题目
Problem
7.
In this question you must show all stages of your working.
Solutions relying entirely on calculator technology are not acceptable.
(a) Use de Moivre’s theorem to show that
cos5x≡cosx(asin4x+bsin2x+c)
where a, b and c are integers to be determined.
(4)
(b) Hence solve, for 0<θ<2π
cos5θ=sin2θsinθ−cosθ
giving your answers to 3 decimal places.
(4)
题目中文翻译
本题必须展示所有运算步骤。
完全依赖计算器技术的解答不予接受。
(a) 利用 de Moivre 定理证明
cos5x≡cosx(asin4x+bsin2x+c),
其中 a、b、c 为待求的整数。
(4)
(b) 由此解方程
cos5θ=sin2θsinθ−cosθ,
其中 0<θ<2π。答案保留三位小数。
(4)
解答
(a)
解法一
思路
展开
用 de Moivre’s theorem 展开
(cosx+isinx)5.
取实部得到 cos5x,再把 cos2x 换成 1−sin2x,使括号里只含 sinx。
答题过程
展开
By de Moivre’s theorem,
(cosx+isinx)5=cos5x+isin5x.
Taking the real terms in the binomial expansion,
cos5x==cos5x+10cos3x(isinx)2+5cosx(isinx)4cos5x−10cos3xsin2x+5cosxsin4x.
Factor out cosx:
cos5x=cosx(cos4x−10cos2xsin2x+5sin4x).
Using cos2x=1−sin2x,
cos5x===cosx{(1−sin2x)2−10(1−sin2x)sin2x+5sin4x}cosx(1−2sin2x+sin4x−10sin2x+10sin4x+5sin4x)cosx(16sin4x−12sin2x+1).
Therefore
a=16,b=−12,c=1.
(b)
解法一
思路
展开
把 (a) 的结果代入,再用
sin2θ=2sinθcosθ.
由于 0<θ<2π,所以 cosθ=0,可以除以 cosθ。
答题过程
展开
Using part (a),
cos5θ=cosθ(16sin4θ−12sin2θ+1).
The equation is
cos5θ=sin2θsinθ−cosθ.
So
cosθ(16sin4θ−12sin2θ+1)=2sin2θcosθ−cosθ.
Since 0<θ<2π, cosθ=0. Divide by cosθ:
16sin4θ−12sin2θ+1=16sin4θ−14sin2θ+2=8sin4θ−7sin2θ+1=2sin2θ−100.
Let
u=sin2θ.
Then
8u2−7u+1=u==0167±49−32167±17.
Since 0<θ<2π,
sinθ=167±17.
Therefore
θ1=θ2=sin−1(167+17)=0.986…,sin−1(167−17)=0.438….
Thus, to 3 decimal places,
θ=0.438, 0.986.
解法二
思路
展开
仍从 (a) 的结果出发,但把 sin2θ 换成 1−cos2θ,得到关于 cos2θ 的二次方程。第一象限内余弦为正,取正平方根后求角度。
答题过程
展开
Using part (a) and sin2θ=2sinθcosθ,
=cosθ(16sin4θ−12sin2θ+1)cosθ(2sin2θ−1).
Since 0<θ<π/2, we have cosθ>0. Dividing by cosθ and collecting terms gives
16sin4θ−14sin2θ+2=0.
Put v=cos2θ, so sin2θ=1−v. Then
16(1−v)2−14(1−v)+2=16−32v+16v2−14+14v+2=16v2−18v+4=v==0003218±182−4(16)(4)169±17.
Taking the positive square root,
cosθ=169±17.
Therefore
θ1=θ2=cos−1(169+17)=0.438…,cos−1(169−17)=0.986….
Both angles lie in the required interval. To 3 decimal places,
θ=0.438, 0.986.