题目
Problem
9.
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
cos6θ≡32cos6θ−48cos4θ+18cos2θ−1
(4)
(b) Hence determine the smallest positive root of the equation
48x6−72x4+27x2−1=0
giving your answer to 3 decimal places.
(4)
题目中文翻译
本题必须展示所有计算步骤。
完全依赖计算器技术得出的解答不予接受。
(a) 使用棣莫弗定理证明
cos6θ≡32cos6θ−48cos4θ+18cos2θ−1.
(4)
(b) 由此求方程
48x6−72x4+27x2−1=0
的最小正根,答案保留 3 位小数。
(4)
解答
(a)
解法一
思路
展开
用 De Moivre’s theorem 展开 (cosθ+isinθ)6,取实部。再用 sin2θ=1−cos2θ 把所有项化成 cosθ。
答题过程
展开
By De Moivre’s theorem,
(cosθ+isinθ)6=cos6θ+isin6θ
Taking real parts after binomial expansion:
cos6θ=cos6θ−15cos4θsin2θ+15cos2θsin4θ−sin6θ
Use sin2θ=1−cos2θ:
cos6θ=cos6θ−15cos4θ(1−cos2θ)+15cos2θ(1−cos2θ)2−(1−cos2θ)3
Now expand:
cos6θ==cos6θ−15cos4θ+15cos6θ+15cos2θ(1−2cos2θ+cos4θ)−(1−3cos2θ+3cos4θ−cos6θ)32cos6θ−48cos4θ+18cos2θ−1
解法二
思路
展开
令 z=cosθ+isinθ,则由 De Moivre 定理,zn+z−n=2cosnθ。展开 (z+z−1)6 并把对称项配对,可以得到含 cos6θ、cos4θ 和 cos2θ 的关系,再用倍角公式整理。
答题过程
展开
Let z=cosθ+isinθ. By De Moivre’s theorem,
zn+z−n=2cosnθ
In particular, z+z−1=2cosθ. Expanding and pairing terms gives
==(z+z−1)6z6+6z4+15z2+20+15z−2+6z−4+z−6(z6+z−6)+6(z4+z−4)+15(z2+z−2)+20
Therefore
64cos6θ=2cos6θ+12cos4θ+30cos2θ+20
Using the double-angle formula,
cos2θ=cos4θ===2cos2θ−12cos22θ−12(2cos2θ−1)2−18cos4θ−8cos2θ+1
Substitute these expressions:
64cos6θ==2cos6θ+12(8cos4θ−8cos2θ+1)+30(2cos2θ−1)+202cos6θ+96cos4θ−36cos2θ+2
Rearranging and dividing by 2,
cos6θ≡32cos6θ−48cos4θ+18cos2θ−1
(b)
解法一
思路
展开
令 x=cosθ。题目中的多项式与 (a) 的结果相差一个倍数,因此可转化成 cos6θ=−31。要找最小正根,需要从得到的多个 θ 中选使 cosθ 最小但仍为正的那个。
答题过程
展开
Let
x=cosθ
Using part (a),
48x6−72x4+27x2−1==23(32x6−48x4+18x2−1)+2123cos6θ+21
So the equation becomes
23cos6θ+21=cos6θ=0−31
To find positive roots with 0<x<1, take 0<θ<2π, so 0<6θ<3π. Let α=arccos(−31). The three possibilities in this range are
6θ=α,2π−α,2π+α
Since cosine decreases on 0<θ<2π, the largest of these angles gives the smallest positive root. Thus
θ=x==62π+arccos(−31)cos(62π+arccos(−31))0.203723…
The other two angles give x≈0.950 and x≈0.746.
Therefore the smallest positive root is
0.204