Korki we wtorki

Głos Wielkopolski, 1.12.2009

Trygonometria

Zadanie 1. Kąt α jest ostry oraz sin α = 2 .

3

Oblicz wartość wyrażenia ctg2 α−tg2 α

cos2 α

.

Rozwiązanie. Wykonuję rysunek pomocniczy trójkąta prostokątnego o przyprostokątnej długości 2 naprzeciwko kąta α i przeciwprostokątnej długości 3.

(1)

3

2

α

b

Obliczam długość drugiej przyprostokątnej:

(2)

22 + b2 = 32

b2 = 9 − 4

√

b =

5

Obliczam kosinus, tangens i kotangens kąta α:

√

cos α = 5

3

tg α = 2

√

(3)

5

√

ctg α = 5

2

Obliczam wartość wyrażenia:

√

5 2

2 2

ctg2 α − tg2 α

− √

= 2

5

√

=

cos2 α

5 2

3

5 − 4

25−16

= 4

5 = 20 = 9 · 9 = 0,81

5

5

20

5

9

9

Objaśnienia. Uwaga: Zadanie można też rozwiązać, stosując tożsamości: sin2 α + cos2 α = 1 oraz tg α = sin α

cos α . Podobnym sposobem można również

rozwiązać zadanie 2.

(1) Narysowany trójkąt jest „najprostszym” trójkątem prostokątnym w którym sin α = 2 . Ponieważ sinus jest stosunkiem długości jednej z przyprostokątnych 3

do długości przeciwprostokątnej, równie dobrze moglibyśmy narysować dowolny inny trójkąt, w którym te dwa boki pozostają w stosunku 2 : 3, a więc na przykład mają długość 4 i 6, 8 i 12, 144 i 216, lub ogólnie 2k i 3k, gdzie k > 0.

(2) Korzystamy tu z twierdzenia Pitagorasa.

(3) Zazwyczaj w takich sytuacjach usuwamy niewymierność z mianownika. Tu jednak nie warto tego robić, ponieważ w wyrażeniu, którego wartość mamy obliczyć, wartość kotangensa będziemy podnosili do kwadratu.

Zadanie 2. Wykaż, że dla każdego kąta ostrego α zachodzi tożsamość 1

cos2 α = 1 + tg2 α.

Rozwiązanie. Korzystam z definicji funkcji kosinus i tangens.

c

cos α = b

a

c

tg α = a

α

b

b

Przekształcam obie strony równania:

c2

L =

1

= 1 = 1 = 1 ·

= c2

cos2 α

( b )2

b2

b2

b2

c

c2

2

P = 1 + tg2 α = 1 + a

= 1 + a2 =

(1)

b

b2

= b2 + a2 = b2 + a2 = c2

(2)

b2

b2

b2

b2

L = P

Objaśnienia.

(1) Po przekształceniu prawej strony do postaci 1 + a2 nie widać jeszcze, że to b2

wyrażenie jest równe wyrażeniu, do którego przekształciliśmy lewą stronę.

Dlatego przekształcamy je dalej, czyli...

(2) ...sprowadzamy ułamki do wspólnego mianownika, a następnie korzystamy z twierdzenia Pitagorasa.

Zadanie 3. Oblicz pole trójkąta prostokątnego, w którym najkrótszy bok ma

√

długość 4, a sinus najmniejszego kąta wynosi 5 .

5

Rozwiązanie. Wykonuję rysunek pomocniczy

(1)

√

c

sin α = 5

4

5

α

b

Obliczam długość boku c:

(2)

4 = sin α

c

√

4 = 5

c

5

√

c · 5 = 4

5 √

c = 4 5

Obliczam długość boku b:

(3)

√

b =

c2 − a2

q

√

b =

(4 5)2 − 42

√

b =

80 − 16

b = 8

Obliczam pole trójkąta:

(4)

P = 1 · 8 · 4 = 16

2

Odpowiedź. Pole trójkąta wynosi 16.

Objaśnienia.

(1) Dobrze wiedzieć, że w każdym trójkącie najkrótszy bok leży naprzeciwko najmniejszego kąta, a nadłuższy bok – naprzeciwko największego kąta.

Informacja, że podany bok jest najkrótszym bokiem, a podany kąt –

najmniejszym kątem naszego trójkąta, nie jest w naszym zadaniu istotna.

√

Można by zastąpić ją ogólniejszą informacją, że kąt o sinusie równym 5 leży 5

naprzeciwko boku długości 4.

(2) Planując rozwiązanie, widzimy, że do obliczenia pola potrzebna będzie długość boku b. Sinus kąta α nie pozwala wyliczyć jej bezpośrednio, dlatego najpierw znajdujemy długość boku c, a następnie długość b.

(3) Korzystamy z twierdzenia Pitagorasa.

(4) Stosujemy najbardziej znany wzór na pole trójkąta o podstawie a i wysokości h: P = 1 ah. W trójkącie prostokątnym, gdy uznamy jedną 2

przyprostokątną za podstawę, druga przyprostokątna jest odpowiadającą tej podstawie wysokością.

Zadanie 4. Sinus pewnego kąta ostrego jest o 15% mniejszy od kosinusa tego kąta. Wyznacz kotangens tego kąta.

Rozwiązanie. Zapisuję równanie wynikające z treści zadania sin α = cos α − 0,15 cos α

sin α = 0,85 cos α

(1)

sin α

cos α = 0,85

tg α = 0,85

Obliczam kotangens kąta α:

ctg α = 1

tg α

(2)

ctg α = 1

0,85

ctg α = 100

85

ctg α = 1 317

Odpowiedź. Kotangens kąta α wynosi 1 3 .

17

Objaśnienia.

(1) Fakt, że A jest o 15% mniejsze od B, najlepiej od razu opisać równaniem A = 0,85B, obliczając w pamięci, że 1 − 0,15 = 0,85. Podobnie, gdy np. X jest o 4% większe od Y, zapiszemy równanie X = 1,04Y (bo 1 + 0,04 = 1,04). Taki sposób wykonywania obliczeń procentowych jest dużo wygodniejszy i szybszy niż np. rachowanie za pomocą proporcji.

(2) Równość ctg α = 1

tg α można znaleźć w zestawie wzorów dostępnym na

maturze. Wynika ona bezpośrednio z definicji funkcji tangens i kotangens: przy standardowych oznaczeniach (takich jak na rysunku do zadania 2.) tg α = a , natomiast ctg α = b = 1 .

b

a

a

b

Zadanie 5. Sinus kąta ostrego α jest o 1 większy od kosinusa tego kąta. Oblicz 2

kosinus kąta α.

Rozwiązanie.

(Sposób 1.) Przyjmuję oznaczenia:

x = sin α,

y = cos α.

Z warunków zadania wynika, że x > 0 i y > 0.

(1)

Z warunków zadania i „jedynki trygonometrycznej” otrzymuję układ równań:





x − y = 1



2



(2)





 x2 + y2 = 1.

Z powyższego układu równań wyznaczam y:

(3)





x = 1 + y



2







+

 ( 1

y)2 + y2 = 1

2

1 + y + y2 + y2 = 1

4

2y2 + y − 3 = 0

4

∆ =

12 − 4 · 2 · − 3 = 1 + 6 = 7

4

√

√

−1 − 7

−1 − 7

y1 =

=

< 0 – nie spełnia warunków zadania;

2 · 2

4

√

√

−1 + 7

−1 + 7

y2 =

=

> 0 – spełnia warunki zadania.

2 · 2

4

(4)

√

−1 + 7

Ostatecznie y =

.

4

√

7 − 1

Odpowiedź. Kosinus kąta α wynosi

.

4

(Sposób 2.) Rysuję trójkąt prostokątny o bokach a, b, c i kącie ostrym α.

c

sin α = a

a

c

cos α = b

α

c

b

Z warunków zadania i twierdzenia Pitagorasa otrzymuję układ równań:



a − b



= 1



c

c

2



(5)





 a2 + b2 = c2

Z pierwszego równania wyznaczam a:

a = 1 + b /·c

c

2

c

a = c + b

2

Otrzymaną wartość a podstawiam do drugiego równania i wyznaczam z niego b.

c + 2

b

+ b2 = c2

2

c2 + bc + b2 + b2 = c2

4

2b2 + c · b − 3 c2 = 0

(6)

4

∆ = c2 − 4 · 2 · (−3c2) = c2 + 6c2 = 7c2

4

(∆ > 0 dla wszystkich c > 0)

(7)

√

√

√

∆ = 7c2 = c 7

√

√

b

7

7)

1 = −c−c

= −c(1+

< 0 – nie spełnia warunków zadania;

2·2

4

√

√

b

7

7−1)

2 = −c+c

= c(

> 0 – spełnia warunki zadania.

2·2

4

(8)

√

Ostatecznie b = c( 7−1)

4

Obliczam kosinus kąta α:

√

√

c( 7−1)

7 − 1

cos α = b =

4

=

c

c

4

√

7 − 1

Odpowiedź. Kosinus kąta α wynosi

.

4

Objaśnienia.

(1) Jest tak, ponieważ funkcje trygonometryczne dla kątów ostrych przyjmują wartości wyłącznie dodatnie.

(2) Rozwiązując układ równań, w którym jedno równanie jest liniowe, a drugie kwadratowe, najczęściej wyznaczamy jedną niewiadomą z równania liniowego i podstawiamy otrzymaną wartość do równania kwadratowego.

Otrzymujemy w ten sposób równanie kwadratowe z jedną niewiadomą.

(Podobny sposób został zastosowany w poprzednim odcinku, w zadaniu 3.) (3) Wzór sin2 α + cos2 α = 1, zwany „jedynką trygonometryczną”, można znaleźć w zestawie wzorów dostępnych na maturze.

√

(4) Widzimy, że licznik ułamka jest dodatni, ponieważ 7 > 1.

(5) Otrzymaliśmy układ dwóch równań z trzema niewiadomymi. W takiej sytuacji na ogół niemożliwe jest podanie jednoznacznego rozwiązania (tzn.

wyznaczenie wartości a, b i c), ponieważ mamy za mało informacji (tylko dwie) w stosunku do liczby poszukiwanych obiektów (trzy). Posiadane informacje wystarczą nam jednak, aby wyznaczyć stosunek b równy kosinusowi kąta α.

c

(6) Równanie to jest równaniem kwadratowym z niewiadomą b. Współczynniki przy kolejnych potęgach niewiadomej wynoszą kolejno 2, c oraz − 3 c2.

4

Współczynniki te oznaczane są zwykle literami a, b i c; tu jednak nie możemy wykorzystać tych oznaczeń, ponieważ użyliśmy ich w innym znaczeniu.

(7) Wyrażenie 7c2 przyjmuje wartości dodatnie dla wszystkich dodatnich c, dlatego równanie (2) ma zawsze rozwiązania.

√

(8) Dla dodatnich c wyrażenie −c(1 + 7) przyjmuje wartość ujemną, dlatego rozwiązanie b1 nie ma interpretacji geometrycznej.

√

√

Z kolei wyrażenie c( 7 − 1) przyjmuje wartość dodatnią, ponieważ 7 > 1,

więc c mnożymy przez liczbę dodatnią.

Dzień dobry,

chciałabym zapytać o pewne zadanie z prawdopodobieństwa:

Rzucamy trzykrotnie kostką. Jakie jest prawdopodobieństwo tego, że przynajmniej raz otrzymamy 6 oczek?

Wiem, że najprościej jest rozwiązać to zadanie z wykorzystaniem własno-

ści: P(A) = 1 − P(A0), gdzie A to zdarzenie „przynajmniej raz wypadło 6 oczek”.

Wtedy A0 to zdarzenie, w którym liczba oczek 6 nie pada ani razu, w żadnym rzucie. Czyli ¯

A0 = 53, a przestrzeń zdarzeń elementarnych ma ¯

Ω = 63 elemen-

tów. Wtedy P(A0) = 125/216 ≈ 0,579, z tego wiadomo, że P(A) ≈ 1 − 0,579 =

0,421. Taki sposób jest chyba najszybszy, jednak nie jestem pewna, czy na pew-no wszystko jest dobrze.

Przede wszystkim (i to jest dla mnie najważniejsze) chciałabym zapytać, jak rozwiązać to zadanie bez wykorzystania własności P(A) = 1 − P(A0)?

Ola Musiał

Istotnie, zaproponowane przez Ciebie rozumowanie (które odrobinę prze-redagowaliśmy) jest chyba najkrótsze. Dla ścisłości zauważmy, że 0,579 (a więc i 0,421) to wyniki przybliżone – dlatego pojawia się przed nimi symbol „≈” („rów-na się w przybliżeniu”), a nie „=”; zamiast podawać wartości przybliżone, lepiej zresztą pozostać przy ułamkach zwykłych.

Co do innych metod: istotnie, sposób z wykorzystaniem zdarzenia przeciwnego nie jest jedyny. Można, zamiast stosować równość P(A0) = 1 − P(A), użyć podobnego wzoru na liczbę elementów zdarzenia przeciwnego: ¯

A0 = ¯

Ω − ¯

A, co

daje niemal identyczne rozwiązanie. Istnieją też inne sposoby, ale są one bardziej pracochłonne, a poza tym korzysta się w nich z metod spoza podstawy programowej (np. tzw. schemat Bernoulliego).

( mb)

Przygotowanie:

Tomasz Karolak, Marcin Borkowski