trigonometry graphs and equations

32
MATHEMATICS Learner’s Study and Revision Guide for Grade 12 SOLUTION OF TRIGONOMETRIC EQUATIONS AND INEQUALITIES Revision Notes, Exercises and Solution Hints by Roseinnes Phahle Examination Questions by the Department of Basic Education

Upload: kagiso-trust

Post on 19-Mar-2016

223 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Trigonometry Graphs and Equations

TRANSCRIPT

MATHEMATICS Learner’s Study and Revision

Guide for Grade 12

SOLUTION OF TRIGONOMETRIC EQUATIONS 

AND INEQUALITIES  

         

Revision Notes, Exercises and Solution Hints by 

Roseinnes Phahle  

Examination Questions by the Department of Basic Education 

   

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

Contents 

Unit 17

Solving trigonometric equations and inequalities graphically        3 

Solving trigonometric equations analytically – Type 1          5 

Other inequalities that can be solved graphically           6 

Solving trigonometric equations analytically – Type 2          7 

Solving trigonometric equations analytically – Type 3          9 

Answers to exercises                   10 

Refining techniques for sketching trigonometric functions        17 

Examination questions with solution hints and answers          21 

More questions from past examination papers              26 

Answers                     32 

How to use this revision and study guide

1. Study the revision notes given at the beginning. The notes are interactive in that in some parts you are required to make a response based on your prior learning of the topic in class or from a textbook. 

2. “Warm‐up” exercises follow the notes. Some exercises carry solution HINTS in the answer section. Do not read the answer or hints until you have tried to work out a question and are having difficulty. 

3. The notes and exercises are followed by questions from past examination papers. 

4. The examination questions are followed by blank spaces or boxes inside a table. Do the working out of the question inside these spaces or boxes. 

5. Alongside the blank boxes are HINTS in case you have difficulty solving a part of the question. Do not read the hints until you have tried to work out the question and are having difficulty. 

6. What follows next are more questions taken from past examination papers. 

7. Answers to the extra past examination questions appear at the end. Some answers carry HINTS and notes to enrich your knowledge. 

8. Finally, don’t be a loner. Work through this guide in a team with your classmates. 

   

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

3  

REVISION UNIT 17: TRIGONOMETRIC EQUATIONS AND INEQUALITIES 

SOLVING TRIGONOMETRIC EQUATIONS AND INEQUALITIES GRAPHICALLY 

Example 1: Below are shown the graphs of  ( )2

cos xxf =  and  ( ) ( )o30sin −= xxg  for 

[ ]oo 180 ;180−∈x . 

-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 100 120 140 160 180

-1

1

x

y

f g

A

B

 

1. Where the graphs meet is where  ( ) ( )xgxf =  

The graphs meet at the point A where  o160−=x  and at the point B where  o80=x . 

So the solution of  the equation  

( ) ( )xgxf =    

or   ( )o30sin2

cos −= xx 

for values of   [ ]oo 180 ;180−∈x  is   o160−=x  and  o80=x . 

2. To find out the values of  x for which  ( ) ( )xgxf > , look at the graphs and see in what interval or 

intervals the graph of  f is above the graph of  g . 

    Answer is  oo 80160 <<− x . 

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

Example 2: Below are shown again the graphs of  ( )2

cos xxf =  and  ( ) ( )o30sin −= xxg  for 

[ ]oo 180 ;180−∈x . 

-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 100 120 140 160 180

-1

1

x

y

f g

A

B

 

1. For what values of  x is  ( )( ) ?0<xgxf

 

The answer will be given by values of  x for which  ( )xf  and  ( )xg  have opposite signs (one negative 

and the other positive). 

Looking at the graph the answer is given by  ( )oo 30 ;150−∈x . 

3. At what values of  x is: 

a) ( ) ( ) ?1=− xgxf       Answer :   =x  

 

b) ( ) ( ) ?5,1=− xgxf       Answer:   =x  

 

c) ( ) ( ) ?1−=− xgxf       Answer:   =x  

   

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

5  

SOLVING TRIGONOMETRIC EQUATIONS ANALYTICALLY 

TYPE 1: REPLACING θtan by θθ

cossin whenever θtan appears in

the equation to be solved  

Example 3: Solve  xx tan212sin = for values of  oo 18090 ≤≤− x . 

Solution:    xx tan212sin =  

                    xxxx

cossin.

21cossin2 =  

      xxx sincossin4 2 =  

      0sincossin4 2 =− xxx  

      ( ) 01cos4sin 2 =−xx  

  Either      sin  x  = 0                 or     4cos  x2  ‐ 1 = 0 

                      Cos  x  = 21

±  

  Therefore  x  =  o0  or  o180      or  ooo 120or ;60 ;60−=x  

Verifying the above analytical solutions by means of graphs 

The  graphs of  ( ) xxf 2sin=  and  ( ) xxg tan21

=  are drawn below on the same set of axes. The solution 

to the equation is then given by the  x ‐coordinates of the points of intersection of the two graphs indicated by the arrows in the diagram below.  

-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

-1

1

x

y

f

g

↓↑ ↑

↓↑

 

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

ONCE MORE ON SOLVING TRIGONOMETRIC INEQUALITIES 

As shown at the beginning of this unit, we can use graphs to solve not only trigonometric equations as in Example 1 but also trigonometric inequalities as in Example 2. Let’s use the above example to explain further how you would solve trigonometric inequalities. 

For example, we can use the graphs to determine the values of  x  for which  

( ) ( )xfxg >  

or, in other words    xx 2sintan21

>  

All you need to do is to look at the graphs to find the range of values of  x  for which the  y values of the 

graph of  ( )xg are greater than the  y values of the graph of  ( )xf . 

Simply explained, this means that look for the range of  x values for which the graph of  ( )xg is above 

the graph of  ( )xf . 

Answer:  oooooo 180120or ;9060or 060 <<<<<<− xxx  

OTHER INEQUALITIES THAT CAN BE SOLVED GRAPHICALLY 

By looking at the graphs of say any  ( )xf  and any  ( )xg  drawn on the same set of axes, we can also 

solve inequalities in the form: 

   ( )( ) 0<xgxf

    or           ( ) ( ) 0. >xgxf  

In the first case (which we looked at in Example 1), we would look for a range of  x  values for which ( )xf  and  ( )xg  have opposite signs. That is, a range of  x  values in which the graphs of  ( )xf and  ( )xg

lie on opposite sides of the  x ‐axis. 

In the second case, we would look for a range of  x for which both  ( )xf  and  ( )xg  are positive or 

negative. That is, a range of  x  values in which the graphs of  ( )xf  and   ( )xg  lie on the same side of the 

x ‐axis. 

GENERAL SOLUTIONS 

General solutions of trigonometric equations covered in Unit 16 are applied in the sections that follow. Commit them to memory or learn to derive them by repeatedly practising to write them down because they are not included on the information sheet that will be given to you in the examination. They are referred to in the next section. 

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

7  

TYPE 2: USING ( )θθ −= o90cossin or ( )θθ −= o90sincos  Suppose you are solving the equation:      αsinsin =x   Obviously in this case the two sides could not be equal unless         α=x    Because sine is positive in the first and second quadrants we must in fact have           α=x  in the first quadrant  and   α−= o180x   in the second quadrant  Furthermore, sine has a period of  o360 ; so these solutions repeat themselves every  o360 .  Hence the general solutions are:      

    o360.nx += α         and          ( ) oo 360.180 nx +−= α     where    Ζ∈n   Does this solution ring a bell?  It is in fact the general solution you met in Unit 16 with calc∠  replaced by α .  So too application of the general solutions to:      αcoscos =x   will result in the solution:      o360.nx +±= α   and application of the general formula to:      αtantan =x   will result in the solution:                  o180.nax +=   We now show how the above together with the property of complementary angles in the box at the top of this page is used to solve equations.  

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

Example 4:  Solve the equation  xx 2cossin =   You can proceed as in either column 1 or column 2 below: 

        xx 2cossin =   

      ( )xx 290sinsin −= o   The general solution is thus:  

       ( ) oo 360.290 nxx +−=   and  

       ( ) ooo 360.290180 nxx +−−=   

            xx 2cossin =             xx sin2cos =  

           ( )xx −= o90cos2cos   The general solution is thus:  

          ( ) oo 360.902 nxx +−=   and  

           ( )oo 360.902 nxx +−−=  

 

Example 5:  Solve the equation  ( )o45cossin −= xx  

You can proceed as in either column 1 or column 2 below: 

 

        ( )o45cossin −= xx   

        ( ){ }oo 4590sinsin −−= xx   The general solution is thus:  

     ( ){ } ooo 360.4590 nxx +−−=  and 

         ( ){ } oooo 360.4590180 nxx +−−−=    

 

         ( )o45cossin −= xx  

         ( ) xx sin45cos =− o  

         ( ) ( )xx −=− oo 90cos45cos   The general solution is thus:  

         ( ) ( ) ooo 360.9045 nxx +−=−  and 

          ( ) ( ) ooo 360.9045 nxx +−−=−  

 

Exercise 17.1: Use both answers in the above examples to find solutions for values of  [ ]oo 180;270−∈x  

Exercise 17.2: Do rough sketches to show how the above equations can be solved graphically. Where in the sketches do you find the solutions to the equations? 

Exercise 17.3: Looking at the sketches, for what values of  x  is  

a) xx 2cossin ≥  

b) ( ) xx sin45cos >− o  

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

9  

TYPE 3: USING DOUBLE ANGLE FORMULAE  Use of a double angle formula will apply if the equation includes a trigonometric ratio of a single angle 

and another of a double angle. For example,  x  and  x2 . The idea is to reduce all the ratios to one of a single angle. Factorization or use of the quadratic formula will usually follow substitution using a double angle formula. 

Example 6:  Solve  xx 2sincos2 =  by factorizing. 

Solution: xx 2sincos2 =  

      xxx cossin2cos2 =        xxx cossincos =       :factorise nowcan you which 0cossincos =− xxx  

      ( ) 0sin1cos =− xx  

Either    0cos =x    or      0sin1 =− x  

Exercise 17.4: Complete the above example by finding the solutions for  oo 180270 ≤≤− x . 

Exercise 17.5: Do rough sketches to show how the equation in above example can be solved graphically. 

Exercise 17.6: Looking at your rough sketches, for what values of  x  is  xx 2sincos2 ≥ ? 

Exercise 17.7: Looking at your rough sketches, for what values of  x  is  02sincos2 <xx ? 

Example 7: Solve  xx 2cossin =  for  oo 180270 ≤≤− x  using the quadratic formula. 

Solution Explanation               Step 1:                   xx 2cossin =    Step 2:       xx 2sin21sin −=  

  Step 3:     01sinsin2 2 =−+ xx   Thus  

                      a

acbbx2

4sin2 −±−

=  

 

The third  step is a quadratic equation in  xsin  with           ,2=a      1=b     and      1−=c   Substitute for  cba and ,   or solve by factorization. 

 Exercise 17.8: Complete the above example by finding the solutions for  oo 180270 ≤≤− x . 

Exercise 17.9: Instead of using the quadratic formula, use factorization to solve the above problem. 

Exercise 17.10: Verify the solutions of Exercises 17.8 and 17.9 graphically. 

   

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

ANSWERS 

EXERCISE 17.1  Solution to Example 6: The solutions to the first example are fully worked out in order to show you how to work them out.  

Bear in mind that we are looking for solutions in the range  ]180;270[ oo− .  First answer in the first column: 

      ( ) oo 360.290 nxx +−=  

      oo 360.902 nxx +=+  

      oo 360.903 nx +=  

      oo 120.30 nx +=     

3−=n :  ooo 33036030 −=−=x   Reject this answer. Why? 

  2−=n :  ooo 21024030 −=−=x  

  1−=n :   ooo 9012030 −=−=x  

  0=n :    o30=x  

  1=n :    ooo 15012030 =+=x  

  2=n :    ooo 27024030 =+=x   Reject this answer. Why?  Second answer in the first column: 

      ( ) ooo 360.290180 nxx +−−=  

  Simplifies to  oo 360.90 nx −−=     

1−=n :   oo 36090 +−=x     No need to complete the answer. Why? 

  0=n :    o90−=x    1=n :    Is there need to complete this? Why?  Combining the two sets of answers and writing them in ascending (or descending) order we have all the 

solutions in the interval  ]180;270[ oo− : 

  Answers:  oooo 150 ;30 ;90 ;210 −−=x   NOTE: Using the second column would yield the same answers. Give yourself practice by trying this. Solution to Example 7: Working out the general solutions for  { };;;;2;1;0;1;2,, −−−−−−−∈n , the answers are given by: 

      oo 67,5 ;5,112−=x        

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

11  

EXERCISE 17.2 

Sketch of Example 4 

-270 -240 -210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 30 60 90 120 150 180

-1

1

x

y

sin x

cos 2x

A

B

C↓ ↓ ↓ ↓D

 Graphical solutions are given by the  x ‐coordinates of the points A, B, C and D which are the points of intersection of the two graphs. The arrows indicate the solutions.  Sketch of Example 5 

-270 -240 -210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 30 60 90 120 150 180

-1

1

x

y

sin x

cos (x-45)

A

B

↓ ↓

 Similarly, the solutions which are indicated by the arrows are given by the x ‐coordinates of the points of intersection A and B of the two graphs give.  

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

EXERCISE 17.3 

Pay particular attention to whether the relationship in the question is ≥ , that is “greater than and equal to”; or simply >, that is “greater than”. The type of relation indicates how you write the solution as explained below.  Solution to Example 4: Inspect the graphs for values of  x for which the graph of  xsin is above the graph of  x2cos .  

These values are  [ ]o210 ;2700 −−∈x  and   [ ]oo 150 ;30∈x   We use the square brackets [ …. ] because of ≥  in the question. This means that  x  takes the value that is against the square bracket [ .   Using set notation the two sets can be combined by using the symbol ∪ which stands for “union”: 

    [ ] [ ]oooo 150 ;30210 ;270 ∪−−∈x   Solution to Example 5: 

We must inspect the graphs looking out for values of  x for which the graph of  ( )o45cos −x lies above the graph of  xsin .  

These values are  ( )15 ;30o∈x .  Note that in this case we do not use the square brackets because of > in the questions. The bracket ( against a value means that  x does not take that value.      

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

13  

EXERCISE 17.4 

    0cos =x   

Solution on calculator or calc o90=∠   Applying the general solution:  

           o360.calc nx +∠±=  

            oo 360.90 nx +±=   

oo 360190 :1 ×−±=−= xn  

                     oooo 36090-or 36090 −−+=x  

                     o270−=x √     or   o450−  Reject. Why? o90 :0 ±== xn √ that is accept. Why? 

       

0sin1 =− x  1sin =x  

 

Solution on calculator or calc o90=∠   Applying the general solution:  

             o360.calc nx +∠=      

    or     oo 360.)calc180( nx +∠−=   

             oo 360.90 nx +=      

    or     ooo 360.)90180( nx +−=   which both reduce to  

              oo 360.90 nx +=   

o270 :1 −=−= xn √     Why? o90 :0 == xn √    Why? 

 

                   Putting together all the answers we thus get:     ∗−−= 90 ;90 ;270 oox  

 EXERCISE 17.5 

 

                 

-270 -240 -210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 30 60 90 120 150 180

-2

-1

1

2

x

y

2cos x

sin 2x

↓ ↓ ↓

  The solutions are indicated by the arrows and confirm those found in Exercise 17.4 above.     

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

EXERCISE 17.6 

  

              

-240 -210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 30 60 90 120 150 180

-2

-1

1

2

x

y

2cos x

sin 2x

← →The ordinates of 2cos x are greaterthan those of sin 2x in this range

  We must inspect the graphs and look for where the graph of  xcos2  lies above the graph of  x2sin .  In other words, where are the ordinates or the  y coordinates of  xcos2 greater than or equal to those of  x2sin ?  

The answer is indicated by the arrows, that is  [ ]oo 90 ;90−∈x   Why do we use “close” brackets in this case?  EXERCISE 17.7 

 

             

-240 -210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 30 60 90 120 150 180

-2

-1

1

2

x

y

2cos x

sin 2x

← →The ordinates have opposite signs in this range

 In this case we inspect the graphs to observe a range in which the graphs or their ordinates have opposite signs.  This range is indicated by the arrows in the above diagram.  

The answer is thus:        ( )oo 0 ;180−∈x   Why do we use “open” brackets in this case?  

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

15  

EXERCISE 17.8  

 Finding the solutions by using the quadratic formula:  

              42or

44

431

4811sin −

=±−

=+±−

=x  

                0,5or 1sin −=x   

Calculator answers are:      o90−=x   or    o30=x   Inserting these solutions into the two general solutions:  

First, o90−=x :         oo 360.90 nx +−=      or         ( ){ } ooooo 360.270360.90180 nnx +=+−−=   

Determine the solutions in the interval  oo 180270 ≤≤− x :  

oo 270360190 :1 =×+−== xn   Reject. Why? 

o90 :0 −== xn    Accept. Why?  

( ) oo 360190 :1 ×−+−=−= xn   Reject. Why? 

oo 3601270 ×+=x  Reject. Why?  

o270=x     Reject. Why?  

( ) ooo 903601270 −=×−+=x   Accept. Why?  

 You can extend the integer values of n in both negative and positive directions to see if you will uncover 

more solution in the interval  oo 180270 ≤≤− x . Do try.  

Second, o30=x :        oo 360.30 nx +=      or        ( ) ooooo 360.150360.30180 nnx +=+−=   

:1−=n        ( ) oo 360130 ×−+=x  Reject. Why?  

:0=n           o30=x    Accept. Why? 

ooo 210360150 −=−=x    Accept. Why?  

o150=x       Accept. Why?  Again, you can try more integer values of n  to see if there are any more solutions in the given interval.  Combining all the solutions and writing them in ascending order of magnitude, the answer is:  

                                 { } 150 ;30 ;90 ;210 oooo −−∈x   Compare these solutions with the graphical solutions illustrated on previous page.      

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

EXERCISE 17.9 

 Finding the solutions by means of factorization:                             xx 2cossin =   

                           xx 2sin21sin −=   

                           01sinsin2 2 =−+ xx                              ( )( ) 01sin1sin2 =+− xx        So that  either     01sin2 =−x       or         01sin =+x   

                                    1sinor 5,021sin −=== xx  

     Leading as we have seen in the previous Exercise to the solutions already found, namely:      

                                   { } 150 ;30 ;90 ;210 oooo −−∈x    EXERCISE 17.10 

 Finding the solutions graphically   Below is a graphical illustration of the solution of sin x = cos 2x which confirms the solutions obtained by the alternative methods used in Exercises 17.8 and 17.9:  

                 

-270 -240 -210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 30 60 90 120 150 180

-1

1

x

y

sin x

cos 2x

A

B

C↓ ↓ ↓ ↓D

  

The solutions are seen to be  { } 150 ;30 ;90 ;210 oooo −−∈x      

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

17  

REFINING TECHNIQUES FOR SKETCHING TRIGONOMETRIC FUNCTIONS 

We sketched trigonometric functions in UNIT 7 and in the preceding section. Let’s use a few more examples to show in greater detail what to do in order to obtain sketches of the curves of trigonometric functions. 

Example 8: Sketch the graph of  ( ) xxf 3sin= for the domain  [ ]oo 180 ;90−∈x . 

Characteristics  Parent function  xsin   ( ) xxfy 3sin==   Coordinates 

Period  o360   oo

1203

360=  

 

−x intercepts at which  0=y  

oo 180.0 kx +=   x  is replaced by  x3  oo 180.03 kx +=  

oo 60.0 kx +=   

o180 ,3 −=−= xk  o120 ,2 −=−= xk  o60 ,1 −=−= xk  

o0 ,0 == xk  o60 ,1 == xk  o120 ,2 == xk  o180 ,3 == xk  o240 ,4 == xk  

Coordinates that fall within the domain: 

   

( )oo 0 ;120−  

( )oo 0 ;60−  

( )oo 0 ;0  

( )oo 0 ;60  

( )oo 0 ;120  

( )oo 0 ;180  

=y intercepts at 

which  o0=x  10sin == oy   00sin03sin ==×= ooy (0 o ;  0) 

Maximum value at 1=y  

oo 360.90 kx +=   x  is replaced by  x3  oo 360.903 kx +=  

 o90 ,1 −=−= xk  

o30 ,0 == xk  o150 ,1 == xk  o270 ,2 == xk  

Coordinates that fall within the domain: 

 

( )1 ;90o−  

( )1 ;30o  

( )1 ;150o  

Minimum value 1−=y  

oo 360.90 kx +−=   x  is replaced by  x3  oo 360.903 kx +−=  

 o150 ,1 −=−= xk  

o30 ,0 −== xk  o90 ,1 == xk  o210 ,2 == xk  

Coordinates that fall within the domain: 

   

( )1- ;30o−  

( )1 - ;90o  

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

What a lot of working! It had to be at this stage because we are making explanations. But with much practice on your part you will not have to do so much working out and writing down. On many occasions you are required to state or indicate on your sketch the coordinates of the intercepts and turning points so you must know how to derive them. In practice though these can be more easily derived from your knowledge of the parent function instead of getting bogged down by using the general formulae. 

What you next do is to plot the coordinates on your axes: 

-120 -105 -90 -75 -60 -45 -30 -15 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

-1

1

x

y

 Now join the points you see with a smooth curve (not straight lines!): 

-120 -105 -90 -75 -60 -45 -30 -15 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

-1

1

x

y

 The first sketch above is for purposes of showing that first you must plot the points. Otherwise, all you need to show when solving this question is the last sketch. 

What is the amplitude of  ( ) xxf 3sin= ? 

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

19  

Example 9: Sketch the graph of  ( ) ( )o30cos += xxf for the domain  [ ]oo 240 ;180−∈x . 

Characteristics  Parent function  xcos   ( ) ( )o30cos +== xxfy   Coordinates 

Period  o360   o360    

−x intercepts at which 0=y  

( ) o90.12 += kx   x  is replaced by  o30+x  

( ) oo 90.1230 +=+ kx  oo 6090.2 += kx  

 o120 ,1 −=−= xk  

o60 ,0 == xk  

Coordinates that fall within the 

domain:   

( )oo 0 ;120−  

( )oo 0 ;60  

=y intercepts at 

which  o0=x  

  ( )o30cos += xy  

      ( )oo 300cos +=  

                 o30cos=  

                 87,023==  

(0;  0,87) 

Maximum value at 1=y  

1cos =x  oo 360.0 kx +=  

x  is replaced by  o30+x  ooo 360.030 kx +=+  

oo 360.30 kx +−=   

o30 ,0 −== xk  o330 ,1 == xk  

Coordinates that fall within the 

domain:   

( )1 ;30o−  

Minimum value 1−=y  

1cos −=x  oo 360.180 kx +=  

x  is replaced by  o30+x  ooo 360.18030 kx +=+  

oo 360.150 kx +=   

o150 ,0 == xk  

Coordinates that fall within the 

domain:  

           ( )1- ;150o  

 Plot the points and join them with a smooth curve to get: 

-180 -165 -150 -135 -120 -105 -90 -75 -60 -45 -30 -15 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240

-1

1

x

y

 

What is the amplitude of  ( ) ( )o30cos += xxf ? 

   

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

Example 10:  Sketch the graph of  ( ) ( )o60tan −= xxf for the domain  [ ]oo 180 ;135−∈x . 

Characteristics  Parent function  xtan   ( ) ( )o60tan −== xxfy   Coordinates 

Period  o180   o180    

−x intercepts at which  0=y  

o180.kx =   x  is replaced by  o60−x  oo 180.60 kx =−  oo 180.60 kx +=  

 o120 ,1 −=−= xk  

o60 ,0 == xk  

Coordinates that fall within the 

domain:   

( )0 ;120o−  

( )0 ;60o  

=y intercepts 

at which  o0=x  00tan == oy   ( ) 73,160tan600tan ==+ ooo   (0;  1,73) 

Asymptotes  ( ) o90.12 += kx   x  is replaced by  o60−x  

( ) oo 90.1260 +=− kx   

( ) oo 6090.12 ++= kx  o30 ,1 −=−= xk  o150 ,0 == xk  

Asymptotes at  

o30 −=x   

o150 =x  

 Plot the points and join them with a smooth curve to get: 

-130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x

y

 

 

We will now apply all of the above to solving trigonometric equations and inequalities.   

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

21  

PAPER 2  QUESTION 6                  DoE/ADDITIONAL EXEMPLAR 2008 

 

PAPER 2  QUESTION8                DoE/NOVEMBER 2008 

 

PAPER 2  QUESTION 7                  DoE/PREPARATORY EXAMINATION 2008 

Given the following functions:  ( ) ( )o30sin += xxf  and  ( ) xxg 2cos=  

7.1  Sketch the functions for  [ ]oo 180;90−∈x  on DIAGRAM SHEET 1. 

  Clearly show the intercepts with axes as well as the turning points.          (8) 

7.2  Calculate values of  x  for  ( ) ( )xgxf =  for  [ ]oo 90;90−∈x .           (8) 

7.3  Use your graph to determine the value(s) of  x  for which  ( ) ( )xgxf ≥  for  [ ]oo 180;0∈x    (2) 

7.4  State the value(s) of  x  for which  ( )xg  is negative and  x  is increasing for  [ ]oo 180;90−∈x . 

                        (2)[20] 

 

   

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

PAPER 2  QUESTION 6                    DoE/ADDITIONAL EXEMPLAR 2008 

Number  Hints and answers  Work out the solutions in the boxes below 6.1   

Look at each function.  State its amplitude.  State its period, and its  x ‐ and y ‐ intercepts.  State its turning points.  Sketch each graphs.  Check your answer with a friend. 

DIAGRAM SHEET 1 

  

 6.2  Some of the trigonometric equations you will 

have met in Grades 11 & 12 can be solved like algebraic equations in one unknown.  To get a single unknown we must transform the equation so that it only has sines or cosines, and furthermore, simplified to sines or cosines of a single angle  x rather than a double angle  x2 .  

xsin as a sine of a single  x  is already in simplified form. So tackle  x2cos  reducing this to an expression in terms of a sine of single  x  by using an appropriate formula.  Do this and you will end up with a quadratic equation in  xsin . Solve for  xsin  by using the quadratic formula. Or, first let  kx =sin . 

 Answer:  

oo 5,158or 5,21 == xx  

 

6.3  Look at your two graphs drawn on the same axes and find out where along the  x ‐axis the difference between the two graphs is equal to 3 units.    If you could not see where the graphs differ by 3 units, use the answer to see this and this will show you how to work out such a question in future.  Answer:  o90=x  

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

23  

PAPER 2  QUESTION 8                  DoE/NOVEMBER 2008 

Number  Hints and answers  Work out the solutions in the boxes below 8.1  Have either a cosine or a sine on both 

sides of the equation by using the cosine of an angle is the same as the sine of the complement of the angle, and vis a verse. First find the general solutions and then 

find the solutions within  [ ]oo 180;90−    Answer: 

ooo 5,112;5,22;5,67−=x  

or   oo 135;45−=x  

 

8.2  Sketch strictly within the given domain; otherwise you will lose a mark or two. Use a different colour pen for each curve so you can see each clearly when you sketch them. Use broken horizontal lines to indicate the maximum and minimum of each function.   The sine curve is easy to sketch in because its period is  o360 . Mark the points where it crosses the  x ‐axis, attains its maximum and minimum values.  Do likewise for the cosine curve dividing by 3 the points where its parent curve cos  x  crosses the  x ‐axis and attains its maximum and minimum values within the domain  [ ]oo 180;90− .  DIAGRAM SHEET 2 

8.3  Look at the graphs and see for which values of  x  within [ ]oo 180;90−  the graph of  ( )xf is below the graph  of  ( )xg .  

Answer: 

 

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

PAPER 2  QUESTION 7                      DoE/PREPARATORY EXAMINATION 2008 

Number  Hints and answers  Work out the solutions in the boxes below 7.1                                    

First do sketches on rough paper if this approach suits you better and enables you to see the shape of its curve together with the location of its turning points and intercepts on the axes.  

On rough paper make a quick sketch of sin x  for  [ ]oo 180;90−∈x . Then shift the graph by o30 to the left. Mark its intercepts with the axes and its turning points. 

 

Similarly on rough paper make a quick sketch of cos  x  for  [ ]oo 360;180−∈x taking into consideration that the period is to be halved when sketching cos 2 x .   Now halve the markings on the  x ‐axis to give the  x ‐intercepts of cos 2 x  for 

[ ]oo 180;90−∈x .  On the diagram given to you, now sketch the graphs as neatly and correctly as possible, superimposing one on the other: DIAGRAM SHEET 1                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       

 Answers:  

  ( )xf   ( )xg  

  x ‐intercepts  ( )0;30o−  

( )0;150o  

( )0;45o−  

( )0;45o  

( )0;135o  

y ‐ intercepts  ( )5.0;0o   ( )1;0o  

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

25  

Number  Hints and answers  Work out the solutions in the boxes below Turning points  ( )1;60o   ( )1;0o  

( )1;90 −− o  

( )1;90 −o  

( )1;180o   

7.2  You are solving the equation  

( ) xx cos230sin =+ o  in the interval 

[ ]oo 90;90−∈x .  Use the fact that the sin of an angle is equal to the cosine of the complement of the angle, or vice a versa. This way you will have either a sin or a cosine on both sides of the equation enabling you to equate the angles. Remember to apply the general solutions and only thereafter restrict the solutions to 

[ ]oo 90;90−∈x .  Answers: 

oo 20;60−=x  

 

7.3  Inspect your sketches in 7.1 to see where the graph of  ( )xf is above the 

graph of  ( )xg .  Note: answer is sought in interval

[ ]oo 180;0∈x .  For what range of values is  ( )xf  

above  ( )xg ? This will give you the answer to the question.  Use your solutions in 7.2 to mark the end points of the  range of values of  x  for which  gf ≥ .  Answer: 

[ ]oo 140;20∈x  

 

7.4  Answer: You write the answer. 

 

   

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

MORE QUESTIONS FROM PAST EXAMINATION PAPERS

Exemplar 2008 Paper 2

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

27  

Feb – March 2008 Paper 2

DIAGRAM SHEET 2

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

Feb – March 2009 Paper 2

DIAGRAM SHEET 1 

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

29  

November 2009 (Unused paper) Paper 2

DIAGRAM SHEET 1

This sheet is the one shown above. 

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

November 2009(1) Paper 2

DIAGRAM SHEET 4 

Solution of trigonometric equations and inequalities analytically and graphically 

31  

Feb – March 2010 Paper 2

DIAGRAM SHEET 3  

Preparation for the Mathematics examination brought to you by Kagiso Trust 

ANSWERS

Exemplar 2008 

8.1    )174,0;160( o−A  

          ( )766,0;80oB  

8.2      oo 80160 <<− x   Feb/March 2009 8.1    Sketch:  

 8.2     o0=x   or   o180             or 

           ooo 120or 60 ;60 −=x  

8.3      9060or 060 oooo <<<<− xx             or     oo 180120 << x  

9        Maximum value = 31 

          Minimum value = 41 

November 2009 (Unused paper) 8.1     2=a  8.2    Sketch: 

 8.3    2 

8.4    Reading from the graph,  o5,14 lies to the           right of the point of intersection.  

          So  o5,14<θ . 

November 2009(1) 12.1    Sketch:  

 12.2     Points A and B shown on the graph. 12.3      oo 30or 90 −== xx  12.4      oo 210 and 30 == xx  

12.5       [ ) ( ]oooo U 270;12060;90 −−∈x   Feb/March 2010 

11.1      { }oooo 360;330;210;180∈x   11.2      Sketch:  

 11.3      oo 210180 ≤≤ x   or    oo 360330 ≤≤ x