Goniometrische functies en hun inversen: Inverse goniometrische functies
Goniometrische vergelijkingen
Terminologie We spreken van een goniometrische vergelijking in \(x\) als deze herleidbaar is tot de vorm \[\sin\bigl(a(x+b)\bigr)=c\] met in plaats van \(\sin\) ook wel de goniometrische functies \(\cos\) of \(\tan\) en met gegeven parameterwaarden \(a,b,c\).
Bestudeer een aantal voorbeelden.
We zoeken eigenlijk de snijpunten van de grafiek van de sinusfunctie met de lijn \(y=-1\). We gebruiken daarbij de eenheidscirkel want het probleem laat zich vertalen naar het vinden van snijpunten van de eenheidscirkel met de #y#-as en het opsporen van de draaiingshoeken die het punt #A=(1,0)# op de eenheidscirkel naar deze snijpunten beweegt.
Het punt #(0,-1)# is het snijpunt van de eenheidscirkel met de #y#-as dat verkregen wordt door het punt #A=(1,0)# te draaien over een hoek #-\tfrac{1}{2}\!\pi#. Maar er zijn veel meer draaiingshoeken die het punt #A# daar naar toe bewegen. Je kunt bij elke draaiingshoek een geheel veelvoud van \(2\pi\) optellen of aftrekken. Dit geeft #x=-\tfrac{1}{2}\!\pi+k\cdot2\pi# voor zeker geheel getal \(k\). Dus:
De oplossing van de vergelijking \(\sin x=-1\) is van de vorm \(x=-\tfrac{1}{2}\!\pi+k\cdot2\pi\) met \(k\) een willekeurig geheel getal.
Waarschuwing
De verleiding is groot om aan weerszijden van de vergelijking \(\sin(x)=-1\) de functie #\arcsin# toe te passen. Je krijgt dan \(\arcsin\bigl(\sin(x)\bigr)=\arcsin(-1)\) en je denkt dan misschien gebruik te kunnen maken van het feit dat #\sin# en #\arcsin# elkaar inversen zijn en dat dus vast #x=\arcsin(-1)=-{{\pi}\over{2}}#.
Maar je hebt dan maar één oplossing gevonden! Dit komt omdat #\arcsin\bigl(\sin(x)\bigr)=x# alleen maar geldt op het segment #[-\tfrac{1}{2}\!\pi,\tfrac{1}{2}\!\pi]# en in dit segment heb je een oplossing gevonden. Je moet dan nog uitzoeken welk veelvoud van #\pi# hierbij opgeteld of afgetrokken mag worden.
De vergelijking \(\;\sin(x)=c\;\) heeft als oplossing \[x=\arcsin(c)+k\cdot 2{\pi}\quad\lor\quad x=\pi-\arcsin(c)+k\cdot 2{\pi}\tiny.\]
De vergelijking \(\;\cos(x)=c\;\) heeft als oplossing \[x=\arccos(c)+k\cdot 2{\pi}\quad\lor\quad x=-\arccos(c)+k\cdot 2{\pi}\tiny.\]
De vergelijking \(\;\sin(x)=\sin(y)\;\) heeft als oplossing \[x=y+k\cdot 2{\pi}\quad\lor\quad x={\pi}-y+k\cdot 2{\pi}\tiny.\]
De vergelijking \(\;\cos(x)=\cos(y)\;\) heeft als oplossing \[x=y+k\cdot 2{\pi}\quad\lor\quad x=-y+k\cdot 2{\pi}\tiny.\]
Zoals onderstaand voorbeeld illustreert heb je soms goniometrische identiteiten zoals de verdubbelingsformule nodig bij het oplossen van goniometrische vergelijkingen.
Los de vergelijking \(\sin(4x)=\cos(2x)\) exact op.
Oplossing
\(x=\frac{\pi}{4}+k \cdot \frac{\pi}{2} \quad\vee\quad x=\frac{\pi}{12}+k \cdot \pi \quad\vee\quad x=\frac{5\pi}{12}+k \cdot \pi \)
De herleiding kan als volgt: \[\begin{aligned} &\sin(4x)=\cos(2x)\\[0.25cm] &2\sin(2x)\cos(2x)=\cos(2x)\\[0.25cm] &2\sin(2x)\cos(2x)-\cos(2x)=0\\[0.25cm] &\cos(2x)\left( 2\sin(2x)-1 \right)=0\\[0.25cm] &\cos(2x)=0 \quad\vee\quad 2\sin(2x)-1=0\\[0.25cm] &\cos(2x)=0 \quad\vee\quad \sin(2x)=\frac{1}{2}\\[0.25cm] &2x=\frac{\pi}{2}+k \cdot \pi \quad\vee\quad 2x=\frac{\pi}{6}+k \cdot 2\pi \quad\vee\quad 2x=\frac{5\pi}{6}+k \cdot 2\pi\\[0.25cm] &x=\frac{\pi}{4}+k \cdot \frac{\pi}{2} \quad\vee\quad x=\frac{\pi}{12}+k \cdot \pi \quad\vee\quad x=\frac{5\pi}{12}+k \cdot \pi \end{aligned}\]
Mathcentre video
Solving Trigonometric Functions (44:12, in graden en radialen)