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(sec^2(x)+1)(sec^2(x)-1)=tan(x)

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解答

(sec2(x)+1)(sec2(x)−1)=tan(x)

解答

x=πn,x=0.42567…+πn
+1
度数
x=0∘+180∘n,x=24.38942…∘+180∘n
求解步骤
(sec2(x)+1)(sec2(x)−1)=tan(x)
两边减去 tan(x)(sec2(x)+1)(sec2(x)−1)−tan(x)=0
使用三角恒等式改写
−tan(x)+(−1+sec2(x))(1+sec2(x))
使用毕达哥拉斯恒等式: sec2(x)=tan2(x)+1sec2(x)−1=tan2(x)=−tan(x)+tan2(x)(1+sec2(x))
−tan(x)+(1+sec2(x))tan2(x)=0
分解 −tan(x)+(1+sec2(x))tan2(x):tan(x)(−1+tan(x)(sec2(x)+1))
−tan(x)+(1+sec2(x))tan2(x)
使用指数法则: ab+c=abactan2(x)=tan(x)tan(x)=−tan(x)+(sec2(x)+1)tan(x)tan(x)
因式分解出通项 tan(x)=tan(x)(−1+(sec2(x)+1)tan(x))
tan(x)(−1+tan(x)(sec2(x)+1))=0
分别求解每个部分tan(x)=0or−1+tan(x)(sec2(x)+1)=0
tan(x)=0:x=πn
tan(x)=0
tan(x)=0的通解
tan(x) 周期表(周期为 πn):
x06π​4π​3π​2π​32π​43π​65π​​tan(x)033​​13​±∞−3​−1−33​​​​
x=0+πn
x=0+πn
解 x=0+πn:x=πn
x=0+πn
0+πn=πnx=πn
x=πn
−1+tan(x)(sec2(x)+1)=0:x=arctan(0.45339…)+πn
−1+tan(x)(sec2(x)+1)=0
使用三角恒等式改写
−1+(1+sec2(x))tan(x)
使用毕达哥拉斯恒等式: sec2(x)=tan2(x)+1=−1+(1+tan2(x)+1)tan(x)
化简 1+tan2(x)+1:tan2(x)+2
1+tan2(x)+1
对同类项分组=tan2(x)+1+1
数字相加:1+1=2=tan2(x)+2
=−1+tan(x)(tan2(x)+2)
−1+(2+tan2(x))tan(x)=0
用替代法求解
−1+(2+tan2(x))tan(x)=0
令:tan(x)=u−1+(2+u2)u=0
−1+(2+u2)u=0:u≈0.45339…
−1+(2+u2)u=0
展开 −1+(2+u2)u:−1+2u+u3
−1+(2+u2)u
=−1+u(2+u2)
乘开 u(2+u2):2u+u3
u(2+u2)
使用分配律: a(b+c)=ab+aca=u,b=2,c=u2=u⋅2+uu2
=2u+u2u
u2u=u3
u2u
使用指数法则: ab⋅ac=ab+cu2u=u2+1=u2+1
数字相加:2+1=3=u3
=2u+u3
=−1+2u+u3
−1+2u+u3=0
改写成标准形式 an​xn+…+a1​x+a0​=0u3+2u−1=0
使用牛顿-拉弗森方法找到 u3+2u−1=0 的一个解:u≈0.45339…
u3+2u−1=0
牛顿-拉弗森近似法定义
f(u)=u3+2u−1
找到 f′(u):3u2+2
dud​(u3+2u−1)
使用微分加减法定则: (f±g)′=f′±g′=dud​(u3)+dud​(2u)−dud​(1)
dud​(u3)=3u2
dud​(u3)
使用幂法则: dxd​(xa)=a⋅xa−1=3u3−1
化简=3u2
dud​(2u)=2
dud​(2u)
将常数提出: (a⋅f)′=a⋅f′=2dudu​
使用常见微分定则: dudu​=1=2⋅1
化简=2
dud​(1)=0
dud​(1)
常数微分: dxd​(a)=0=0
=3u2+2−0
化简=3u2+2
令 u0​=1计算 un+1​ 至 Δun+1​<0.000001
u1​=0.6:Δu1​=0.4
f(u0​)=13+2⋅1−1=2f′(u0​)=3⋅12+2=5u1​=0.6
Δu1​=∣0.6−1∣=0.4Δu1​=0.4
u2​=0.46493…:Δu2​=0.13506…
f(u1​)=0.63+2⋅0.6−1=0.416f′(u1​)=3⋅0.62+2=3.08u2​=0.46493…
Δu2​=∣0.46493…−0.6∣=0.13506…Δu2​=0.13506…
u3​=0.45346…:Δu3​=0.01146…
f(u2​)=0.46493…3+2⋅0.46493…−1=0.03037…f′(u2​)=3⋅0.46493…2+2=2.64849…u3​=0.45346…
Δu3​=∣0.45346…−0.46493…∣=0.01146…Δu3​=0.01146…
u4​=0.45339…:Δu4​=0.00006…
f(u3​)=0.45346…3+2⋅0.45346…−1=0.00018…f′(u3​)=3⋅0.45346…2+2=2.61689…u4​=0.45339…
Δu4​=∣0.45339…−0.45346…∣=0.00006…Δu4​=0.00006…
u5​=0.45339…:Δu5​=2.5125E−9
f(u4​)=0.45339…3+2⋅0.45339…−1=6.57449E−9f′(u4​)=3⋅0.45339…2+2=2.61670…u5​=0.45339…
Δu5​=∣0.45339…−0.45339…∣=2.5125E−9Δu5​=2.5125E−9
u≈0.45339…
使用长除法 Equation0:u−0.45339…u3+2u−1​=u2+0.45339…u+2.20556…
u2+0.45339…u+2.20556…≈0
使用牛顿-拉弗森方法找到 u2+0.45339…u+2.20556…=0 的一个解:u∈R无解
u2+0.45339…u+2.20556…=0
牛顿-拉弗森近似法定义
f(u)=u2+0.45339…u+2.20556…
找到 f′(u):2u+0.45339…
dud​(u2+0.45339…u+2.20556…)
使用微分加减法定则: (f±g)′=f′±g′=dud​(u2)+dud​(0.45339…u)+dud​(2.20556…)
dud​(u2)=2u
dud​(u2)
使用幂法则: dxd​(xa)=a⋅xa−1=2u2−1
化简=2u
dud​(0.45339…u)=0.45339…
dud​(0.45339…u)
将常数提出: (a⋅f)′=a⋅f′=0.45339…dudu​
使用常见微分定则: dudu​=1=0.45339…⋅1
化简=0.45339…
dud​(2.20556…)=0
dud​(2.20556…)
常数微分: dxd​(a)=0=0
=2u+0.45339…+0
化简=2u+0.45339…
令 u0​=−5计算 un+1​ 至 Δun+1​<0.000001
u1​=−2.38770…:Δu1​=2.61229…
f(u0​)=(−5)2+0.45339…(−5)+2.20556…=24.93858…f′(u0​)=2(−5)+0.45339…=−9.54660…u1​=−2.38770…
Δu1​=∣−2.38770…−(−5)∣=2.61229…Δu1​=2.61229…
u2​=−0.80877…:Δu2​=1.57892…
f(u1​)=(−2.38770…)2+0.45339…(−2.38770…)+2.20556…=6.82410…f′(u1​)=2(−2.38770…)+0.45339…=−4.32200…u2​=−0.80877…
Δu2​=∣−0.80877…−(−2.38770…)∣=1.57892…Δu2​=1.57892…
u3​=1.33267…:Δu3​=2.14145…
f(u2​)=(−0.80877…)2+0.45339…(−0.80877…)+2.20556…=2.49299…f′(u2​)=2(−0.80877…)+0.45339…=−1.16416…u3​=1.33267…
Δu3​=∣1.33267…−(−0.80877…)∣=2.14145…Δu3​=2.14145…
u4​=−0.13773…:Δu4​=1.47040…
f(u3​)=1.33267…2+0.45339…⋅1.33267…+2.20556…=4.58582…f′(u3​)=2⋅1.33267…+0.45339…=3.11874…u4​=−0.13773…
Δu4​=∣−0.13773…−1.33267…∣=1.47040…Δu4​=1.47040…
u5​=−12.28878…:Δu5​=12.15105…
f(u4​)=(−0.13773…)2+0.45339…(−0.13773…)+2.20556…=2.16209…f′(u4​)=2(−0.13773…)+0.45339…=0.17793…u5​=−12.28878…
Δu5​=∣−12.28878…−(−0.13773…)∣=12.15105…Δu5​=12.15105…
u6​=−6.16844…:Δu6​=6.12033…
f(u5​)=(−12.28878…)2+0.45339…(−12.28878…)+2.20556…=147.64808…f′(u5​)=2(−12.28878…)+0.45339…=−24.12417…u6​=−6.16844…
Δu6​=∣−6.16844…−(−12.28878…)∣=6.12033…Δu6​=6.12033…
u7​=−3.01629…:Δu7​=3.15214…
f(u6​)=(−6.16844…)2+0.45339…(−6.16844…)+2.20556…=37.45853…f′(u6​)=2(−6.16844…)+0.45339…=−11.88349…u7​=−3.01629…
Δu7​=∣−3.01629…−(−6.16844…)∣=3.15214…Δu7​=3.15214…
u8​=−1.23538…:Δu8​=1.78090…
f(u7​)=(−3.01629…)2+0.45339…(−3.01629…)+2.20556…=9.93603…f′(u7​)=2(−3.01629…)+0.45339…=−5.57919…u8​=−1.23538…
Δu8​=∣−1.23538…−(−3.01629…)∣=1.78090…Δu8​=1.78090…
u9​=0.33676…:Δu9​=1.57215…
f(u8​)=(−1.23538…)2+0.45339…(−1.23538…)+2.20556…=3.17163…f′(u8​)=2(−1.23538…)+0.45339…=−2.01738…u9​=0.33676…
Δu9​=∣0.33676…−(−1.23538…)∣=1.57215…Δu9​=1.57215…
u10​=−1.85651…:Δu10​=2.19328…
f(u9​)=0.33676…2+0.45339…⋅0.33676…+2.20556…=2.47166…f′(u9​)=2⋅0.33676…+0.45339…=1.12692…u10​=−1.85651…
Δu10​=∣−1.85651…−0.33676…∣=2.19328…Δu10​=2.19328…
u11​=−0.38074…:Δu11​=1.47577…
f(u10​)=(−1.85651…)2+0.45339…(−1.85651…)+2.20556…=4.81048…f′(u10​)=2(−1.85651…)+0.45339…=−3.25963…u11​=−0.38074…
Δu11​=∣−0.38074…−(−1.85651…)∣=1.47577…Δu11​=1.47577…
u12​=6.68826…:Δu12​=7.06901…
f(u11​)=(−0.38074…)2+0.45339…(−0.38074…)+2.20556…=2.17790…f′(u11​)=2(−0.38074…)+0.45339…=−0.30809…u12​=6.68826…
Δu12​=∣6.68826…−(−0.38074…)∣=7.06901…Δu12​=7.06901…
无法得出解
解是u≈0.45339…
u=tan(x)代回tan(x)≈0.45339…
tan(x)≈0.45339…
tan(x)=0.45339…:x=arctan(0.45339…)+πn
tan(x)=0.45339…
使用反三角函数性质
tan(x)=0.45339…
tan(x)=0.45339…的通解tan(x)=a⇒x=arctan(a)+πnx=arctan(0.45339…)+πn
x=arctan(0.45339…)+πn
合并所有解x=arctan(0.45339…)+πn
合并所有解x=πn,x=arctan(0.45339…)+πn
以小数形式表示解x=πn,x=0.42567…+πn

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