Ответ на вопрос
ДоказательствоИсходное тождество
tan^2 x + 1 = sec^2 x
получается непосредственно из основного тригонометрического тождества
sin^2 x + cos^2 x = 1.Разделим это равенство на cos^2 x (это допустимо только при cos x ≠ 0):
(sin^2 x)/(cos^2 x) + (cos^2 x)/(cos^2 x) = 1/(cos^2 x).
По определениям tan x = sin x / cos x и sec x = 1 / cos x получаем
tan^2 x + 1 = sec^2 x.
Обратно, умножив tan^2 x + 1 = sec^2 x на cos^2 x и подставив tan^2 x·cos^2 x = sin^2 x, вернёмся к sin^2 x + cos^2 x = 1, так что тождества эквивалентны на пересекающейся области определения.Область определения и когда тождество нельзя применять напрямуюtan x определён тогда и только тогда, когда cos x ≠ 0; sec x тоже определён только при cos x ≠ 0. Поэтому оба выражения в тождестве имеют смысл (и тождество истинно) для всех x, таких что
cos x ≠ 0, т.е. x ∉ {π/2 + kπ, k ∈ Z}.Делить на cos^2 x мы могли лишь при cos x ≠ 0. Нельзя подставлять x = π/2, 3π/2 и т. п.: в этих точках tan и sec не определены, поэтому равенство как равенство чисел там неприменимо.Особые моменты при преобразованияхИз тождества tan^2 x + 1 = sec^2 x нельзя без внимания брать квадратный корень обеих частей и писать sqrt(1+tan^2 x) = sec x. На самом деле
sqrt(1 + tan^2 x) = |sec x|.
Пример: x = π, tan π = 0, sec π = −1, но sqrt(1 + 0) = 1 ≠ sec π. Поэтому при переходе через корень требуется учитывать знак (модуль).При решении уравнений/неравенств следует внимательно отслеживать область определения. Если вы, например, умножаете уравнение на cos^2 x или на cos x, надо учитывать, что при cos x = 0 такое умножение может обнулить информацию или дать недопустимые преобразования. Всегда фиксируйте, где функции определены, и проверяйте полученные решения в исходном уравнении.Операции «возведение в квадрат» тоже могут вводить посторонние решения, поэтому нужно проверять кандидатов.Альтернативные и эквивалентные формыЭквивалентная форма (перенос слагаемых):
sec^2 x − tan^2 x = 1.В других парах функций (разделим sin^2 + cos^2 = 1 на sin^2):
1 + cot^2 x = csc^2 x,
где cot x = cos x / sin x и csc x = 1 / sin x (область: sin x ≠ 0).Выражения через sin и cos:
tan^2 x = sin^2 x / cos^2 x, sec^2 x = 1 / cos^2 x, так что тождество — это ровно (sin^2 x + cos^2 x)/cos^2 x = 1/cos^2 x.Гиперболический аналог: для гиперболических функций верно другое тождество
1 − tanh^2 u = sech^2 u,
следовательно, не следует переносить знаки напрямую между эллиптическими и гиперболическими функциями.Краткое резюмеДоказательство: деление основного тождества sin^2 x + cos^2 x = 1 на cos^2 x при cos x ≠ 0.Область истинности: все x, для которых cos x ≠ 0 (x ∉ {π/2 + kπ}).При извлечении корня нужно брать модуль: sqrt(1+tan^2 x) = |sec x|.При алгебраических преобразованиях (деление, умножение, возведение в квадрат) всегда контролируйте область определения и проверяйте полученные решения.
Еще