Перейти к содержанию

P3 · Pure Mathematics 3

Pearson Edexcel · International A-Level · Pure Mathematics · Тема 3

3.2.3

Чистая математика 3: функции, тождества и дифференциальное исчисление в быстром темпе

Чистая математика 3 (P3) расширяет P1 и P2: рациональные функции и обратные функции, модуль, комбинированные преобразования, обратные тригонометрические функции и гармоническая форма, подгонка модели лог-графика полный набор правил дифференцирования, интегрирование по распознаванию и численные методы. Знание P1 и P2 предполагается и может проверяться в работе WMA13/01 (1 час 30 минут, 75 баллов; те же правила использования калькулятора и справочника формул).

Формулы, которые необходимо знать для P3 (отсутствуют в справочнике):

Семейство Формулы
сложение углов $\sin(A \pm B) \equiv \sin A\cos B \pm \cos A\sin B$; $\cos(A \pm B) \equiv \cos A\cos B \mp \sin A\sin B$; $\tan(A \pm B) \equiv \dfrac{\tan A \pm \tan B}{1 \mp \tan A\tan B}$
двойной угол $\sin 2A \equiv 2\sin A\cos A$; $\cos 2A \equiv \cos^2 A - \sin^2 A$; $\tan 2A \equiv \dfrac{2\tan A}{1 - \tan^2 A}$
обратные тождества $\sec^2 A \equiv 1 + \tan^2 A$; $\operatorname{cosec}^2 A \equiv 1 + \cot^2 A$
производные $\sin kx \to k\cos kx$; $\cos kx \to -k\sin kx$; $\tan kx \to k\sec^2 kx$; $e^{kx} \to ke^{kx}$; $\ln x \to \tfrac1x$; $a^x \to a^x\ln a$
интегралы $\int\cos kx = \tfrac1k\sin kx$; $\int\sin kx = -\tfrac1k\cos kx$; $\int e^{kx} = \tfrac1ke^{kx}$; $\int\tfrac1x = \ln\lvert x\rvert$
3.1.1 3.1.2

Алгебра: рациональные выражения и функции

Упрощение рациональных выражений путём разложения на множители и сокращения; алгебраическое деление охватывает знаменатели до квадратичных. Сокращайте только множители, никогда — слагаемые.

Функция — это взаимно однозначное или многозначно-однозначное отображение; её область определения — допустимые входные значения а её область значений — выходные значения. Композиция $fg$ означает «сначала выполнить $g$, затем $f$». Обратная функция $f^{-1}$ отменяет действие $f$ (она существует там, где $f$ является взаимно однозначной), и $f^{-1}f(x) = ff^{-1}(x) = x$; график $f^{-1}$ является отражением графика $f$ относительно $y = x$.

Разбор примера — обратная функция и композиция (адаптировано из Edexcel IAL WMA13 июнь 2025 вопрос 1). $f(x) = \dfrac{2x}{3x + 1}$, $x \ge 0$.

(a) Область значений $f$.

  • При $x = 0$: $f(0) = 0$; по мере того как $x \to \infty$: $f(x) \to \tfrac23$ снизу, и $f$ возрастает (большие значения $x$ дают большие значения $f(x)$).
    $$0 \le f(x) < \tfrac23$$

(b) Найдите $f^{-1}(x)$.

  • Пусть $y = \dfrac{2x}{3x+1}$ и решите относительно $x$:
    $$y(3x + 1) = 2x \implies 3xy + y = 2x \implies x(3y - 2) = -y \implies x = \frac{y}{2 - 3y}$$
    $$f^{-1}(x) = \frac{x}{2 - 3x}$$
  • Check: $f\!\left(\tfrac{x}{2-3x}\right) = \dfrac{2x/(2-3x)}{3x/(2-3x) + 1} = \dfrac{2x}{3x + 2 - 3x} = x$ ✓.

(c) Решите $f^{-1}(x) = f(x)$.

$$\frac{x}{2-3x} = \frac{2x}{3x+1} \implies x(3x + 1) = 2x(2 - 3x) \implies x\big(3x + 1 - 4 + 6x\big) = 0$$
$$x(9x - 3) = 0 \implies x = 0 \ \text{or}\ x = \tfrac13$$

  • Проверка: $f(\tfrac13) = \tfrac{2/3}{2} = \tfrac13 = f^{-1}(\tfrac13)$ ✓.
Исследовать

Области определения, обратные функции и композиция

Укажите область определения и множество значений

Сравните модель с разобраным примером и объясните одно изменение.

3.1.3 3.1.4

Модуль и комбинированные преобразования

Модуль $|x|$ равен $x$ для $x \ge 0$ и $-x$ для $x < 0$: $y = |ax + b|$ — это график $y = ax + b$ с его отрицательной частью, отраженной выше оси. Зная $y = f(x)$, постройте $y = |f(x)|$ (отразите любую часть ниже оси) и $y = f(|x|)$ (оставьте правую половину, отразите её влево). Решайте уравнения с модулем графически или методом разбора случаев, проверяя каждое решение.

Комбинированные преобразования применяют правила P1 одновременно, например $y = 2f(3x)$ или $y = f(-x) + 1$: растяжения перемножаются, затем выполняются сдвиги; порядок, указанный в программе, — $y = af(x)$, $y = f(x) + a$, $y = f(x+a)$, $y = f(ax)$, объединенные в одно выражение ($y = f(ax+b)$ как таковое не требуется).

Слева: V-образный график y = |2x − 1| пересекает прямую y = x + 5 в видимой точке пересечения (−4/3, 11/3), вторая точка пересечения отмечена за пределами экрана. Справа: базовая кривая с комбинированным преобразованием y = 2f(3x).
V-образный график пересекает прямую в отмеченной точке; вторая точка пересечения (6, 11) находится за пределами экрана. Применяйте преобразования по одному множителю.

Разобранный пример — уравнение с модулем (собственный пример программы). Решите $|2x - 1| = x + 5$.

  • Случай $2x - 1 \ge 0$ ($x \ge \tfrac12$): $2x - 1 = x + 5 \implies x = 6$ ✓ (удовлетворяет $x \ge \tfrac12$).
  • Случай $2x - 1 < 0$: $-(2x - 1) = x + 5 \implies -3x = 4 \implies x = -\tfrac43$ ✓ ($< \tfrac12$).
  • Оба решения равны $x = 6$ и $x = -\tfrac43$. Проверка: $|2(6) - 1| = 11 = 6 + 5$ ✓; $|-\tfrac83 - 1| = \tfrac{11}3 = -\tfrac43 + 5$ ✓.
English Русский
modulus/ˈmɒdjʊləs/ модуль
combined transformations/kəmˈbaɪnd trænsfɔːˈmeɪʃnz/ совместные преобразования
reciprocal functions/rɪˈsɪprəkl ˈfʌŋkʃnz/ обратно-тригонометрические функции
harmonic form/hɑːˈmɒnɪk fɔːm/ гармоническая форма
asymptote/ˈæsɪmptəʊt/ асимптота
3.2.1 3.2.2 3.2.3

Дальнейшая тригонометрия: секанс, косеканс, котангенс и гармоническая форма

Обратные функции:

$$\sec\theta = \frac{1}{\cos\theta} \qquad \operatorname{cosec}\theta = \frac{1}{\sin\theta} \qquad \cot\theta = \frac{1}{\tan\theta} = \frac{\cos\theta}{\sin\theta}$$

с тождествами $\sec^2\theta \equiv 1 + \tan^2\theta$ и $\operatorname{cosec}^2\theta \equiv 1 + \cot^2\theta$. Их графики имеют асимптоты там, где знаменательная функция равна нулю. Обратные функции $\arcsin$, $\arccos$, $\arctan$ need restricted domains: $\arcsin: [-1, 1] \to [−\tfrac\pi2, \tfrac\pi2]$, $\arccos: [−1,1] → [0, \pi]$, $\arctan: \mathbb{R} → (−\tfrac\pi2, \tfrac\pi2)$.

Гармоническая форма: $a\cos\theta + b\sin\theta = R\cos(\theta - \alpha)$ с $R = \sqrt{a^2 + b^2}$ и $\tan\alpha = \dfrac ba$ — одно число, один угол, готовый к максимизации или решению.

Три маленьких графика: y = sec x, y = cosec x и y = cot x с их асимптотами пунктиром; ниже — прямоугольный треугольник с катетами a и b, гипотенузой R и отмеченным углом alpha для гармонической формы.
Гармоническая форма сводит a cos θ + b sin θ к одному косинусу со сдвигом угла.

Разбор примера — гармоническая форма (адаптировано из Edexcel IAL WMA13 June 2025 Q2). Представьте $f(x) = 7\cos x - 24\sin x$ в виде $R\cos(x + \alpha)$, $R > 0$, $0 < \alpha < 2\pi$.

  • $R = \sqrt{7^2 + 24^2} = \sqrt{625} = 25$.
  • Раскройте $R\cos(x + \alpha) = R\cos x\cos\alpha - R\sin x\sin\alpha$ и сопоставьте: $25\cos\alpha = 7$ и $25\sin\alpha = 24$, поэтому $\tan\alpha = \tfrac{24}{7}$ и
    $$\alpha = 1.287 \ (3\ \text{d.p.}) \qquad f(x) = 25\cos(x + 1.287)$$
  • Проверка: $25\cos(0 + 1.287) = 25(0.28) = 7.0$ ✓ и $-25\sin(1.287) = -24.0$ ✓.

Разбор примера — доказательство тождества (адаптировано из Edexcel IAL WMA13 June 2025 Q8a). Докажите $\tan 3x \equiv \dfrac{3\tan x - \tan^3 x}{1 - 3\tan^2 x}$.

  • Запишите $3x = 2x + x$ и используйте формулу суммы углов:
    $$\tan 3x = \frac{\tan 2x + \tan x}{1 - \tan 2x\tan x}, \qquad \tan 2x = \frac{2\tan x}{1 - \tan^2 x} = \frac{2t}{1 - t^2} \ (t = \tan x)$$
  • Подставьте:
    $$\tan 3x = \frac{\frac{2t}{1-t^2} + t}{1 - \frac{2t^2}{1-t^2}} = \frac{2t + t(1 - t^2)}{(1 - t^2) - 2t^2} = \frac{3t - t^3}{1 - 3t^2} \qquad \blacksquare$$
  • Check at $x = \tfrac\pi6$ ($t = \tfrac1{\sqrt3}$): numerator $\tfrac{3}{\sqrt3} - \tfrac{1}{3\sqrt3} = \tfrac{8}{3\sqrt3}$; denominator $1 − 1 = 0$ — and $\tan\tfrac\pi2$ не определён ✓ согласовано.
Исследовать

Радианы, тождества и тригонометрические уравнения

Для θ в радианах длина дуги s = rθ, а площадь сектора A = r²θ/2

Сравните модель с разобраным примером и объясните одно изменение.

English Русский
function/ˈfʌŋkʃn/ функция
rational expression/ˈræʃənl ekˈspreʃn/ рациональное выражение
domain/dəˈmeɪn/ область определения
range/reɪndʒ/ область значений
composition/ˌkɒmpəˈzɪʃn/ композиция
inverse function/ɪnˈvɜːs ˈfʌŋkʃn/ обратная функция
restricted domain/rɪˈstrɪktɪd dəˈmeɪn/ ограниченная область определения
compound angle/ˈkɒmpaʊnd ˈæŋɡl/ суммарный угол
double angle/ˈdʌbl ˈæŋɡl/ двойной угол
model/ˈmɒdl/ модель
log plot/lɒɡ plɒt/ логарифмический график
initial value/ɪˈnɪʃl ˈvæljuː/ начальное значение
long-run floor/lɒŋ rʌn flɔː/ нижняя граница в долгосрочной перспективе
product rule/ˈprɒdʌkt ruːl/ правило произведения
quotient rule/ˈkwəʊʃənt ruːl/ правило частного
chain rule/tʃeɪn ruːl/ правило дифференцирования сложной функции
implicit differentiation/ɪmˈplɪsɪt ˌdɪfəˌrenʃɪˈeɪʃn/ неявное дифференцирование
recognition forms/ˌrekəɡˈnɪʃn fɔːmz/ формы распознавания
sign change/saɪn tʃeɪndʒ/ смена знака
iteration/ˌɪtəˈreɪʃn/ итерация
fixed point/fɪkst pɔɪnt/ неподвижная точка
3.3.1 3.3.2 3.3.3

Показательные функции, логарифмы и модели лог-графиков

$y = e^x$ проходит через $(0, 1)$ и растёт без границ; $\ln x$ — её обратная функция с областью определения $x > 0$ и осью $y$ как асимптотой. Решите $e^{ax+b} = p$, взяв $\ln$, и $\ln(ax + b) = q$ возведением в степень.

Логарифмические графики: для $y = ax^n$, взятие логарифма даёт $\log y = n\log x + \log a$ — построение графика $\log y$ против $\log x$ даёт прямую линию с угловым коэффициентом $n$ и отрезком на оси y $\log a$. Для $y = kb^x$ постройте график $\log y$ против $x$: угловой коэффициент $\log b$, отрезок на оси y $\log k$.

Разобранное решение — восстановление степенной зависимости (адаптировано из Edexcel IAL WMA13 июнь 2025 вопрос 3). Прямая линия $\log_{10}y$–$\log_{10}x$ проходит через точки $(-3.5, 0)$ и $(0, -2)$. Выразите $y$ как $px^q$.

  • Угловой коэффициент: $\dfrac{0 - (-2)}{-3.5 - 0} = -\dfrac47$; отрезок на оси y $-2$:
    $$\log_{10} y = -\tfrac47\log_{10}x - 2$$
  • Преобразование: $y = 10^{-\frac47\log_{10}x - 2} = 10^{-2}\,x^{-4/7}$, следовательно
    $$y = \frac{1}{100}\,x^{-4/7} \qquad (p = \tfrac{1}{100},\ q = -\tfrac47)$$
  • Проверка по точке на прямой: $\log_{10}x = 0 \Rightarrow x = 1$, $\log_{10}y = -2 \Rightarrow y = \tfrac{1}{100}$ ✓ and the formula gives $y = \tfrac{1}{100}\cdot 1 = \tfrac{1}{100}$ ✓.

Разобранное решение — модель экспоненциального затухания (адаптировано из Edexcel IAL WMA13 июнь 2025 вопрос 6). Процессор остывает согласно уравнению процессор охлаждается до $\theta = 21 + Ae^{-kt}$ ($\theta$ в °C, $t$ в минутах), начиная с 75 °C, достигая значения 25 °C через 5 минут; найдите константы $A$, $k$ и момент времени, когда температура снижается со скоростью 9 °C в минуту.

  • При $t = 0$: $75 = 21 + A$, следовательно $A = 54$.
  • При $t = 5$: $25 = 21 + 54e^{-5k} \implies e^{-5k} = \tfrac{4}{54} = \tfrac{2}{27}$:
    $$-5k = \ln\tfrac{2}{27} \implies k = \tfrac15\ln\tfrac{27}{2} = 0.521 \ (3\ \text{s.f.})$$
  • Скорость изменения: $\dfrac{d\theta}{dt} = -54ke^{-kt}$; приравняем к $-9$:
    $$e^{-kt} = \frac{9}{54 \times 0.521} = \frac{9}{28.13} \implies T = \frac{\ln(28.13/9)}{0.521} = 2.19 \ (2\ \text{d.p.})$$
  • Начальное значение составляет 75 °C, а асимптотическое нижнее ограничение (температура окружающей среды) равно 21 °C.
  • Проверка: при $T = 2.19$, температура $\theta = 21 + 54e^{-0.521(2.19)} = 21 + 54(0.320) = 38.3$ °C, снижается составляет $28.13 \times 0.320 = 9.0$ °C/мин ✓. Нижняя граница модели равна 21 °C (температура комнаты) — разумно для больших $t$.
3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4

Дифференцирование: правила, неявная производная и модели

Найдите производные $\sin kx$, $\cos kx$, $\tan kx$ ($\to k\sec^2 kx$), $e^{kx}$, $\ln kx$ ($\to \tfrac1x$), а также суммы и разности.

Три правила расширяют область применения: правило произведения, правило частного и правило сложной функции.

$$\text{product: } (uv)' = u'v + uv' \qquad \text{quotient: } \left(\frac uv\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2} \qquad \text{chain: } \frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx}$$

$\sec x \to \sec x\tan x$, $\operatorname{cosec} x \to -\operatorname{cosec} x\cot x$, $\cot x \to -\operatorname{cosec}^2 x$ следуют из правила частного. Неявное дифференцирование использует $\dfrac{dy}{dx} = 1 \div \dfrac{dx}{dy}$ when $x$ is given in terms of $y$.

Разбор примера — произведение и правило сложной функции вместе (на основе собственных примеров из спецификации). Найдите производную $e^{-x^2}\sin 3x$ (адаптировано из Edexcel IAL WMA13 June 2025 Q7).

  • Правило произведения для $u = e^{-x^2}$ (сложная функция: $u' = -2xe^{-x^2}$) и $v = \sin 3x$ ($v' = 3\cos 3x$):
    $$\frac{dy}{dx} = -2xe^{-x^2}\sin 3x + 3e^{-x^2}\cos 3x = e^{-x^2}\big(3\cos 3x - 2x\sin 3x\big)$$
  • Проверка при $x = 0$: производная $= 1 \times (3 - 0) = 3$, и вблизи $0$ кривая ведёт себя как $\sin 3x$ с угловым коэффициентом 3 ✓.
Исследовать

Правило цепочки, правило произведения, правило частного и неявное дифференцирование

Для y=f(g(x)), y' = f'(g(x))·g'(x)

Сравните модель с разобраным примером и объясните одно изменение.

3.5.1 3.5.2

Интегрирование: стандартные формы и распознавание

Интегрируйте стандартные формы напрямую и используйте формы распознавания (выявление $f'$ под знаком интеграла):

$$\int \frac{f'(x)}{f(x)}\,dx = \ln\lvert f(x)\rvert + c \qquad \int f'(x)\big(f(x)\big)^n\,dx = \frac{\big(f(x)\big)^{n+1}}{n+1} + c \quad (n \ne -1)$$

Тригонометрические тождества преобразуют $\sin^2 x$, $\cos^2 x$, $\tan^2 x$ в интегрируемые формы ($\cos 2A \equiv 1 - 2\sin^2 A$, $\cos 2A \equiv 2\cos^2 A - 1$; $\tan^2 \equiv \sec^2 - 1$).

Разбор примера — сначала тождество (адаптировано из Edexcel IAL WMA13 June 2025 Q5). Найдите $\displaystyle\int\sin^2 3x\,dx$.

  • Двойной угол с использованием $A = 3x$: $\cos 6x \equiv 1 - 2\sin^2 3x$, следовательно $\sin^2 3x = \tfrac12(1 - \cos 6x)$:
    $$\int \sin^2 3x\,dx = \tfrac12\int(1 - \cos 6x)\,dx = \tfrac12\left(x - \tfrac16\sin 6x\right) + c = \frac{x}{2} - \frac{\sin 6x}{12} + c$$
  • Проверка дифференцированием: $\tfrac12 - \tfrac{6\cos 6x}{12} = \tfrac12(1 - \cos 6x) = \sin^2 3x$ ✓.

Разбор примера — распознавание. Найдите $\displaystyle\int \frac{6x}{3x^2 + 4}\,dx$.

  • Числитель является производной знаменателя ($f' = 6x$, $f = 3x^2 + 4$):
    $$\int\frac{6x}{3x^2+4}\,dx = \ln\lvert 3x^2 + 4\rvert + c$$
  • Проверка: $\dfrac{d}{dx}\ln(3x^2+4) = \dfrac{6x}{3x^2+4}$ ✓. Степенная форма работает аналогично: при $u = 3x^2 + 4$ и $du = 6x\,dx$,
    $$\int x\,(3x^2+4)^4\,dx = \tfrac16\int u^4\,du = \frac{(3x^2+4)^5}{30} + c$$
    а дифференцирование $\dfrac{(3x^2+4)^5}{30}$ даёт $\dfrac{5(3x^2+4)^4 \cdot 6x}{30} = x(3x^2+4)^4$ ✓.
Исследовать

Интегралы, площадь и накопление

При n≠-1 интеграл от ax^n равен ax^(n+1)/(n+1)+C

Сравните модель с разобраным примером и объясните одно изменение.

3.6.1 3.6.2

Численные методы: смена знака и итерация

  • Смена знака: если $f$ непрерывна на $[a, b]$ и $f(a)f(b) < 0$, корень находится между $a$ и $b$. Делите интервал пополам, чтобы зафиксировать корень с любой заданной точностью.
  • Итерация: преобразование $x_{n+1} = f(x_n)$ из начального значения сходится к неподвижной точке (или нет — всегда проверяйте по границе смены знака).

Разобранный пример — нахождение и итерация (адаптировано из Edexcel IAL WMA13 июнь 2025 Q7). Это стационарная точка $y = e^{-x^2}\sin 3x$ вблизи $x = 0.4$ удовлетворяет условию $x = \tfrac13\arctan\tfrac{3}{2x}$.

(a) При использовании $x_1 = 0.4$:

$$x_2 = \tfrac13\arctan\!\left(\tfrac{3}{0.8}\right) = \tfrac13\arctan(3.75) = 0.4367 \qquad x_4 = 0.4307 \ (4\ \text{d.p.})$$

  • Проверка сходимости итерации: $|x_3 - x_2|$ мало, и значения стабилизируются вблизи 0.43 ✓. (б) Докажите, что корень равен 0.430 с точностью до 3 знака после запятой: определите $g(x) = x - \tfrac13\arctan\tfrac{3}{2x}$ (или выражение производной из разобранного примера выше):
    $$g(0.4295) = -1.1 \times 10^{-3} < 0 \qquad g(0.4305) = +6.4 \times 10^{-5} > 0$$
  • $g$ непрерывна, и смена знака между значениями в скобках 0.4295 и 0.4305 указывает на наличие корня, поэтому корень равен 0.430 с точностью до 3 знака после запятой ✓.
Исследовать

Итерационный метод с фиксированной точкой

Переставьте уравнение в вид x = g(x), выберите начальное значение и выполните итерацию.

Сравните модель с разобраным примером и объясните одно изменение.

3.6.1 3.6.2

Чек-лист перед завершением этого раздела

  • Упрощать рациональные выражения; разлагать на множители перед сокращением; делить на линейные или квадратичные делители.
  • Работать с областью определения, множеством значений, композицией и обратными функциями; проверять обратные функции через композицию, дающую $x$.
  • Строить графики и решать уравнения с модулем, рассматривая случаи с проверкой; комбинировать два преобразования на одном графике.
  • Использовать sec, cosec, cot и их тождества; знать области определения обратных функций.
  • Преобразовать $a\cos\theta + b\sin\theta$ в $R\cos(\theta \pm \alpha)$; снять максимумы и решить.
  • Доказывать сложения и двойного угла тождества; применять их прямо и обратно.
  • Решать $e^{ax+b} = p$ и $\ln(ax+b) = q$; восстанавливать $y = ax^n$ и $y = kb^x$ из логарифмических графиков.
  • Дифференцировать по правилам произведения, частного и сложной функции, включая $\sec/\operatorname{cosec}/\cot$; использовать $\frac{dy}{dx} = 1 \div \frac{dx}{dy}$.
  • Моделировать рост и убывание; интерпретировать начальное значение и долгосрочный пол; критически оценивать модель.
  • Интегрировать стандартные формы; распознавать $\int f'/f$ и $\int f'(f)^n$; применять тождества к квадратам тригонометрических функций.
  • Локализовать корни по изменению знака с утверждением о непрерывности; запустить и проверить итерацию.

Интерактивные уроки по этой теме

Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.

Больше тем в Pearson Edexcel · International A-Level · Pure Mathematics

Войти или создать аккаунт

IGCSE, A-Level & AP