства для дуг числовой окружности или для дуг графиков функций;

Умения выполнять различные преобразования тригонометрических выражений.

Реализовать этот этап рекомендуется в процессе систематизации знаний школьников о свойствах тригонометрических функций. Основным средством могут служить задания, предлагаемые учащимся и выполняемые либо под руководством учителя, либо самостоятельно, а так же навыки наработанные при решении тригонометрических уравнений.

Приведем примеры таких заданий:

1 . Отметьте на единичной окружности точку , если

.

2. В какой четверти координатной плоскости расположена точка , если равно:

3. Отметьте на тригонометрической окружности точки , если:

4. Приведите выражение к тригонометрическим функциям I четверти.

а)
, б)
, в)

5. Дана дуга МР. М – середина I -ой четверти, Р – середина II -ой четверти. Ограничить значение переменной t для: (составить двойное неравенство) а) дуги МР; б) дуги РМ.

6. Записать двойное неравенство для выделенных участков графика:

Рис. 1

7. Решите неравенства
,
,
,
.

8. Преобразовать выражение .

На втором этапе обучения решению тригонометрических неравенств можно предложить следующие рекомендации, связанные с методикой организации деятельности учащихся. При этом нужно ориентироваться на уже имеющиеся у учащихся умения работать с тригонометрической окружностью или графиком, сформированные во время решения простейших тригонометрических уравнений.

Во-первых, мотивировать целесообразность получения общего приема решения простейших тригонометрических неравенств можно, обратившись, например, к неравенству вида
. Используя знания и умения, приобретенные на подготовительном этапе, учащиеся приведут предложенное неравенство к виду
, но могут затрудниться в нахождении множества решений полученного неравенства, т.к. только лишь используя свойства функции синус решить его невозможно. Этого затруднения можно избежать, если обратиться к соответствующей иллюстрации (решение уравнения графически или с помощью единичной окружности).

Во-вторых, учитель должен обратить внимание учащихся на различные способы выполнения задания, дать соответствующий образец решения неравенства и графическим способом и с помощью тригонометрического круга.

Рассмотрим такие варианты решения неравенства
.

1. Решение неравенства с помощью единичной окружности.

На первом занятии по решению тригонометрических неравенств предложим учащимся подробный алгоритм решения, который в пошаговом представлении отражает все основные умения, необходимые для решения неравенства.

Шаг 1. Начертим единичную окружность, отметим на оси ординат точку и проведем через нее прямую, параллельную оси абсцисс. Эта прямая пересечет единичную окружность в двух точках. Каждая из этих точек изображает числа, синус которых равен .

Шаг 2. Эта прямая разделила окружность на две дуги. Выделим ту из них, на которой изображаются числа, имеющие синус больший, чем . Естественно, эта дуга расположена выше проведенной прямой.

Рис. 2

Шаг 3. Выберем один из концов отмеченной дуги. Запишем одно из чисел, которое изображается этой точкой единичной окружности .

Шаг 4. Для того чтобы выбрать число, соответствующее второму концу выделенной дуги, "пройдем" по этой дуге из названного конца к другому. При этом напомним, что при движении против часовой стрелки числа, которые мы будем проходить, увеличиваются (при движении в противоположном направлении числа уменьшались бы). Запишем число, которое изображается на единичной окружности вторым концом отмеченной дуги .

Таким образом, мы видим, что неравенству
удовлетворяют числа, для которых справедливо неравенство
. Мы решили неравенство для чисел, расположенных на одном периоде функции синус. Поэтому все решения неравенства могут быть записаны в виде

Учащимся нужно предложить внимательно рассмотреть рисунок и разобраться, почему все решения неравенства
могут быть записаны в виде
,
.

Рис. 3

Необходимо обратить внимание учащихся на то, что при решении неравенств для функции косинус, прямую проводим параллельно оси ординат.

Графический способ решения неравенства.

Строим графики
и
, учитывая, что
.

Рис. 4

Затем записываем уравнение
и его решение
,
,
, найденное с помощью формул
,
,
.

(Придавая n значения 0, 1, 2, находим три корня составленного уравнения). Значения
являются тремя последовательными абсциссами точек пересечения графиков
и
. Очевидно, что всегда на интервале
выполняется неравенство
, а на интервале
– неравенство
. Нас интересует первый случай, и тогда добавив к концам этого промежутка число, кратное периоду синуса, получим решение неравенства
в виде:
,
.

Рис. 5

Подведём итог. Чтобы решить неравенство
, надо составить соответствующее уравнение и решить его. Из полученной формулы найти корни и , и записать ответ неравенства в виде: ,
.

В-третьих, факт о множестве корней соответствующего тригонометрического неравенства очень наглядно подтверждается при решении его графическим способом.

Рис. 6

Необходимо продемонстрировать учащимся, что виток, который является решением неравенства, повторяется через один и тот же промежуток, равный периоду тригонометрической функции. Так же можно рассмотреть аналогичную иллюстрацию для графика функции синус.

В-четвертых, целесообразно провести работу по актуализации у учащихся приемов преобразования суммы (разности) тригонометрических функций в произведение, обратить внимание школьников на роль этих приемов при решении тригонометрических неравенств.

Организовать такую работу можно через самостоятельное выполнение учащимися предложенных учителем заданий, среди которых выделим следующие:

В-пятых, от учащихся необходимо требовать обязательной иллюстрации решения каждого простейшего тригонометрического неравенства с помощью графика или тригонометрического круга. Обязательно следует обратить внимание на ее целесообразность, в особенности на применение круга, так как при решении тригонометрических неравенств соответствующая иллюстрация служит очень удобным средством фиксации множества решений данного неравенства

Знакомство учащихся с приемами решения тригонометрических неравенств, не являющихся простейшими, целесообразно осуществлять по следующей схеме: обращение к конкретному тригонометрическому неравенству обращение к соответствующему тригонометрическому уравнению совместный поиск (учитель – учащиеся) приема решения самостоятельный перенос найденного приема на другие неравенства этого же вида.

Чтобы систематизировать знания учащихся о тригонометрии, рекомендуем специально подобрать такие неравенства, решение которых требует различных преобразований, которые могут быть реализованы в процессе его решения, акцентировать внимание учащихся на их особенностях.

В качестве таких продуктивных неравенств можно предложить, например, следующие:

В заключение приведем пример комплекса задач по решению тригонометрических неравенств.

1. Решите неравенства:

а)
, удовлетворяющие условию
;

б)
, удовлетворяющие условию
.

5. Найдите все решения неравенств:

а) ;

б) ;

в)
;

г)
;

д)
.

6. Решите неравенства:

а) ;

б) ;

в) ;

г)
;

д) ;

е) ;

ж)
.

7. Решите неравенства:

а)
;

б) ;

в) ;

г) .

8. Решите неравенства:

а) ;

б) ;

в) ;

г)
;

д)
;

е) ;

ж)
;

з) .

Задания 6 и 7 целесообразно предложить ученикам, изучающим математику на повышенном уровне, задание 8 – учащимся классов с углубленным изучением математики.

§3. Специальные методы решения тригонометрических неравенств

Специальные методы решения тригонометрических уравнений – то есть те методы, которые можно использовать только для решения тригонометрических уравнений. Эти методы основаны на использовании свойств тригонометрических функций, а также на использовании различных тригонометрических формул и тождеств.

3.1. Метод секторов

Рассмотрим метод секторов для решения тригонометрических неравенств. Решение неравенств вида

, где P ( x ) и Q ( x ) – рациональные тригонометрические функции (синусы, косинусы, тангенсы и котангенсы входят в них рационально), аналогично решению рациональных неравенств. Рациональные неравенства удобно решать методом интервалов на числовой оси. Его аналогом при решении рациональных тригонометрических неравенств является метод секторов в тригонометрическом круге, для sinx и cosx (
) или тригонометрическом полукруге для tgx и ctgx (
).

В методе интервалов каждому линейному множителю числителя и знаменателя вида
на числовой оси соответствует точка , и при переходе через эту точку
меняет знак. В методе секторов каждому множителю вида
, где
- одна из функций sinx или cosx и
, в тригонометрическом круге соответствуют два угла и
, которые делят круг на два сектора. При переходе через и функция
меняет знак.

Необходимо помнить следующее:

а) Множители вида
и
, где
, сохраняют знак для всех значений . Такие множители числителя и знаменателя отбрасывают, изменяя (если
) при каждом таком отбрасывании знак неравенства на противоположный.

б) Множители вида
и
также отбрасываются. При этом, если это множители знаменателя, то в эквивалентную систему неравенств добавляются неравенства вида
и
. Если это множители числителя, то в эквивалентной системе ограничений им соответствуют неравенства
и
в случае строгого исходного неравенства, и равенства
и
в случае нестрогого исходного неравенства. При отбрасывании множителя
или
знак неравенства изменяется на противоположный.

Пример 1. Решить неравенства: а)
, б)
. имеем функция, б) . Решить неравенство Имеем,

3.2. Метод концентрических окружностей

Данный метод является аналогом метода параллельных числовых осей при решении систем рациональных неравенств.

Рассмотрим пример системы неравенств.

Пример 5. Решить систему простейших тригонометрических неравенств

Сначала решим каждое неравенство отдельно (рисунок 5). В правом верхнем углу рисунка будем указывать для какого аргумента рассматривается тригонометрическая окружность.

Рис.5

Далее строим систему концентрических окружностей для аргумента х . Рисуем окружность и заштриховываем ее согласно решению первого неравенства, затем рисуем окружность большего радиуса и заштриховываем ее согласно решению второго, далее строим окружность для третьего неравенства и базовую окружность. Из центра системы через концы дуг проводим лучи так, чтобы они пересекали все окружности. На базовой окружности формируем решение (рисунок 6).

Рис.6

Ответ:
,
.

Заключение

Все задачи курсового исследования были выполнены. Систематизирован теоретический материал: приведены основные типы тригонометрических неравенств и основные методы их решения (графический, алгебраический, метод интервалов, секторов и метод концентрических окружностей). К каждому методы был приведен пример решения неравенства. За теоретической частью следовала практическая. В ней составлен комплекс заданий по решению тригонометрических неравенств.

Данная курсовая может быть использована учащимися для самостоятельной работы. Школьники могут проконтролировать уровень усвоения данной темы, потренироваться в выполнении заданий различной сложности.

Проработав соответствующую литературу по данному вопросу, очевидно, можно сделать вывод о том, что умение и навыки решать тригонометрические неравенства в школьном курсе алгебры и начал анализа являются очень важными, развитие которых требует значительных усилий со стороны учителя математики.

Поэтому данная работа будет полезна учителям математики, так как дает возможность эффективно организовать подготовку учащихся по теме «Тригонометрические неравенства».

Исследование можно продолжить, расширив его до выпускной квалификационной работы .

Список использованной литературы

Богомолов, Н.В. Сборник задач по математике [Текст] / Н.В. Богомолов. – М.: Дрофа, 2009. – 206 с.

Выгодский, М.Я. Справочник по элементарной математике [Текст] / М.Я. Выгодский. – М.: Дрофа, 2006. – 509 с.

Журбенко, Л.Н. Математика в примерах и задачах [Текст] / Л.Н. Журбенко. – М.: Инфра-М, 2009. – 373 с.

Иванов, О.А. Элементарная математика для школьников, студентов и преподавателей [Текст] / О.А. Иванов. – М.: МЦНМО, 2009. – 384 с.

Карп, А.П. Задания по алгебре и началам анализа для организации итогового повторения и проведения аттестации в 11 классе [Текст] / А.П. Карп. – М.: Просвещение, 2005. – 79 с.

Куланин, Е.Д. 3000 конкурсных задач по математике [Текст] / Е.Д. Куланин. – М.: Айрис-пресс, 2007. – 624 с.

Лейбсон, К.Л. Сборник практических заданий по математике [Текст] / К.Л. Лейбсон. – М.: Дрофа, 2010. – 182 с.

Локоть, В.В. Задачи с параметрами и их решение. Тригонометрия: уравнения, неравенства, системы. 10 класс [Текст] / В.В. Локоть. – М.: АРКТИ, 2008. – 64 с.

Манова, А.Н. Математика. Экспресс-репетитор для подготовки к ЕГЭ: уч. пособие [Текст] / А.Н. Манова. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2012. – 541 с.

Мордкович, А.Г. Алгебра и начала математического анализа. 10-11 классы. Учебник для учащихся общеобразовательных учреждений [Текст] / А.Г. Мордкович. – М.: Айрис-пресс, 2009. – 201 с.

Новиков, А.И. Тригонометрические функции, уравнения и неравенства [Текст] / А.И. Новиков. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. – 260 с.

Оганесян, В.А. Методика преподавания математики в средней школе: Общая методика. Учеб. пособие для студентов физ. - мат. фак. пед. ин-тов. [Текст] / В.А. Оганесян. – М.: Просвещение, 2006. – 368 с.

Олехник, С.Н. Уравнения и неравенства. Нестандартные методы решения [Текст] / С.Н. Олехник. – М.: Изд-во Факториал, 1997. – 219 с.

Севрюков, П.Ф. Тригонометрические, показательные и логарифмические уравнения и неравенства [Текст] / П.Ф. Севрюков. – М.: Народное образование, 2008. – 352 с.

Сергеев, И.Н. ЕГЭ: 1000 задач с ответами и решениями по математике. Все задания группы С [Текст] / И.Н. Сергеев. – М.: Экзамен, 2012. – 301 с.

Соболев, А.Б. Элементарная математика [Текст] / А.Б. Соболев. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. – 81 с.

Фенько, Л.М. Метод интервалов в решении неравенств и исследовании функций [Текст] / Л.М. Фенько. – М.: Дрофа, 2005. – 124 с.

Фридман, Л.М. Теоретические основы методики обучения математике [Текст] / Л.М. Фридман. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. – 248 с.

Приложение 1

Графическая интерпретация решений простейших неравенств

Рис. 1

Рис. 2

Рис.3

Рис.4

Рис.5

Рис.6

Рис.7

Рис.8

Приложение 2

Решения простейших неравенств

Большинство студентов тригонометрические неравенства недолюбливают. А зря. Как говаривал один персонаж,

“Вы просто не умеете их готовить”

Так как же “готовить” и с чем подавать неравенство с синусом мы разберёмся в этой статье. Решать мы будем самым простым способом – с помощью единичной окружности.

Итак, перво-наперво нам потребуется следующий алгоритм.

Алгоритм решения неравенств с синусом:

1. на оси синуса откладываем число $a$ и проводим прямую параллельно оси косинусов до пересечения с окружностью;
2. точки пересечения этой прямой с окружностью будут закрашенными, если неравенство нестрогое, и не закрашенными, если неравенство строгое;
3. область решения неравенства будет находится выше прямой и до окружности, если неравенство содержит знак “$>$”, и ниже прямой и до окружности, если неравенство содержит знак “$<$”;
4. для нахождения точек пересечения, решаем тригонометрическое уравнение $\sin{x}=a$, получаем $x=(-1)^{n}\arcsin{a} + \pi n$;
5. полагая $n=0$, мы находим первую точку пересечения (она находится или в первой, или в четвёртой четверти);
6. для нахождения второй точки, смотрим, в каком направлении мы идём по области ко второй точке пересечения: если в положительном направлении, то следует брать $n=1$, а, если в отрицательном, то $n=-1$;
7. в ответ выписывается промежуток от меньшей точки пересечения $+ 2\pi n$ до большей $+ 2\pi n$.

Ограничение алгоритма

Важно: д анный алгоритм не работает для неравенств вида $\sin{x} > 1; \ \sin{x} \geq 1, \ \sin{x} < -1, \ \sin{x} \leq -1$. В строгом случае эти неравенства не имеют решений, а в нестрогом – решение сводится к решению уравнения $\sin{x} = 1$ или $\sin{x} = -1$.

Частные случаи при решении неравенства с синусом

Важно отметить также следующие случаи, которые гораздо удобнее решить логически, не используя вышеуказанный алгоритм.

Частный случай 1. Решить неравенство:

$\sin{x} \leq 1.$

В силу того, что область значения тригонометрической функции $y=\sin{x}$ не больше по модулю $1$, то левая часть неравенства при любом $x$ из области определения (а область определения синуса – все действительные числа) не больше $1$. А, значит, в ответ мы записываем: $x \in R$.

Следствие:

$\sin{x} \geq -1.$

Частный случай 2. Решить неравенство:

$\sin{x} < 1.$

Применяя аналогичные частному случаю 1 рассуждения, получим, что левая часть неравенства меньше $1$ для всех $x \in R$, кроме точек, являющихся решением уравнения $\sin{x} = 1$. Решая это уравнение, будем иметь:

$x = (-1)^{n}\arcsin{1}+ \pi n = (-1)^{n}\frac{\pi}{2} + \pi n.$

А, значит, в ответ мы записываем: $x \in R \backslash \left\{(-1)^{n}\frac{\pi}{2} + \pi n\right\}$.

Следствие: аналогично решается и неравенство

$\sin{x} > -1.$

Примеры решения неравенств с помощью алгоритма.

Пример 1: Решить неравенство:

$\sin{x} \geq \frac{1}{2}.$

1. Отметим на оси синусов координату $\frac{1}{2}$.
2. Проведём прямую параллельно оси косинусов и проходящую через эту точку.
3. Отметим точки пересечения. Они будут закрашенными, так как неравенство нестрогое.
4. Знак неравенства $\geq$, а значит закрашиваем область выше прямой, т.е. меньший полукруг.
5. Находим первую точку пересечения. Для этого неравенство превращаем в равенство и решаем его: $\sin{x}=\frac{1}{2} \ \Rightarrow \ x=(-1)^{n}\arcsin{\frac{1}{2}}+\pi n =(-1)^{n}\frac{\pi}{6} + \pi n$. Полагаем далее $n=0$ и находим первую точку пересечения: $x_{1}=\frac{\pi}{6}$.
6. Находим вторую точку. Наша область идёт в положительном направлении от первой точки, значит $n$ полагаем равным $1$: $x_{2}=(-1)^{1}\frac{\pi}{6} + \pi \cdot 1 = \pi – \frac{\pi}{6} = \frac{5\pi}{6}$.

Таким образом, решение примет вид:

$x \in \left[\frac{\pi}{6} + 2\pi n; \frac{5\pi}{6} + 2 \pi n\right], \ n \in Z.$

Пример 2: Решить неравенство:

$\sin{x} < -\frac{1}{2}$

Отметим на оси синусов координату $- \frac{1}{2}$ и проведём прямую параллельно оси косинусов и проходящую через эту точку. Отметим точки пересечения. Они будут не закрашенными, так как неравенство строгое. Знак неравенства $<$, а, значит, закрашиваем область ниже прямой, т.е. меньший полукруг. Неравенство превращаем в равенство и решаем его:

$\sin{x}=-\frac{1}{2}$

$x=(-1)^{n}\arcsin{\left(-\frac{1}{2}\right)}+ \pi n =(-1)^{n+1}\frac{\pi}{6} + \pi n$.

Полагая далее $n=0$, находим первую точку пересечения: $x_{1}=-\frac{\pi}{6}$. Наша область идёт в отрицательном направлении от первой точки, значит $n$ полагаем равным $-1$: $x_{2}=(-1)^{-1+1}\frac{\pi}{6} + \pi \cdot (-1) = -\pi + \frac{\pi}{6} = -\frac{5\pi}{6}$.

Итак, решением этого неравенства будет промежуток:

$x \in \left(-\frac{5\pi}{6} + 2\pi n; -\frac{\pi}{6} + 2 \pi n\right), \ n \in Z.$

Пример 3: Решить неравенство:

$1 – 2\sin{\left(\frac{x}{4}+\frac{\pi}{6}\right)} \leq 0.$

Этот пример решать сразу с помощью алгоритма нельзя. Для начала его надо преобразовать. Делаем в точности так, как делали бы с уравнением, но не забываем про знак. Деление или умножение на отрицательное число меняет его на противоположный!

Итак, перенесём всё, что не содержит тригонометрическую функцию в правую часть. Получим:

$- 2\sin{\left(\frac{x}{4}+\frac{\pi}{6}\right)} \leq -1.$

Разделим левую и правую часть на $-2$ (не забываем про знак!). Будем иметь:

$\sin{\left(\frac{x}{4}+\frac{\pi}{6}\right)} \geq \frac{1}{2}.$

Опять получилось неравенство, которое мы не можем решить с помощью алгоритма. Но здесь уже достаточно сделать замену переменной:

$t=\frac{x}{4}+\frac{\pi}{6}.$

Получаем тригонометрическое неравенство, которое можно решить с помощью алгоритма:

$\sin{t} \geq \frac{1}{2}.$

Это неравенство было решено в примере 1, поэтому позаимствуем оттуда ответ:

$t \in \left[\frac{\pi}{6} + 2\pi n; \frac{5\pi}{6} + 2 \pi n\right].$

Однако, решение ещё не закончилось. Нам нужно вернуться к исходной переменной.

$(\frac{x}{4}+\frac{\pi}{6}) \in \left[\frac{\pi}{6} + 2\pi n; \frac{5\pi}{6} + 2 \pi n\right].$

Представим промежуток в виде системы:

$\left\{\begin{array}{c} \frac{x}{4}+\frac{\pi}{6} \geq \frac{\pi}{6} + 2\pi n, \\ \frac{x}{4}+\frac{\pi}{6} \leq \frac{5\pi}{6} + 2 \pi n. \end{array} \right.$

В левых частях системы стоит выражение ($\frac{x}{4}+\frac{\pi}{6}$), которое принадлежит промежутку. За первое неравенство отвечает левая граница промежутка, а за второе – правая. Причём скобки играют немаловажную роль: если скобка квадратная, то неравенство будет нестрогим, а если круглая, то строгим. наша задача получить слева $x$ в обоих неравенствах .

Перенесём $\frac{\pi}{6}$ из левой части в правые, получим:

$\left\{\begin{array}{c} \frac{x}{4} \geq \frac{\pi}{6} + 2\pi n -\frac{\pi}{6}, \\ \frac{x}{4} \leq \frac{5\pi}{6} + 2 \pi n – \frac{\pi}{6}. \end{array} \right.$

Упрощая, будем иметь:

$\left\{\begin{array}{c} \frac{x}{4} \geq 2\pi n, \\ \frac{x}{4} \leq \frac{2\pi}{3} + 2 \pi n. \end{array} \right.$

Умножая левые и правые части на $4$, получим:

$\left\{\begin{array}{c} x \geq 8\pi n, \\ x \leq \frac{8\pi}{3} + 8 \pi n. \end{array} \right.$

Собирая систему в промежуток, получим ответ:

$x \in \left[ 8\pi n; \frac{8\pi}{3} + 8 \pi n\right], \ n \in Z.$

Неравенства – это соотношения вида a › b, где a и b – есть выражения, содержащие как минимум одну переменную. Неравенства могут быть строгими — ‹, › и нестрогими — ≥, ≤.

Тригонометрические неравенства представляют собой выражения вида: F(x) › a, F(x) ‹ a, F(x) ≤ a, F(x) ≥ a, в которых F(x) представлено одной или несколькими тригонометрическими функциями.

Примером простейшего тригонометрического неравенства является: sin x ‹ 1/2. Решать подобные задачи принято графически, для этого разработаны два способа.

Способ 1 — Решение неравенств с помощью построения графика функции

Чтобы найти промежуток, удовлетворяющий условиям неравенство sin x ‹ 1/2, необходимо выполнить следующие действия:

1. На координатной оси построить синусоиду y = sin x.
2. На той же оси начертить график числового аргумента неравенства, т. е. прямую, проходящую через точку ½ ординаты ОY.
3. Отметить точки пересечения двух графиков.
4. Заштриховать отрезок являющийся, решением примера.

Когда в выражении присутствуют строгие знаки, точки пересечения не являются решениями. Так как наименьший положительный период синусоиды равен 2π, то запишем ответ следующим образом:

Если знаки выражения нестрогие, то интервал решений необходимо заключить в квадратные скобки — . Ответ задачи можно также записать в виде очередного неравенства:

Способ 2 — Решение тригонометрических неравенств с помощью единичной окружности

Подобные задачи легко решаются и с помощью тригонометрического круга. Алгоритм поиска ответов очень прост:

1. Сначала стоит начертить единичную окружность.
2. Затем нужно отметить значение аркфункции аргумента правой части неравенства на дуге круга.
3. Нужно провести прямую проходящую через значение аркфункции параллельно оси абсциссы (ОХ).
4. После останется только выделить дугу окружности, являющуюся множеством решений тригонометрического неравенства.
5. Записать ответ в требуемой форме.

Разберем этапы решения на примере неравенства sin x › 1/2. На круге отмечены точки α и β – значения

Точки дуги, расположенные выше α и β, являются интервалом решения заданного неравенства.

Если нужно решить пример для cos, то дуга ответов будет располагаться симметрично оси OX, а не OY. Рассмотреть разницу между интервалами решений для sin и cos можно на схемах приведенных ниже по тексту.

Графические решения для неравенств тангенса и котангенса будут отличаться и от синуса, и от косинуса. Это обусловлено свойствами функций.

Арктангенс и арккотангенс представляют собой касательные к тригонометрической окружности, а минимальный положительный период для обеих функций равняется π. Чтобы быстро и правильно пользоваться вторым способом, нужно запомнить на какой из оси откладываются значения sin, cos, tg и ctg.

Касательная тангенс проходит параллельно оси OY. Если отложить значение arctg a на единичном круге, то вторая требуемая точка будет расположено в диагональной четверти. Углы

Являются точками разрыва для функции, так как график стремится к ним, но никогда не достигает.

В случае с котангенсом касательная проходит параллельно оси OX, а функция прерывается в точках π и 2π.

Сложные тригонометрические неравенства

Если аргумент функции неравенства представлен не просто переменной, а целым выражением содержащим неизвестную, то речь уже идет о сложном неравенстве. Ход и порядок его решения несколько отличаются от способов описанных выше. Допустим необходимо найти решение следующего неравенства:

Графическое решение предусматривает построение обычной синусоиды y = sin x по произвольно выбранным значениям x. Рассчитаем таблицу с координатами для опорных точек графика:

В результате должна получиться красивая кривая.

Для простоты поиска решения заменим сложный аргумент функции

Неравенства, содержащие тригонометрические функции, при решении сводятся к простейшим неравенствам вида cos(t)>a, sint(t)=a и подобным. И уже простейшие неравенства решаются. Рассмотрим на различных примерах способы решения простейших тригонометрических неравенств.

Пример 1 . Решить неравенство sin(t) > = -1/2.

Рисуем единичную окружность. Так как sin(t) по определению - это координата y, отмечаем на оси Оу точку у =-1/2. Проводим через неё прямую, параллельную оси Ох. В местах пересечения прямой с графиком единичной окружности отмечаем точки Pt1 и Pt2. Соединяем двум отрезками начало координат с точками Pt1 и Pt2.

Решением данного неравенства будут все точки единичной окружности расположенные выше данных точек. Другими словами решением будет являться дуга l.. Теперь необходимо указать условия, при которых произвольная точка будет принадлежать дуге l.

Pt1 лежит в правой полуокружности, её ордината равна -1/2, тогда t1=arcsin(-1/2) = - pi/6. Для описания точки Pt1 можно записать следующую формулу:
t2 = pi - arcsin(-1/2) = 7*pi/6. В итоге получаем для t следующее неравенство:

Мы сохраняем знаки неравенств. А так как функция синус функция периодичная, значит решения будут повторяться через каждые 2*pi. Это условие добавляем к полученному неравенству для t и записываем ответ.

Ответ: -pi/6+2*pi*n < = t < = 7*pi/6 + 2*pi*n, при любом целом n.

Пример 2. Решить неравенство cos(t) <1/2.

Нарисуем единичную окружность. Так как согласно определению cos(t) это координата х, отмечаем на грфике на оси Ох точку x = 1/2.
Проводим через эту точку прямую, параллельную оси Оу. В местах пересечения прямой с графиком единичной окружности отмечаем точки Pt1 и Pt2. Соединяем двум отрезками начало координат с точками Pt1 и Pt2.

Решениями будут все точки единичной окружности, которые принадлежать дуге l.. Найдем точки t1 и t2.

t1 = arccos(1/2) = pi/3.

t2 = 2*pi - arccos(1/2) = 2*pi-pi/3 = 5*pi/6.

Получили неравенство для t: pi/3

Так как косинус - это функция периодичная, то решения будут повторяться через каждые 2*pi. Это условие добавляем к полученному неравенству для t и записываем ответ.

Ответ: pi/3+2*pi*n

Пример 3. Решить неравенство tg(t) < = 1.

Период тангенса равняется pi. Найдем решения, которые принадлежат промежутку (-pi/2;pi/2) правая полуокружность. Далее воспользовавшись периодичностью тангенса, запишем все решения данного неравенства. Нарисуем единичную окружность и отметим на ней линию тангенсов.

Если t будет являться решение неравенства, то ордината точки Т = tg(t) должна быть меньше или равна 1. Множество таких точек будет составлять луч АТ. Множество точек Pt, которые будут соответствовать точкам этого луча - дуга l. Причем, точка P(-pi/2) не принадлежит этой дуге.