Se da la desigualdad:
$$- \sin^{2}{\left(x \right)} + \cos^{2}{\left(x \right)} > - \frac{1}{\sqrt{2}}$$
Para resolver esta desigualdad primero hay que resolver la ecuación correspondiente:
$$- \sin^{2}{\left(x \right)} + \cos^{2}{\left(x \right)} = - \frac{1}{\sqrt{2}}$$
Resolvemos:
Tenemos la ecuación
$$- \sin^{2}{\left(x \right)} + \cos^{2}{\left(x \right)} = - \frac{1}{\sqrt{2}}$$
cambiamos
$$\cos{\left(2 x \right)} + \frac{\sqrt{2}}{2} = 0$$
$$- 2 \sin^{2}{\left(x \right)} + \frac{1}{\sqrt{2}} + 1 = 0$$
Sustituimos
$$w = \sin{\left(x \right)}$$
Es la ecuación de la forma
a*w^2 + b*w + c = 0
La ecuación cuadrática puede ser resuelta
con la ayuda del discriminante.
Las raíces de la ecuación cuadrática:
$$w_{1} = \frac{\sqrt{D} - b}{2 a}$$
$$w_{2} = \frac{- \sqrt{D} - b}{2 a}$$
donde D = b^2 - 4*a*c es el discriminante.
Como
$$a = -2$$
$$b = 0$$
$$c = \frac{\sqrt{2}}{2} + 1$$
, entonces
D = b^2 - 4 * a * c =
(0)^2 - 4 * (-2) * (1 + sqrt(2)/2) = 8 + 4*sqrt(2)
Como D > 0 la ecuación tiene dos raíces.
w1 = (-b + sqrt(D)) / (2*a)
w2 = (-b - sqrt(D)) / (2*a)
o
$$w_{1} = - \frac{\sqrt{4 \sqrt{2} + 8}}{4}$$
$$w_{2} = \frac{\sqrt{4 \sqrt{2} + 8}}{4}$$
hacemos cambio inverso
$$\sin{\left(x \right)} = w$$
Tenemos la ecuación
$$\sin{\left(x \right)} = w$$
es la ecuación trigonométrica más simple
Esta ecuación se reorganiza en
$$x = 2 \pi n + \operatorname{asin}{\left(w \right)}$$
$$x = 2 \pi n - \operatorname{asin}{\left(w \right)} + \pi$$
O
$$x = 2 \pi n + \operatorname{asin}{\left(w \right)}$$
$$x = 2 \pi n - \operatorname{asin}{\left(w \right)} + \pi$$
, donde n es cualquier número entero
sustituimos w:
$$x_{1} = 2 \pi n + \operatorname{asin}{\left(w_{1} \right)}$$
$$x_{1} = 2 \pi n + \operatorname{asin}{\left(- \frac{\sqrt{4 \sqrt{2} + 8}}{4} \right)}$$
$$x_{1} = 2 \pi n - \operatorname{asin}{\left(\frac{\sqrt{4 \sqrt{2} + 8}}{4} \right)}$$
$$x_{2} = 2 \pi n + \operatorname{asin}{\left(w_{2} \right)}$$
$$x_{2} = 2 \pi n + \operatorname{asin}{\left(\frac{\sqrt{4 \sqrt{2} + 8}}{4} \right)}$$
$$x_{2} = 2 \pi n + \operatorname{asin}{\left(\frac{\sqrt{4 \sqrt{2} + 8}}{4} \right)}$$
$$x_{3} = 2 \pi n - \operatorname{asin}{\left(w_{1} \right)} + \pi$$
$$x_{3} = 2 \pi n - \operatorname{asin}{\left(- \frac{\sqrt{4 \sqrt{2} + 8}}{4} \right)} + \pi$$
$$x_{3} = 2 \pi n + \operatorname{asin}{\left(\frac{\sqrt{4 \sqrt{2} + 8}}{4} \right)} + \pi$$
$$x_{4} = 2 \pi n - \operatorname{asin}{\left(w_{2} \right)} + \pi$$
$$x_{4} = 2 \pi n - \operatorname{asin}{\left(\frac{\sqrt{4 \sqrt{2} + 8}}{4} \right)} + \pi$$
$$x_{4} = 2 \pi n - \operatorname{asin}{\left(\frac{\sqrt{4 \sqrt{2} + 8}}{4} \right)} + \pi$$
$$x_{1} = - 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- \sqrt{2} + 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
$$x_{2} = 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- \sqrt{2} + 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
$$x_{3} = - 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} - \sqrt{2} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
$$x_{4} = 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} - \sqrt{2} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
$$x_{1} = - 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- \sqrt{2} + 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
$$x_{2} = 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- \sqrt{2} + 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
$$x_{3} = - 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} - \sqrt{2} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
$$x_{4} = 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} - \sqrt{2} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
Las raíces dadas
$$x_{1} = - 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- \sqrt{2} + 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
$$x_{3} = - 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} - \sqrt{2} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
$$x_{4} = 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} - \sqrt{2} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
$$x_{2} = 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- \sqrt{2} + 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
son puntos de cambio del signo de desigualdad en las soluciones.
Primero definámonos con el signo hasta el punto extremo izquierdo:
$$x_{0} < x_{1}$$
Consideremos, por ejemplo, el punto
$$x_{0} = x_{1} - \frac{1}{10}$$
=
$$- 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- \sqrt{2} + 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)} - \frac{1}{10}$$
=
$$- 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- \sqrt{2} + 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)} - \frac{1}{10}$$
lo sustituimos en la expresión
$$- \sin^{2}{\left(x \right)} + \cos^{2}{\left(x \right)} > - \frac{1}{\sqrt{2}}$$
$$- \sin^{2}{\left(- 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- \sqrt{2} + 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)} - \frac{1}{10} \right)} + \cos^{2}{\left(- 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- \sqrt{2} + 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)} - \frac{1}{10} \right)} > - \frac{1}{\sqrt{2}}$$
/ / ______________________________\\ / / ______________________________\\
| | / ___________ || | | / ___________ ||
| | / ___ / ___ || | | / ___ / ___ || ___
2|1 |\/ 6 - \/ 2 + 4*\/ 2 - \/ 2 || 2|1 |\/ 6 - \/ 2 + 4*\/ 2 - \/ 2 || -\/ 2
cos |-- + 2*atan|----------------------------------|| - sin |-- + 2*atan|----------------------------------|| > -------
|10 | ___________ || |10 | ___________ || 2
| | / ___ || | | / ___ ||
\ \ \/ 2 + \/ 2 // \ \ \/ 2 + \/ 2 //
significa que una de las soluciones de nuestra ecuación será con:
$$x < - 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- \sqrt{2} + 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
_____ _____ _____
\ / \ /
-------ο-------ο-------ο-------ο-------
x1 x3 x4 x2
Recibiremos otras soluciones de la desigualdad pasando al polo siguiente etc.
etc.
Respuesta:
$$x < - 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- \sqrt{2} + 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
$$x > - 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} - \sqrt{2} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)} \wedge x < 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} - \sqrt{2} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$
$$x > 2 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{- \sqrt{2} + 4 \sqrt{2 - \sqrt{2}} + 6}}{\sqrt{\sqrt{2} + 2}} \right)}$$