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Trigonometrische Gleichungen lösen

Trigonometrische Gleichungen erkennst Du daran, dass sie Terme mit Sinus, Kosinus oder Tangens beinhalten. Wenn Du trigonometrische Gleichungen lösen willst, kann Dir der Taschenrechner dabei behilflich sein. Wie Du ihn dabei einsetzt, wie Du trigonometrische Gleichungen auch ohne Taschenrechner mithilfe der Substitution lösen kannst sowie weitere hilfreiche Tipps erfährst Du in dieser Erklärung.

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Welche der Funktionen ist keine trigonometrische Funktion?

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Welche Periode p hat die Funktion f(x)=5sin(7x)?

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Welchen Funktionswert nimmt die Funktion f(x)=sin(x) für x=0 an?

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Trigonometrische Gleichungen – Erklärung

Trigonometrische Gleichungen sind mathematische Gleichungen, in denen die Winkelfunktionen Sinus, Kosinus und Tangens vorkommen. Trigonometrische Funktionen sind periodische Funktionen. Das bedeutet, dass sich die Funktionen nach einer gewissen Periode p wiederholen.

Trigonometrische Gleichungen lösen Trigonometrische Gleichungen erklärung StudySmarter

Abb. 1 - Funktionsgrafen der Sinus-, Kosinus- und Tangensfunktion in Bogenmaß.

Die Funktionsgleichung, die dazugehörige Periodizität sowie der Wertebereich der drei Funktionen findest Du in der nachfolgenden Tabelle.

SinusfunktionKosinusfunktionTangensfunktion
Funktionsgleichungf(x)=sin(x)f(x)=cos(x)f(x)=tan(x)
Periodizität p 2ππ
WertebereichWf=[1,1]Wf=[,]

Trigonometrische Gleichungen können in Bogenmaß (erkennbar am π) und alternativ in Gradmaß (erkennbar an der Einheit ) angegeben werden. Aufgrund der Periodizität wird in der Regel das Bogenmaß verwendet.

Weitere Eigenschaften trigonometrischer Funktionen findest Du in den Erklärungen Trigonometrische Funktionen, Sinusfunktion, Kosinusfunktion und Tangensfunktion.

Trigonometrische Gleichungen lösen

Für die Sinus- und Kosinus Funktion findest Du innerhalb einer Periode für einen yWert maximal zwei xWerte.

Trigonometrische Gleichungen lösen Trigonometrische Gleichungen erklärung StudySmarter

Abb. 2: Lösungsmenge trigonometrischer Funktionen innerhalb einer Periode am Beispiel vom Sinus.

Innerhalb der Periode p nehmen x1 und x2 den yWert=0,8 an. Das bedeutet, dass es innerhalb einer Periode - in diesem Fall 2π - zwei Lösungen gibt. Dein Taschenrechner wird Dir jedoch für y=0,8 nur eine Lösung anzeigen (x1). Das zweite Ergebnis x2 kannst Du mithilfe folgender Gleichungen selbst bestimmen:

Formel zur Berechnung der zweiten Lösung innerhalb einer Periode
SinusCosinus
x2=p2x1x2=px1

Damit kannst Du innerhalb der ersten Periode alle Lösungen berechnen.

Die Gleichung sin(x)=0,8 hat eine Lösung bei x1=0,927. Um die andere Lösung in der Periode von p=2π zu ermitteln, setzt Du jetzt die erste Lösung in die Formel ein:

x2=p2x1x2=2π20,927x2=2,215

Die zweite Lösung lautet x2=2,215.

Trigonometrische Gleichungen mit unendlicher Lösungsmenge

Da trigonometrische Funktionen periodische Funktionen sind und nach der ersten Periode die zweite Periode kommt und danach die dritte und immer so weiter, hat jede weitere Periode innerhalb des Wertebereiches auch wieder zwei Lösungen (bzw. mindestens eine), die den y-Wert annehmen.

Trigonometrische Gleichungen lösen Trigonometrische Gleichungen erklärung StudySmarterAbb. 3: Stellen, an denen die trigonometrischen Funktion Sinus den Wert 0,8 annimmt.

Du kannst aus der Abbildung erkennen, dass A & C genau eine Periodenlänge – hier 2π – voneinander entfernt sind. Genauso wie B & D, C & E oder D & F einen Abstand von 2π haben. Die Lösungsmenge trigonometrischer Gleichungen ist also periodisch.

Die vollständige Lösungsmenge von trigonometrischen Gleichungen wie Sinus und Cosinus wird wie folgt angegeben: L={x1+kp;x2+kp}

  • p gibt dabei die Periode der Funktion an.
  • k kann jede ganze Zahl aus der Zahlenmenge Z sein (...,2,1,0,1,2,3,...)sein.

Jede trigonometrische Gleichung hat somit für einen y-Wert unendlich viele Lösungen.

Wie sieht das Ganze jetzt für die Sinusgleichung sin(x)=0,8 aus? Die Lösungen der ersten Periode der trigonometrischen Gleichung sin(x)=0,8 lauten: x1=0,927 und x2=2,215.

Die Lösung der zweiten Periode kannst Du jetzt mit der Formel L=x1,2+kp berechnen, wobei k=1 und p=2π ist.

x3=x1+12π=0,927+12π=7,210x4=x2+12π=2,215+12π=8,498

Analog dazu die Lösungen der dritten Periode mit k=2:

x5=x1+22π=0,927+22π=13,493x6=x2+22π=2,215+22π=14,781

Die gesamte Lösungsmenge kannst Du also wie folgt angeben:

L={0,927+k2π;2,215+k2π,kZ}

Trigonometrische Gleichungen im Intervall lösen

Aufgrund der Periodizität haben trigonometrische Gleichungen im Allgemeinen eine unendliche Lösungsmenge. Schaust Du Dir die Gleichung aber nur in einem bestimmten Intervall an, ist die Lösungsmenge der Gleichung auf dieses Intervall beschränkt.

Eine Aufgabenstellung mit Intervallgrenzen könnte wie folgt aussehen:

Löse die Gleichung sin(3x)=0,5 für x[0;π].

Um eine solche Gleichung zu lösen, kann Dir Dein Taschenrechner helfen. Wie das genau funktioniert, erfährst Du in den nächsten Abschnitten.

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Trigonometrische Gleichungen lösen

Trigonometrische Gleichungen mit Taschenrechner lösen

Hast Du zum Lösen trigonometrischer Gleichungen einen Taschenrechner zur Verfügung, kannst Du die Lösungen mithilfe der Umkehrfunktionen berechnen lassen.

Trigonometrische FunktionUmkehrfunktion (Befehl)
Sinus: sin(x)Arkussinus: arcsin(x) auch sin(x)1
Cosinus: cos(x)Arkuscosinus: arccos(x) auch cos(x)1
Tangens: tan(x)Arkustangens: arctan(x) auch tan(x)1

Im nächsten Beispiel kannst Du nachvollziehen, was genau bei solchen Befehlen passiert.

Aufgabe 2

Löse die folgende Gleichung:

sin(3x)=0,5 für x[0;π].

Lösung

Um die Gleichung hier zu lösen, wählst Du die Umkerfunktion von Sinus, also sin1.

sin(3x)=0,5|sin13x=sin1(0,5)

sin1(0,5) kannst Du jetzt in Deinen Taschenrechner eingeben. Das Ergebnis davon ist 0,5236.

Achte bei der Eingabe in den Taschenrechner darauf, dass er auf Radiant (RAD) eingestellt ist.

Löse Deine Gleichung nach x auf und Du erhältst das erste Ergebnis:

3x=0,5236|:3x=0,52363x1=0,1745

Zum Berechnen der zweiten Lösung x2 nutzt Du die Formel x2=p2x1 mit der Periode p=2π3:

x2=2π320,1745x20,8727

Da in der Aufgabenstellung ein Intervall angegeben ist, musst Du noch weitere Lösungen für x für die nächste Periode berechnen:

x3=x1+12π3=0,1745+12π32,2689x4=x2+12π3=0,8727+12π32,9671

Weitere Lösungen für x sind nicht mehr im Intervall von x[0;π] enthalten. Daraus ergibt sich folgende Lösungsmenge

L={0,1745;0,8727;2,2689;2,9671}

Trigonometrische Gleichungen lösen – Ohne Taschenrechner

Darfst Du Deinen Taschenrechner beim Lösen nicht benutzen, kannst Du mithilfe einiger wichtigen Werte der Kosinus- und Sinusfunktion selbst auf Dein Ergebnis schließen. Dazu liegt der Aufgabe meist eine Wertetabelle bei.

x in Bogenmaßπ6π4π3π2π3π22π
f(x)=sin(x)1222321010
f(x)=cos(x)3222120101

220,707, 320,866

Aus der Wertetabelle kannst Du z.B. ablesen, dass die Funktion f(x)=sin(x) bei x=π den Funktionswert 0 besitzt: sin(π)=0. Versuche mithilfe der Tabelle folgende Aufgabe zu lösen:

Aufgabe 3

Löse die folgende Gleichung: sin(x)=32

Lösung

Aus der Wertetabelle kannst Du ablesen, dass der Sinus für x=π3 den Funktionswert 32 annimmt. Die erste Lösung lautet somit x1=π3.

Zum Berechnen der zweiten Lösung x2 nutzt Du die Formel x2=p2x1 mit der Periode p=2π:

x2=2π2π3x2=2π3

Da in der Aufgabe kein Intervall angegeben ist, musst Du noch die gesamte Lösungsmenge angeben: L={π3+k2π;2π3+k2π,kZ}

Trigonometrische Gleichungen lösen – Vereinfachen

Kompliziertere Gleichungen kannst Du auch ohne Taschenrechner lösen, indem Du sie vorher vereinfachst. Das geht z. B. durch Substitution oder Additionstheoreme.

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Trigonometrische Gleichungen lösen

Trigonometrische Gleichungen lösen – Substitution

Um kompliziertere trigonometrische Gleichungen ohne Taschenrechner zu lösen, kann Dir die Substitution helfen. Damit vereinfachst Du bestimmte Terme. Dabei gehst Du wie folgt vor:

  • Schritt 1: Ersetze den Teil in der Klammer mit "u"
  • Schritt 2: Löse die vereinfachte Gleichung für u1
  • Schritt 3: Rücksubstitution von u1 nach x1
  • Schritt 4: Berechne mit x1 ggf. weitere Lösungen für x im Intervall

Aufgabe 4

Löse die folgende Gleichung: sin(3x)=0,5

Gib alle Lösungen im Intervall von x[0,π2] an.

Lösung

1. Ersetze den Teil in der Klammer mit "u"

Du ersetzt die "3x" mit u. u=3x

sin(3x)=0,5sin(u)=0,5

2. Löse die vereinfachte Gleichung

sin(u)=0,5

Aus der Wertetabelle kannst Du ablesen, dass der Sinus den y-Wert 0,5 bei x bzw. u=π6 annimmt.

Die erste Lösung für sin(u)=0,5 lautet somit: u1=π6.

3. Rücksubstitution

Die berechneten Lösungen aus 2. ist von u abhängig und bezieht sich auf sin(u)=0,5. Um nun die Lösung auf die eigentliche Gleichung f(x)=sin(3x) zu beziehen, musst Du die Substitution u=3x in die Lösung von oben einsetzen:

u1=π63x1=π6|:3x1=π18

Die erste Lösung für die Gleichung sin(3x)=0,5 lautet somit x1=π18.

4. Berechne mit x1 weitere Lösungen für x im Intervall

Zum Berechnen der zweiten Lösung x2 nutzt Du wieder die Formel x2=p2x1 mit der Periode p=2π3:

x2=2π6π18x2=518π

Die dritte Lösung liegt noch im Intervall von x[0,π2] und ergibt sich zu:

x3=x1+kpx3=x1+12π3x3=1318π

Die finalen Lösungen für die Gleichung sin(3x)=0,5 im gegebenen Intervall x[0,π2] ergeben sich somit zu:

x1=π18; x2=518π; x3=1318π

Trigonometrische Gleichungen lösen – Tipps

Die trigonometrischen Funktionen lassen sich alle über den Einheitskreis herleiten. Demnach stehen der Sinus, Kosinus und Tangens in Beziehungen, die es Dir erlauben, beim Lösen Abkürzungen anzuwenden.

Schau Dir dafür einige der Zusammenhänge in der folgenden Liste an:

  • cos2(x)+sin2(x)=1
  • tan(x)=sin(x)cos(x)
  • sin(x)=sin(x)
  • cos(x)=cos(x)

Weiterhin kannst Du die Additionstheoreme, als Werkzeug verwenden, um Deine trigonometrische Gleichung zu vereinfachen. Additionstheoreme sind Formeln zur Vereinfachung von Winkelfunktionen der Form: sin(α±β), cos(α±β) und tan(α±β). Schau Dir dafür die nächste Tabelle an.

FunktionAdditionstheorem
Sinussin(α±β)=sin(α)cos(β)±cos(α)sin(β)
Cosinuscos(α±β)=cos(α)cos(β)sin(α)sin(β)
Tangenstan(α±β)=tan(α)±tan(β)1tan(α)tan(β)

Mehr Informationen dazu findest Du in der Erklärung Additionstheoreme.

Trigonometrische Gleichungen lösen – Aufgaben

Versuche nun selbstständig die folgenden Aufgaben zu lösen.

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Trigonometrische Gleichungen lösen

Aufgabe 5: Trigonometrische Gleichungen mit Taschenrechner lösen

Löse 5cos(3x)=1 für x[0;π2] mit dem Taschenrechner.

Lösung

5cos(3x)=1|:5cos(3x)=15|cos13x=cos1(15)|:3x=cos1(15)3x1=0,4565

Zum Berechnen der zweiten Lösung x2 nutzt Du die Formel x2=px1 mit der Periode p=2π3:

x2=2π30,4565x2=1,6379

Da x2 größer als π2 sind und somit nicht mehr im angegebenen Intervall von [0;π2] liegt, gehört diese Lösung nicht mehr zu den gesuchten Lösungen.

Die Lösungsmenge lautet somit L={0,4565}.

Aufgabe 6: Trigonometrische Gleichungen lösen Substitution ohne Taschenrechner

Löse die Gleichung 2cos(2xπ)2=0 ohne Taschenrechner.

Diese Kosinusgleichung hat eine Periodenlänge von p=π.

Lösung

0. Gleichung aufräumen

2cos(2xπ)2=0|+22cos(2xπ)=2|:2cos(2xπ)=22

1. Ersetze den Teil in der Klammer mit "u"

Du ersetzt die "2xπ" mit u. u=2xπ

cos(2xπ)=22cos(u)=22

2. Löse die vereinfachte Gleichung

cos(u)=22

Aus der Wertetabelle kannst Du ablesen, dass der Kosinus den Funktionswert 22 bei x bzw. u=π4 annimmt.

Die erste Lösung für die Gleichung cos(u)=22 lautet somit: u1=π4.

3. Rücksubstitution

Setzte die Substitution u=2xπ in die Lösung u1 ein.

u1=π42x1π=π4|+π2x1=54π|:2x1=58π

4. Berechne mit x1 weitere Lösungen für x im Intervall

x2=px1=π58π=38π

Da kein Intervall angegeben ist, lautet die allgemeine Lösungsmenge L={58π+kπ;38π+kπ;kZ}.

Trigonometrische Gleichungen lösen – Das Wichtigste

  • Trigonometrische Gleichungen besitzen aufgrund ihrer Periodizität p unendlich viele Lösungen. Intervallgrenzen können die Lösungsmenge jedoch einschränken.

  • Trigonometrische Gleichungen lassen sich mit und ohne Taschenrechner lösen. Mithilfe von Umkehrfunktionen, Wertetabellen und der Substitution gelangst Du an die Lösung der Gleichung.

FunktionUmkehrfunktion (Befehl)
Sinus: sin(x)Arkussinus: arcsin(x) auch sin(x)1
Cosinus: cos(x)Arkuscosinus: arccos() auch cos(x)1
Tangens: tan(x)Arkustangens: arctan() auch tan(x)1
  • Innerhalb einer Periode lassen sich für die Sinus- und Kosinusfunktion maximal zwei Lösungen finden. Diese berechnest Du mithilfe folgender Gleichungen:

SinusCosinus
x2=p2x1x2=px1
  • Alle weitere Lösungen sind genau eine Periodenlänge von den Lösungen der vorherigen Periode entfernt. Die Lösungsmenge der trigonometrischen Funktionen Sinus und Cosinus ergeben sich somit mit ihrer Periode p zu L={x1+kp;x2+kp,kZ}
  • Trigonometrische Gleichungen mit Substitution lösen:
    • Schritt 1: Ersetze den Teil in der Klammer mit "u"
    • Schritt 2: Löse die vereinfachte Gleichung für u1
    • Schritt 3: Rücksubstitution von u1 nach x1
    • Schritt 4: Berechne mit x1 ggf. weitere Lösungen für x im Intervall
Häufig gestellte Fragen zum Thema Trigonometrische Gleichungen lösen

Wie viele Lösungen kann eine trigonometrische Gleichung haben? 

Trigonometrische Gleichungen haben aufgrund ihrer Periodizität unendlich viele Lösungen. Intervallgrenzen können jedoch die Lösungsmenge einschränken.

Wie kann man trigonometrische Gleichungen durch Substitution lösen? 

  • Schritt 1: Ersetze den Teil der Gleichung in der Klammer mit "u"
  • Schritt 2: Löse die vereinfachte Gleichung für u1
  • Schritt 3: Rücksubstitution von u1 nach x1
  • Schritt 4: Berechne mit x1 ggf. weitere Lösungen für x im Intervall
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.

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