题目
Problem
7.
(a) Use De Moivre’s theorem to
(i) show that
sin5θ≡5cos4θsinθ−10cos2θsin3θ+sin5θ
(ii) determine an expression for cos5θ in terms of sinθ and cosθ
(4)
(b) Hence show that, for cos5θ=0
tan5θ=1−10tan2θ+5tan4θ5tanθ−10tan3θ+tan5θ
(2)
(c) Using the result of part (b) and showing all stages of your working, determine the solutions of the equation
2x5−15x4−20x3+30x2+10x−3=0
giving your answers to 3 decimal places.
(5)
题目中文翻译
(a) 使用棣莫弗定理:
(i) 证明
sin5θ≡5cos4θsinθ−10cos2θsin3θ+sin5θ;
(ii) 求用 sinθ 和 cosθ 表示的 cos5θ 的表达式。
(4)
(b) 由此证明,当 cos5θ=0 时,
tan5θ=1−10tan2θ+5tan4θ5tanθ−10tan3θ+tan5θ.
(2)
(c) 利用 (b) 的结果,并展示所有计算步骤,求方程
2x5−15x4−20x3+30x2+10x−3=0
的所有解,答案保留 3 位小数。
(5)
解答
(a)
解法一
思路
展开
用 De Moivre’s theorem 展开 (cosθ+isinθ)5。虚部给 sin5θ,实部给 cos5θ。
答题过程
展开
By De Moivre’s theorem,
(cosθ+isinθ)5=cos5θ+isin5θ
Expand the left hand side:
(cosθ+isinθ)5=cos5θ+5icos4θsinθ−10cos3θsin2θ−10icos2θsin3θ+5cosθsin4θ+isin5θ
(i) Equating imaginary parts gives
sin5θ=5cos4θsinθ−10cos2θsin3θ+sin5θ
(ii) Equating real parts gives
cos5θ=cos5θ−10cos3θsin2θ+5cosθsin4θ
(b)
解法一
思路
展开
由 tan5θ=cos5θsin5θ。把 (a) 的两个式子相除,再把分子分母同除以 cos5θ,就会全部变成 tanθ。
答题过程
展开
For cos5θ=0,
tan5θ==cos5θsin5θcos5θ−10cos3θsin2θ+5cosθsin4θ5cos4θsinθ−10cos2θsin3θ+sin5θ
Divide numerator and denominator by cos5θ:
tan5θ==1−10cos2θsin2θ+5cos4θsin4θ5cosθsinθ−10cos3θsin3θ+cos5θsin5θ1−10tan2θ+5tan4θ5tanθ−10tan3θ+tan5θ
(c)
解法一
思路
展开
令 x=tanθ。题目的五次方程可以整理成
1−10x2+5x45x−10x3+x5=23
所以由 (b) 得 tan5θ=23。在 tanθ 的一个周期内,取 5θ 相差 π 的五个角,可求出五个不同的实根。方程的次数为 5,因此这些就是全部根。
答题过程
展开
Let
x=tanθ
Using part (b),
tan5θ=1−10x2+5x45x−10x3+x5
Now
2x5−15x4−20x3+30x2+10x−3=2x5−20x3+10x=2(x5−10x3+5x)=015x4−30x2+33(5x4−10x2+1)
Hence
5x4−10x2+1x5−10x3+5x=23
Therefore
tan5θ=23
So
5θ=arctan23+kπ
For five distinct values over one period of tanθ, take k=0,1,2,3,4:
θ=5arctan23+kπk=0,1,2,3,4
Then
x=tan(5arctan23+kπ)
This gives
x=0.1991…,1.0822…,8.464…,−1.7847…,−0.4607…
Therefore the solutions, to 3 decimal places, are
x=−1.785, −0.461, 0.199, 1.082, 8.464