Skip to content
CalcGospel 國際數學圖譜
返回

CIE 9231 2022 November Paper 23 Q4

A Level / CIE / FP2

CIE 9231 2022 Nov Paper 23 Paper · Question 4

题目

Problem

(a) Starting from the definitions of cosh⁡\cosh and sinh⁡\sinh in terms of exponentials, prove that

cosh⁡2x−sinh⁡2x=1.\cosh^2x-\sinh^2x=1.
(3)

(b) Show that ddx(tan⁡−1(sinh⁡x))=sech⁡x\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\big(\tan^{-1}(\sinh x)\big)=\operatorname{sech}x.

(3)

(c) Sketch the graph of y=sech⁡xy=\operatorname{sech}x, stating the equation of the asymptote.

(2)

(d) By considering a suitable set of nn rectangles of unit width, use your sketch to show that

∑r=1nsech⁡r<tan⁡−1(sinh⁡n).\sum_{r=1}^{n}\operatorname{sech}r<\tan^{-1}(\sinh n).
(3)

(e) Hence state an upper bound, in terms of π\pi, for ∑r=1∞sech⁡r\displaystyle\sum_{r=1}^{\infty}\operatorname{sech}r.

(1)
题目中文翻译

(a) 从 cosh⁡\cosh 和 sinh⁡\sinh 的指数形式定义出发,证明

cosh⁡2x−sinh⁡2x=1.\cosh^2x-\sinh^2x=1.
(3)

(b) 证明 ddx(tan⁡−1(sinh⁡x))=sech⁡x\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\big(\tan^{-1}(\sinh x)\big)=\operatorname{sech}x。

(3)

(c) 画出 y=sech⁡xy=\operatorname{sech}x 的图像草图,并写出渐近线的方程。

(2)

(d) 通过考虑一组合适的、宽均为一个单位的 nn 个矩形,利用你的草图证明

∑r=1nsech⁡r<tan⁡−1(sinh⁡n).\sum_{r=1}^{n}\operatorname{sech}r<\tan^{-1}(\sinh n).
(3)

(e) 由此写出 ∑r=1∞sech⁡r\displaystyle\sum_{r=1}^{\infty}\operatorname{sech}r 的一个上界,用含 π\pi 的式子表示。

(1)
原卷通用作答要求

Answer all questions. You should use a calculator where appropriate.

You must show all necessary working clearly; no marks will be given for unsupported answers from a calculator.

Give non-exact numerical answers correct to 3 significant figures, or 1 decimal place for angles in degrees, unless a different level of accuracy is specified in the question.

请回答所有题目。适当时应使用计算器。必须清楚展示所有必要的计算过程;仅给出计算器答案而没有过程,不予评分。除非题目另有精度要求,非精确数值答案保留 3 位有效数字,以度为单位的角度保留 1 位小数。

解答

(a)

解法一

思路

展开

将两个双曲函数写成指数式。用平方差可直接消去大部分项。

答题过程

展开

The definitions are cosh⁡x=(ex+e−x)/2\cosh x=(e^x+e^{-x})/2 and sinh⁡x=(ex−e−x)/2\sinh x=(e^x-e^{-x})/2. Therefore,

cosh⁡2x−sinh⁡2x= 14[(ex+e−x)2−(ex−e−x)2]= 14⋅4exe−x=1.\begin{align*} \cosh^2x-\sinh^2x =&\,\frac14\big[(e^x+e^{-x})^2-(e^x-e^{-x})^2\big]\\ =&\,\frac14\cdot4e^xe^{-x}=1. \end{align*}

(b)

解法一

思路

展开

对 arctan⁡(sinh⁡x)\arctan(\sinh x) 用链式法则。用 (a) 把分母换成 cosh⁡2x\cosh^2x。

答题过程

展开

By the chain rule and (a),

ddxarctan⁡(sinh⁡x)= cosh⁡x1+sinh⁡2x= cosh⁡xcosh⁡2x=sech⁡x.\begin{align*} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\arctan(\sinh x) =&\,\frac{\cosh x}{1+\sinh^2x}\\ =&\,\frac{\cosh x}{\cosh^2x}=\operatorname{sech}x. \end{align*}

(c)

解法一

思路

展开

cosh⁡x\cosh x 是偶函数,在零点最小,向两侧趋于无穷。因此它的倒数在零点最高,向两侧趋于零。

答题过程

展开

The curve is symmetric about the yy-axis, lies above the xx-axis, and has maximum (0,1)(0,1). It decreases for x>0x>0 and tends to zero as x→±∞x\to\pm\infty. The horizontal asymptote is y=0\boxed{y=0}.

(d)

解法一

思路

展开

取草图中 x≥0x\ge0 的下降段。宽为 11 的右端点矩形位于曲线下方,再用 (b) 积分。

答题过程

展开

On each interval [r−1,r][r-1,r], the right-endpoint rectangle of height sech⁡r\operatorname{sech}r lies below the curve on the interior. The total rectangle area is sech⁡1+sech⁡2+sech⁡3+⋯+sech⁡(n−1)+sech⁡n\operatorname{sech}1+\operatorname{sech}2+\operatorname{sech}3+\cdots+\operatorname{sech}(n-1)+\operatorname{sech}n. Thus

∑r=1nsech⁡r< ∫0nsech⁡x dx= [arctan⁡(sinh⁡x)]0n= arctan⁡(sinh⁡n)−arctan⁡0= arctan⁡(sinh⁡n).\begin{align*} \sum_{r=1}^n\operatorname{sech}r <&\,\int_0^n\operatorname{sech}x\,\mathrm{d}x\\ =&\,\big[\arctan(\sinh x)\big]_0^n\\ =&\,\arctan(\sinh n)-\arctan0\\ =&\,\arctan(\sinh n). \end{align*}

(e)

解法一

思路

展开

当 n→∞n\to\infty,sinh⁡n\sinh n 趋于无穷,反正切趋于 π/2\pi/2。各项为正,部分和单调增加。

答题过程

展开

The positive partial sums increase and are bounded above by arctan⁡(sinh⁡n)<π/2\arctan(\sinh n)<\pi/2. Thus the series converges and π/2\boxed{\pi/2} is an upper bound for its sum.