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學習・解釋・訂正

完整三角方程解集

先理解概念,獨立嘗試,再解釋想法如何改變。

高一必修 第一册(A版).pdf · 5.4 · PDF 203 / 印刷頁 196

先重溫:單位圓坐標及符號恆等式選擇及定義域保留模型中的振幅、週期及相位

專題 01

完整三角方程解集

解變換角、還原所有分支,再與原區間取交集。

學完之後,你能解釋

  • 保留指定區間內所有角分支及週期複本。
  • 辨認除法遺漏解及平方增根。

一個值每周可出現多次

計算器反函數值只是一個代表分支。

參考角提供候選值,不自動給完整解集。

sin⁡x=sin⁡α⇒x=α+2kπ or x=π−α+2kπ\sin x=\sin\alpha\Rightarrow x=\alpha+2k\pi\text{ or }x=\pi-\alpha+2k\pi
  1. 使用單位圓等高點。

    α,π−α\alpha,\quad\pi-\alpha
  2. 按函數週期重複,再與指定定義域取交。

    k∈Zk\in\mathbb Z

成立條件

  • 分支重合時去重;依題意包含或排除端點。

反例:sin x=1 每周一點,不是兩相異參考角分支。

  • 使用正弦圖上的水平線及經區間篩選的候選表。

可逆步驟與分支追蹤

完整性須審查各代數操作,不只最後代入。

分解保留零分支;除法可漏根,平方可增假候選值。

sin⁡2x=cos⁡x⇒cos⁡x(2sin⁡x−1)=0\sin2x=\cos x\Rightarrow\cos x(2\sin x-1)=0
  1. 用恆等式分解,不除以 cos x。

    cos⁡x=0 or sin⁡x=1/2\cos x=0\text{ or }\sin x=1/2
  2. 把平方方程候選值代回原符號條件。

    sin⁡2x=1/4⇏sin⁡x=−1/2\sin^2x=1/4\not\Rightarrow\sin x=-1/2

成立條件

  • 必須追蹤角單位及變換角區間。

反例:sin 2x=cos x 除以 cos x 會漏 π/2、3π/2。

  • 標分支樹,只刪不滿足原方程的候選值。

預測 → 操作 → 解釋 → 遷移

先留下預測,再探索關係。

課節思考:目標高度、頻率及閉端點改變時,根數如何改變?

模型實驗:先預測調整下列參數會改變哪個結果,再以顯示的數值檢查,並與課節問題比較。

在閉區間 [0°,360°] 解 sin(1x)=0.5。2 個相異解:30、150。端點輸入分別計數;重合分支去重。03605-5

在閉區間 [0°,360°] 解 sin(1x)=0.5。2 個相異解:30、150。端點輸入分別計數;重合分支去重。

圖像的數值資料,可列印
解 x(度)sin(nx)−k
300
1500

解釋:比較 0°≤x≤360° 的完整根表及圖像交點。

遷移:構造兩端點均為根的高度,說明為何兩者都計。

試一試,把思路寫下來。

每次只看一個提示。訂正時記錄想法如何改變,不只抄下答案。

例題 1–3:先讀完整示範;由已完成的首步接續推理;再獨立選方法,完成後才展開解答。其餘練習可於課後繼續。

01 / 基礎#示範例題

在指定度數區間求解。

sin⁡x=1/2,0≤x<360∘\sin x=1/2,\quad0\le x<360^\circ
  • 度;0≤x<360°。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
找參考角及第二等高點。
提示 2
第一及第二象限正弦正。
完整解答
  1. 求參考值。

    x1=30∘x_1=30^\circ
  2. 在上半圓反射。

    x2=180∘−30∘=150∘x_2=180^\circ-30^\circ=150^\circ

30°、150°。

檢查與易錯點:兩值符合區間;再加完整周均不符合。

先思考,待同學準備好再展開提示。

02 / 鞏固#示範例題

完整求解。

2sin⁡2x−sin⁡x−1=0,0≤x<360∘2\sin^2x-\sin x-1=0,\quad0\le x<360^\circ

已提供首步,請接續推理:求可行正弦值。

sin⁡x=1 or −1/2\sin x=1\text{ or }-1/2
  • 度;0≤x<360°。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
暫把正弦當代數變量。
提示 2
分解 (2s+1)(s−1)。
完整解答
  1. 求可行正弦值。

    sin⁡x=1 or −1/2\sin x=1\text{ or }-1/2
  2. 還原所有角分支並去重。

    x=90∘,210∘,330∘x=90^\circ,210^\circ,330^\circ

90°、210°、330°。

檢查與易錯點:此周中正弦值 1 只有一點。

先思考,待同學準備好再展開提示。

03 / 遷移#示範例題

求解並說明除以 cos x 會漏哪些解。

sin⁡2x=cos⁡x,0≤x<2π\sin2x=\cos x,\quad0\le x<2\pi
  • 弧度;0≤x<2π。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
以乘積式替換 sin 2x。
提示 2
提出餘弦,不除以它。
完整解答
  1. 保留零因式分支。

    cos⁡x(2sin⁡x−1)=0\cos x(2\sin x-1)=0
  2. 列兩分支解集。

    x=π/2,3π/2;x=π/6,5π/6x=\pi/2,3\pi/2;\quad x=\pi/6,5\pi/6

π/6、π/2、5π/6、3π/2;除法漏兩餘弦零點。

檢查與易錯點:只檢驗除法後方程不能找回已丟棄分支。

先思考,待同學準備好再展開提示。

04 / 基礎#獨立練習

求解。

cos⁡x=0,0≤x<360∘\cos x=0,\quad0\le x<360^\circ
  • 度;0≤x<360°。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
用單位圓垂直射線。
提示 2
向上及向下射線的 x 坐標均零。
完整解答
  1. 辨認首個零點。

    x=90∘x=90^\circ
  2. 包含相反射線。

    x=270∘x=270^\circ

90°、270°。

檢查與易錯點:餘弦圖每完整周兩次過零。

推理清單・自評/教師評核
  • 辨認首個零點。
  • 包含相反射線。

先思考,待同學準備好再展開提示。

05 / 基礎#獨立練習

求解。

tan⁡x=1,0≤x<360∘\tan x=1,\quad0\le x<360^\circ
  • 度;正切須存在。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
正切每 180° 重複。
提示 2
由 45° 開始。
完整解答
  1. 求一有效參考解。

    x=45∘x=45^\circ
  2. 在區間內加一正切週期。

    x=225∘x=225^\circ

45°、225°。

檢查與易錯點:只用 360° 週期會漏一有效正切解。

推理清單・自評/教師評核
  • 求一有效參考解。
  • 在區間內加一正切週期。

先思考,待同學準備好再展開提示。

06 / 基礎#獨立練習

在實數中求解。

sin⁡x=2\sin x=2
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
用反函數前檢查值域。
提示 2
正弦介乎 −1 與 1。
完整解答
  1. 使用單位圓界限。

    −1≤sin⁡x≤1-1\le\sin x\le1
  2. 所求值在界限外。

    2>12>1

無實數解。

檢查與易錯點:值域檢查避免無意義的反函數輸入。

推理清單・自評/教師評核
  • 使用單位圓界限。
  • 所求值在界限外。

先思考,待同學準備好再展開提示。

07 / 基礎#獨立練習

閉區間內有多少解?

sin⁡x=0,−π≤x≤π\sin x=0,\quad-\pi\le x\le\pi
  • 弧度;兩端點包含。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
零點在 π 整數倍。
提示 2
兩端點包含。
完整解答
  1. 列可行倍數。

    x=−π,0,πx=-\pi,0,\pi
  2. 計相異實輸入。

    N=3N=3

3。

檢查與易錯點:同終邊端點角為不同實輸入,兩者都在此閉區間。

先思考,待同學準備好再展開提示。

08 / 鞏固#獨立練習

不遺漏週期,求解。

sin⁡2x=1/2,0≤x<360∘\sin2x=1/2,\quad0\le x<360^\circ
  • 度;0≤x<360°。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
變換角跨 0≤2x<720°。
提示 2
先找四個角,再除以 2。
完整解答
  1. 列變換角解。

    2x=30∘,150∘,390∘,510∘2x=30^\circ,150^\circ,390^\circ,510^\circ
  2. 返回原輸入。

    x=15∘,75∘,195∘,255∘x=15^\circ,75^\circ,195^\circ,255^\circ

15°、75°、195°、255°。

檢查與易錯點:只用變換角一周會把完整解集減半。

推理清單・自評/教師評核
  • 列變換角解。
  • 返回原輸入。

先思考,待同學準備好再展開提示。

09 / 鞏固#獨立練習

在原區間內求解。

cos⁡(x−π/3)=−1/2,0≤x<2π\cos(x-\pi/3)=-1/2,\quad0\le x<2\pi
  • 弧度;0≤x<2π。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
先解平移角,再篩選 x。
提示 2
用平移角 2π/3 及 4π/3。
完整解答
  1. 加 π/3 還原輸入。

    x=π,5π/3x=\pi,5\pi/3
  2. 其他週期複本在區間外。

    0≤x<2π0\le x<2\pi

π 及 5π/3。

檢查與易錯點:先還原平移,再檢查原定義域,不假設相角只限一周。

推理清單・自評/教師評核
  • 加 π/3 還原輸入。
  • 其他週期複本在區間外。

先思考,待同學準備好再展開提示。

10 / 鞏固#獨立練習

求解並說明此題除以餘弦是否安全。

sin⁡x=cos⁡x,0≤x<2π\sin x=\cos x,\quad0\le x<2\pi
  • 弧度;0≤x<2π。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
先把餘弦零值輸入代原方程。
提示 2
餘弦零時正弦為 ±1,故沒有此類解。
完整解答
  1. 由原方程排除零除數。

    cos⁡x=0⇒sin⁡x=±1≠0\cos x=0\Rightarrow\sin x=\pm1\ne0
  2. 安全相除並用正切週期。

    tan⁡x=1⇒x=π/4,5π/4\tan x=1\Rightarrow x=\pi/4,5\pi/4

π/4、5π/4;檢查零情況後可安全相除。

檢查與易錯點:此情況與零除數本身提供有效解的方程不同。

推理清單・自評/教師評核
  • 由原方程排除零除數。
  • 安全相除並用正切週期。

先思考,待同學準備好再展開提示。

11 / 鞏固#獨立練習

學生把方程平方得四候選值。指出須排除哪些及理由。

sin⁡x=−1/2,0≤x<360∘\sin x=-1/2,\quad0\le x<360^\circ
  • 度;原右方為負。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
平方抹去要求的負號。
提示 2
把上半圓候選值代回原方程。
完整解答
  1. 平方方程允許兩符號。

    x=30∘,150∘,210∘,330∘x=30^\circ,150^\circ,210^\circ,330^\circ
  2. 排除正弦為正的候選值。

    x=210∘,330∘ remainx=210^\circ,330^\circ\text{ remain}

排除 30°、150°;保留 210°、330°。

檢查與易錯點:不可逆推出之後,用代入檢查有效性。

推理清單・自評/教師評核
  • 平方方程允許兩符號。
  • 排除正弦為正的候選值。

先思考,待同學準備好再展開提示。

12 / 遷移#獨立練習

按所有實數 k 分類相異解數,解釋此閉區間中 k=0 的特殊作用。

sin⁡x=k,0≤x≤2π\sin x=k,\quad0\le x\le2\pi
  • 弧度;區間兩端封閉。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
合併正弦值域及端點包含情況。
提示 2
內部非極端高度相交兩次;零包含兩端點。
完整解答
  1. 分類不可能及極端高度。

    ∣k∣>1:0;∣k∣=1:1|k|>1:0;\quad |k|=1:1
  2. 處理普通高度及重複端點高度。

    0<∣k∣<1:2;k=0:30<|k|<1:2;\quad k=0:3

所列四情況的解數為 0、1、2、3。

檢查與易錯點:端點同終邊但為相異實輸入,零高度時兩者均計。

推理清單・自評/教師評核
  • 分類不可能及極端高度。
  • 處理普通高度及重複端點高度。

先思考,待同學準備好再展開提示。

13 / 遷移#獨立練習

輪上點在時間 t 秒的高度為 H(t) 米。在一周 0≤t≤8,何時嚴格高於 4 米?推導區間並解釋端點。

H(t)=3+2sin⁡(πt/4)H(t)=3+2\sin(\pi t/4)
  • 模型在 0≤t≤8 秒適用;高度從同一基準向上量。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
把高度轉為正弦門檻,追蹤時間至角的比例。
提示 2
sin θ>1/2 在 π/6 與 5π/6 之間。
完整解答
  1. 表示嚴格相角區間。

    π/6<πt/4<5π/6\pi/6<\pi t/4<5\pi/6
  2. 換回秒並排除等號時刻。

    2/3<t<10/32/3<t<10/3

t∈(2/3,10/3) 秒時嚴格高於 4 米。

檢查與易錯點:兩端點恰高 4 米,故兩端均不包含。

推理清單・自評/教師評核
  • 表示嚴格相角區間。
  • 換回秒並排除等號時刻。

先思考,待同學準備好再展開提示。

專注一道題目

課末檢核與訂正

回看最近核對的答案及解釋;改動草稿後須重新核對。書面推理需要自評或教師評核。

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    教師備課與評核

    40 分鐘教案

    分鐘環節教師及學生任務
    5分支診斷用診斷區分主值及變換區間。
    8建立解集先標等高點及週期複本,再篩選。
    10審核操作同桌比較 sin x=cos x 的安全除法及 sin 2x=cos x 的漏根。
    12分類及建模小組分類參數根數並轉換輪的高度門檻。
    5離堂完整性要求完整集合及沒有其他分支的理由。

    提問順序

    • 變換角實際走過哪個區間?
    • 此操作刪去或增加候選值嗎?

    板書發展

    • 保留因式分支。
      cos⁡x(2sin⁡x−1)=0\cos x(2\sin x-1)=0
    • 把角區間映回時間。
      π/6<πt/4<5π/6\pi/6<\pi t/4<5\pi/6

    預期正誤回答

    • 「兩端為不同實數 x,故都計」正確處理 k=0。
    • 「立即除以餘弦」有漏有效零因式解的風險。

    追問

    • 把找到的根全代入,為何仍不能證明沒有漏根?

    補救

    • 漏分支時,先畫水平值線再用反三角。
    • 變換區間錯誤時,把 x 界限及角界限分兩欄。

    離堂檢核

    • 0≤x≤2π 解 cos 2x=1。預期 0、π、2π,包含閉端點。

    評核清單與作答示例

    • 2 分:分支及定義域完整。
      完整:[0°,360°) 上 sin 2x=1/2 有四根;部分:只首兩根。
    • 2 分:檢驗不可逆步驟。
      完整:平方後排除正弦正根;部分:接受平方方程四根。

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    教材與來源說明 ↗