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
Giải phương trình cos x = a
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em nêu đúng điều kiện có nghiệm và công thức nghiệm tổng quát của phương trình $\cos x=a$, và vận dụng để giải các phương trình có ẩn số nằm trong đối số (như $\cos(2x)=a$) rồi liệt kê đầy đủ nghiệm trên một đoạn cho trước.
Kiến thức nền cần nhớ
Bài trước đã giải phương trình $\sin x=a$ bằng cách xác định góc $\alpha$ rồi áp dụng công thức nghiệm (same-grade bridge). Bài này lặp lại đúng quy trình đó cho $\cos x=a$, chỉ khác ở công thức nghiệm cuối cùng — vì đường thẳng đứng $x=a$ cắt đường tròn lượng giác theo cách khác với đường thẳng ngang $y=a$.
Khởi động
Vị trí theo phương ngang của một vật dao động điều hòa quanh gốc tọa độ cho bởi $x(t)=\cos t$. Trong một chu kỳ, có bao nhiêu thời điểm vật ở đúng tọa độ $-\dfrac{\sqrt2}{2}$?
Kiến thức trọng tâm
Vì tập giá trị của hàm cos cũng là $[-1;1]$, phương trình $\cos x=a$ có nghiệm khi và chỉ khi $|a|\le1$ — hoàn toàn giống điều kiện của $\sin x=a$.
Với $|a|\le1$, gọi $\alpha$ là một số thực với $\cos\alpha=a$ (thường chọn $\alpha\in[0;\pi]$, viết $\alpha=\arccos a$). Trên đường tròn lượng giác, đường thẳng đứng $x=a$ cắt đường tròn tại hai điểm đối xứng nhau qua trục hoành — ứng với góc $\alpha$ và góc $-\alpha$. Do tính tuần hoàn chu kỳ $2\pi$, nghiệm tổng quát là $x=\alpha+k2\pi$ hoặc $x=-\alpha+k2\pi$ ($k\in\mathbb{Z}$), thường viết gọn thành $x=\pm\alpha+k2\pi$.
So với $\sin x=a$ (một nghiệm $\alpha$, một nghiệm $\pi-\alpha$), công thức của $\cos x=a$ đơn giản hơn: hai nghiệm chỉ khác nhau ở dấu, $\pm\alpha$. Các trường hợp đặc biệt: $a=1$ cho $x=k2\pi$; $a=-1$ cho $x=\pi+k2\pi$; $a=0$ cho $x=\dfrac{\pi}{2}+k\pi$ (hai họ $\pm\dfrac{\pi}{2}+k2\pi$ gộp lại vì cách nhau đúng $\pi$).
Hình dưới minh họa đồ thị $y=\cos(2x)$ — đúng dạng xuất hiện trong Ví dụ 2 bên dưới — cùng đường nét đứt $y=-\dfrac{\sqrt2}{2}$ và bốn điểm cắt trên $[0;2\pi]$.
Vì đối số là 2x, đồ thị dao động nhanh gấp đôi trong cùng đoạn [0;2π], nên đường thẳng y=-√2/2 cắt nó tới bốn lần thay vì hai.
Ví dụ
Giải phương trình $\cos x=-\dfrac12$
1
Giải phương trình $\cos x=-\dfrac12$.
2
Ta có $\cos\dfrac{2\pi}{3}=-\dfrac12$, nên chọn $\alpha=\dfrac{2\pi}{3}$.
3
Theo công thức nghiệm của $\cos x=a$: $x=\pm\dfrac{2\pi}{3}+k2\pi$, $k\in\mathbb{Z}$.
4
Vậy phương trình có nghiệm $x=\pm\dfrac{2\pi}{3}+k2\pi$ ($k\in\mathbb{Z}$).
Ví dụ
Giải phương trình $\cos2x=-\dfrac{\sqrt2}{2}$ và liệt kê nghiệm trên $[0;2\pi]$
1
Giải phương trình $\cos2x=-\dfrac{\sqrt2}{2}$ rồi liệt kê các nghiệm thuộc đoạn $[0;2\pi]$.
2
Đặt $\theta=2x$. Phương trình trở thành $\cos\theta=-\dfrac{\sqrt2}{2}$.
3
Vì $\cos\dfrac{3\pi}{4}=-\dfrac{\sqrt2}{2}$, chọn $\alpha=\dfrac{3\pi}{4}$. Suy ra $\theta=\pm\dfrac{3\pi}{4}+k2\pi$.
4
Từ $\theta=2x$ suy ra $x=\dfrac{\theta}{2}$, tức $x=\pm\dfrac{3\pi}{8}+k\pi$ (chia cả họ nghiệm, kể cả $k2\pi$, cho 2).
5
Với $x=\dfrac{3\pi}{8}+k\pi$: $k=0$ cho $\dfrac{3\pi}{8}$, $k=1$ cho $\dfrac{11\pi}{8}$, cả hai thuộc $[0;2\pi]$. Với $x=-\dfrac{3\pi}{8}+k\pi$: $k=1$ cho $\dfrac{5\pi}{8}$, $k=2$ cho $\dfrac{13\pi}{8}$, cả hai thuộc $[0;2\pi]$ (còn $k=0$ cho $-\dfrac{3\pi}{8}<0$, loại).
6
Thay $x=\dfrac{3\pi}{8}$: $2x=\dfrac{3\pi}{4}$, $\cos\dfrac{3\pi}{4}=-\dfrac{\sqrt2}{2}$ (TMĐK).
7
Vậy phương trình có đúng 4 nghiệm trên $[0;2\pi]$: $\dfrac{3\pi}{8};\dfrac{5\pi}{8};\dfrac{11\pi}{8};\dfrac{13\pi}{8}$.
So sánh cách trình bày hai ví dụ trên với hai ví dụ tương ứng của bài $\sin x=a$: cấu trúc bài giải giống hệt nhau (đặt ẩn phụ theo góc, giải phương trình cơ bản, trở lại biến $x$, đối chiếu đoạn), chỉ khác công thức nghiệm cuối cùng. Nắm vững sự tương đồng này giúp em không phải học thuộc bốn quy trình rời rạc, mà chỉ cần nhớ một quy trình chung và bốn công thức nghiệm khác nhau.
Ví dụ
Một ứng dụng thực tế: tìm thời điểm nhiệt độ trung bình bằng 20°C
1
Nhiệt độ trung bình tháng thứ $t$ trong năm tại một địa phương được mô hình hóa bởi $T(t)=25+5\cos\left(\dfrac{\pi}{6}(t-7)\right)$ (độ C, $t=1,\ldots,12$ ứng với tháng 1 đến tháng 12, và tháng 7 được chọn làm mốc vì đó là tháng nóng nhất trong mô hình). Tìm tháng có nhiệt độ trung bình đúng bằng $20^\circ$C.
2
Cần giải $25+5\cos\left(\dfrac{\pi}{6}(t-7)\right)=20$, tức $\cos\left(\dfrac{\pi}{6}(t-7)\right)=-1$.
3
Đặt $\theta=\dfrac{\pi}{6}(t-7)$. Từ $\cos\theta=-1$ suy ra $\theta=\pi+k2\pi$.
4
Từ $\theta=\dfrac{\pi}{6}(t-7)$ suy ra $t-7=6\theta/\pi=6+12k$, tức $t=13+12k$.
5
Trong 12 tháng của một năm ($1\le t\le12$), chỉ $k=-1$ cho $t=13-12=1$ thỏa mãn.
6
Vậy tháng 1 là tháng có nhiệt độ trung bình đúng $20^\circ$C theo mô hình — hợp lý với thực tế khí hậu Việt Nam, nơi tháng 1 thường là tháng lạnh nhất trong năm, ứng với $\cos$ đạt giá trị nhỏ nhất $-1$ trong công thức.
Ví dụ
Giải phương trình $\cos3x=\dfrac12$ và đếm nghiệm trên $[0;\pi]$
1
Giải phương trình $\cos3x=\dfrac12$ rồi đếm số nghiệm thuộc đoạn $[0;\pi]$.
2
Đặt $\theta=3x$. Từ $\cos\theta=\dfrac12$ suy ra $\theta=\pm\dfrac{\pi}{3}+k2\pi$.
3
Từ $\theta=3x$ suy ra $x=\dfrac{\theta}{3}$, tức $x=\pm\dfrac{\pi}{9}+k\dfrac{2\pi}{3}$ (chia cả họ nghiệm cho 3).
4
Với $x=\dfrac{\pi}{9}+k\dfrac{2\pi}{3}$: $k=0$ cho $\dfrac{\pi}{9}$, $k=1$ cho $\dfrac{\pi}{9}+\dfrac{6\pi}{9}=\dfrac{7\pi}{9}$, cả hai thuộc $[0;\pi]$ ($k=2$ cho $\dfrac{13\pi}{9}>\pi$, loại). Với $x=-\dfrac{\pi}{9}+k\dfrac{2\pi}{3}$: $k=1$ cho $-\dfrac{\pi}{9}+\dfrac{6\pi}{9}=\dfrac{5\pi}{9}$, thuộc $[0;\pi]$ ($k=0$ cho giá trị âm, $k=2$ cho $\dfrac{11\pi}{9}>\pi$, cả hai loại).
5
Thay $x=\dfrac{\pi}{9}$: $3x=\dfrac{\pi}{3}$, $\cos\dfrac{\pi}{3}=\dfrac12$ (TMĐK).
6
Vậy phương trình có đúng 3 nghiệm trên $[0;\pi]$: $\dfrac{\pi}{9};\dfrac{5\pi}{9};\dfrac{7\pi}{9}$ — nhiều hơn 2 nghiệm như trên một đoạn độ dài $2\pi$ thông thường, vì hệ số 3 trong $\cos3x$ làm hàm dao động nhanh gấp ba, nên trên cùng một đoạn số nghiệm cũng nhiều hơn theo tỉ lệ đó.
Cũng như $\sin x=a$, phương trình $\cos x=a$ có ba trường hợp đáng chú ý trước khi áp dụng công thức tổng quát: $a=1$ và $a=-1$ chỉ cho một họ nghiệm (hai điểm cắt trùng làm một), còn $a=0$ tuy về công thức vẫn có hai họ $\pm\dfrac{\pi}{2}+k2\pi$, nhưng hai họ đó lại gộp gọn thành một biểu thức $\dfrac{\pi}{2}+k\pi$ vì khoảng cách giữa chúng đúng bằng $\pi$. Nhận diện các trường hợp đặc biệt này trước khi viết nghiệm giúp bài giải gọn và tránh sai sót khi đối chiếu với đáp án.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Sai lầm thường gặp
Sai lầm phổ biến là chỉ viết một họ nghiệm $x=\alpha+k2\pi$ mà quên dấu trừ $x=-\alpha+k2\pi$. Sai lầm khác, như ở Ví dụ 2, là khi trở lại biến $x$ từ $\theta=2x$, học sinh chỉ chia phần $k2\pi$ cho 2 mà quên chia luôn góc $\alpha$, làm mất một nửa số nghiệm khi liệt kê trên một đoạn. Một sai lầm khác nữa là nhầm dấu $\pm$ của công thức cos với dấu cộng duy nhất của công thức sin, dẫn đến bỏ sót đúng một họ nghiệm.
Một cách nhớ khác để phân biệt công thức nghiệm của $\sin x=a$ và $\cos x=a$: vì $\cos x=\sin\left(x+\dfrac{\pi}{2}\right)$ (đã học ở bài đầu chương), hai công thức thực chất chỉ là một công thức được viết dưới hai lớp vỏ khác nhau. Học sinh không cần nhớ máy móc hai công thức tách biệt, mà có thể tự suy ra công thức của $\cos x=a$ từ công thức của $\sin x=a$ bằng phép đổi biến này, nếu lỡ quên trong lúc làm bài.
Chú ý rằng số nghiệm trên một đoạn phụ thuộc trực tiếp vào hệ số của $x$ trong đối số: hệ số càng lớn, hàm dao động càng nhanh, và số nghiệm trên cùng một đoạn càng nhiều — đúng như đã thấy khi so sánh $\cos x=a$ (2 nghiệm trên $[0;2\pi]$), $\cos2x=a$ (4 nghiệm trên $[0;2\pi]$), và $\cos3x=a$ (3 nghiệm trên $[0;\pi]$, tức 6 nghiệm nếu xét trên cả $[0;2\pi]$). Quy luật này giúp em kiểm tra nhanh đáp số đếm nghiệm của mình có hợp lý hay không, ngay cả khi chưa liệt kê hết.
Ghi nhớ
$\cos x=a$ có nghiệm khi và chỉ khi $|a|\le1$. Với $\cos\alpha=a$, nghiệm tổng quát là $x=\pm\alpha+k2\pi$ ($k\in\mathbb{Z}$).
Bài tiếp theo hoàn thiện bộ bốn phương trình cơ bản bằng $\tan x=a$ và $\cot x=a$ — hai phương trình có công thức nghiệm đơn giản hơn vì chu kỳ chỉ là $\pi$, và luôn có nghiệm với mọi giá trị của $a$, không cần điều kiện $|a|\le1$.
Sau bài này, em nêu đúng điều kiện có nghiệm và công thức nghiệm tổng quát của phương trình cosx=a, và vận dụng để giải các phương trình có ẩn số nằm trong đối số (như cos(2x)=a) rồi liệt kê đầy đủ nghiệm trên một đoạn cho trước.
Bài trước đã giải phương trình sinx=a bằng cách xác định góc α rồi áp dụng công thức nghiệm (same-grade bridge). Bài này lặp lại đúng quy trình đó cho cosx=a, chỉ khác ở công thức nghiệm cuối cùng — vì đường thẳng đứng x=a cắt đường tròn lượng giác theo cách khác với đường thẳng ngang y=a.
Vị trí theo phương ngang của một vật dao động điều hòa quanh gốc tọa độ cho bởi x(t)=cost. Trong một chu kỳ, có bao nhiêu thời điểm vật ở đúng tọa độ −22?
Vì tập giá trị của hàm cos cũng là [−1;1], phương trình cosx=a có nghiệm khi và chỉ khi ∣a∣≤1 — hoàn toàn giống điều kiện của sinx=a.
Với ∣a∣≤1, gọi α là một số thực với cosα=a (thường chọn α∈[0;π], viết α=arccosa). Trên đường tròn lượng giác, đường thẳng đứng x=a cắt đường tròn tại hai điểm đối xứng nhau qua trục hoành — ứng với góc α và góc −α. Do tính tuần hoàn chu kỳ 2π, nghiệm tổng quát là x=α+k2π hoặc x=−α+k2π (k∈Z), thường viết gọn thành x=±α+k2π.
So với sinx=a (một nghiệm α, một nghiệm π−α), công thức của cosx=a đơn giản hơn: hai nghiệm chỉ khác nhau ở dấu, ±α. Các trường hợp đặc biệt: a=1 cho x=k2π; a=−1 cho x=π+k2π; a=0 cho x=2π+kπ (hai họ ±2π+k2π gộp lại vì cách nhau đúng π).
Hình dưới minh họa đồ thị y=cos(2x) — đúng dạng xuất hiện trong Ví dụ 2 bên dưới — cùng đường nét đứt y=−22 và bốn điểm cắt trên [0;2π].
Giải phương trình cosx=−21
Giải phương trình cosx=−21.
Ta có cos32π=−21, nên chọn α=32π.
Theo công thức nghiệm của cosx=a: x=±32π+k2π, k∈Z.
Vậy phương trình có nghiệm x=±32π+k2π (k∈Z).
Giải phương trình cos2x=−22 và liệt kê nghiệm trên [0;2π]
Giải phương trình cos2x=−22 rồi liệt kê các nghiệm thuộc đoạn [0;2π].
Đặt θ=2x. Phương trình trở thành cosθ=−22.
Vì cos43π=−22, chọn α=43π. Suy ra θ=±43π+k2π.
Từ θ=2x suy ra x=2θ, tức x=±83π+kπ (chia cả họ nghiệm, kể cả k2π, cho 2).
Với x=83π+kπ: k=0 cho 83π, k=1 cho 811π, cả hai thuộc [0;2π]. Với x=−83π+kπ: k=1 cho 85π, k=2 cho 813π, cả hai thuộc [0;2π] (còn k=0 cho −83π<0, loại).
Thay x=83π: 2x=43π, cos43π=−22 (TMĐK).
Vậy phương trình có đúng 4 nghiệm trên [0;2π]: 83π;85π;811π;813π.
So sánh cách trình bày hai ví dụ trên với hai ví dụ tương ứng của bài sinx=a: cấu trúc bài giải giống hệt nhau (đặt ẩn phụ theo góc, giải phương trình cơ bản, trở lại biến x, đối chiếu đoạn), chỉ khác công thức nghiệm cuối cùng. Nắm vững sự tương đồng này giúp em không phải học thuộc bốn quy trình rời rạc, mà chỉ cần nhớ một quy trình chung và bốn công thức nghiệm khác nhau.
Nhiệt độ trung bình tháng thứ t trong năm tại một địa phương được mô hình hóa bởi T(t)=25+5cos(6π(t−7)) (độ C, t=1,…,12 ứng với tháng 1 đến tháng 12, và tháng 7 được chọn làm mốc vì đó là tháng nóng nhất trong mô hình). Tìm tháng có nhiệt độ trung bình đúng bằng 20∘C.
Cần giải 25+5cos(6π(t−7))=20, tức cos(6π(t−7))=−1.
Đặt θ=6π(t−7). Từ cosθ=−1 suy ra θ=π+k2π.
Từ θ=6π(t−7) suy ra t−7=6θ/π=6+12k, tức t=13+12k.
Trong 12 tháng của một năm (1≤t≤12), chỉ k=−1 cho t=13−12=1 thỏa mãn.
Vậy tháng 1 là tháng có nhiệt độ trung bình đúng 20∘C theo mô hình — hợp lý với thực tế khí hậu Việt Nam, nơi tháng 1 thường là tháng lạnh nhất trong năm, ứng với cos đạt giá trị nhỏ nhất −1 trong công thức.
Giải phương trình cos3x=21 và đếm nghiệm trên [0;π]
Giải phương trình cos3x=21 rồi đếm số nghiệm thuộc đoạn [0;π].
Đặt θ=3x. Từ cosθ=21 suy ra θ=±3π+k2π.
Từ θ=3x suy ra x=3θ, tức x=±9π+k32π (chia cả họ nghiệm cho 3).
Với x=9π+k32π: k=0 cho 9π, k=1 cho 9π+96π=97π, cả hai thuộc [0;π] (k=2 cho 913π>π, loại). Với x=−9π+k32π: k=1 cho −9π+96π=95π, thuộc [0;π] (k=0 cho giá trị âm, k=2 cho 911π>π, cả hai loại).
Thay x=9π: 3x=3π, cos3π=21 (TMĐK).
Vậy phương trình có đúng 3 nghiệm trên [0;π]: 9π;95π;97π — nhiều hơn 2 nghiệm như trên một đoạn độ dài 2π thông thường, vì hệ số 3 trong cos3x làm hàm dao động nhanh gấp ba, nên trên cùng một đoạn số nghiệm cũng nhiều hơn theo tỉ lệ đó.
Cũng như sinx=a, phương trình cosx=a có ba trường hợp đáng chú ý trước khi áp dụng công thức tổng quát: a=1 và a=−1 chỉ cho một họ nghiệm (hai điểm cắt trùng làm một), còn a=0 tuy về công thức vẫn có hai họ ±2π+k2π, nhưng hai họ đó lại gộp gọn thành một biểu thức 2π+kπ vì khoảng cách giữa chúng đúng bằng π. Nhận diện các trường hợp đặc biệt này trước khi viết nghiệm giúp bài giải gọn và tránh sai sót khi đối chiếu với đáp án.
Sai lầm phổ biến là chỉ viết một họ nghiệm x=α+k2π mà quên dấu trừ x=−α+k2π. Sai lầm khác, như ở Ví dụ 2, là khi trở lại biến x từ θ=2x, học sinh chỉ chia phần k2π cho 2 mà quên chia luôn góc α, làm mất một nửa số nghiệm khi liệt kê trên một đoạn. Một sai lầm khác nữa là nhầm dấu ± của công thức cos với dấu cộng duy nhất của công thức sin, dẫn đến bỏ sót đúng một họ nghiệm.
Một cách nhớ khác để phân biệt công thức nghiệm của sinx=a và cosx=a: vì cosx=sin(x+2π) (đã học ở bài đầu chương), hai công thức thực chất chỉ là một công thức được viết dưới hai lớp vỏ khác nhau. Học sinh không cần nhớ máy móc hai công thức tách biệt, mà có thể tự suy ra công thức của cosx=a từ công thức của sinx=a bằng phép đổi biến này, nếu lỡ quên trong lúc làm bài.
Chú ý rằng số nghiệm trên một đoạn phụ thuộc trực tiếp vào hệ số của x trong đối số: hệ số càng lớn, hàm dao động càng nhanh, và số nghiệm trên cùng một đoạn càng nhiều — đúng như đã thấy khi so sánh cosx=a (2 nghiệm trên [0;2π]), cos2x=a (4 nghiệm trên [0;2π]), và cos3x=a (3 nghiệm trên [0;π], tức 6 nghiệm nếu xét trên cả [0;2π]). Quy luật này giúp em kiểm tra nhanh đáp số đếm nghiệm của mình có hợp lý hay không, ngay cả khi chưa liệt kê hết.
cosx=a có nghiệm khi và chỉ khi ∣a∣≤1. Với cosα=a, nghiệm tổng quát là x=±α+k2π (k∈Z).
Bài tiếp theo hoàn thiện bộ bốn phương trình cơ bản bằng tanx=a và cotx=a — hai phương trình có công thức nghiệm đơn giản hơn vì chu kỳ chỉ là π, và luôn có nghiệm với mọi giá trị của a, không cần điều kiện ∣a∣≤1.