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CalcGospel 國際數學圖譜
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P3 2025 Jan Q8

A Level / Edexcel / P3

IAL 2025 Jan Paper · Question 8

题目

Problem

In this question you must show all stages of your working. Solutions relying entirely on calculator technology are not acceptable.

(i) Solve, for 0<θ<π0<\theta<\pi

3cosec⁡θ=8cos⁡θ3\cosec\theta=8\cos\theta

giving your answers, in radians, to 3 significant figures.

(5)

(ii) Solve, for 0<x<180∘0<x<180^\circ

tan⁡2x−tan⁡70∘1+tan⁡2xtan⁡70∘=−38\frac{\tan 2x-\tan 70^\circ}{1+\tan 2x\tan 70^\circ}=-\frac38

giving your answers, in degrees, to one decimal place.

(4)
题目中文翻译

在本题中,你必须写出所有推导步骤。 不接受完全依赖计算器技术的解法。

(i) 在 0<θ<π0<\theta<\pi 的范围内解方程

3cosec⁡θ=8cos⁡θ3\cosec\theta=8\cos\theta

答案用弧度表示,保留 3 位有效数字。

(ii) 在 0<x<180∘0<x<180^\circ 的范围内解方程

tan⁡2x−tan⁡70∘1+tan⁡2xtan⁡70∘=−38\frac{\tan 2x-\tan 70^\circ}{1+\tan 2x\tan 70^\circ}=-\frac38

答案用角度表示,精确到小数点后 1 位。

解答

(i)

解法一

思路

展开

先用 cosec⁡θ=1sin⁡θ\cosec\theta=\dfrac1{\sin\theta},再利用 sin⁡2θ=2sin⁡θcos⁡θ\sin2\theta=2\sin\theta\cos\theta,把方程化成 sin⁡2θ=34\sin2\theta=\dfrac34。解题时要把原范围同步变成 0<2θ<2π0<2\theta<2\pi,才能完整找出所有解。

答题过程

展开

Using cosec⁡θ=1sin⁡θ\cosec\theta=\dfrac1{\sin\theta},

3sin⁡θ=8cos⁡θ.\frac{3}{\sin\theta}=8\cos\theta.

Since 0<θ<π0<\theta<\pi, sin⁡θ≠0\sin\theta\neq0. Hence

3= 8sin⁡θcos⁡θ= 4sin⁡2θ,\begin{align*} 3=&\,8\sin\theta\cos\theta\\ =&\,4\sin2\theta, \end{align*}

so

sin⁡2θ=34.\sin2\theta=\frac34.

As 0<2θ<2π0<2\theta<2\pi,

2θ=arcsin⁡(34)or2θ=π−arcsin⁡(34).2\theta=\arcsin\bigg(\frac34\bigg) \quad\text{or}\quad 2\theta=\pi-\arcsin\bigg(\frac34\bigg).

Therefore,

θ=0.424031…orθ=1.14676….\theta=0.424031\ldots \quad\text{or}\quad \theta=1.14676\ldots.

To three significant figures,

θ=0.424, 1.15.\boxed{\theta=0.424,\ 1.15}.

解法二

思路

展开

也可以把原方程平方,再令 s=sin⁡2θs=\sin^2\theta 解二次方程。平方会引入原方程不接受的解,因此最后必须代回符号条件:在 0<θ<π0<\theta<\pi 中,左边为正,所以必须有 cos⁡θ>0\cos\theta>0。

答题过程

展开

Squaring the equation gives

9cosec⁡2θ=64cos⁡2θ.9\cosec^2\theta=64\cos^2\theta.

Using cosec⁡2θ=1sin⁡2θ\cosec^2\theta=\dfrac1{\sin^2\theta} and cos⁡2θ=1−sin⁡2θ\cos^2\theta=1-\sin^2\theta,

9sin⁡2θ=64(1−sin⁡2θ).\frac9{\sin^2\theta} =64\big(1-\sin^2\theta\big).

Let s=sin⁡2θs=\sin^2\theta. Then

9= 64s(1−s)64s2−64s+9= 0.\begin{align*} 9=&\,64s(1-s)\\ 64s^2-64s+9=&\,0. \end{align*}

Thus

s=4±78.s=\frac{4\pm\sqrt7}{8}.

Since the original equation has a positive left-hand side, cos⁡θ\cos\theta must be positive. In the given range, this requires 0<θ<π20<\theta<\dfrac{\pi}{2}. Hence

θ=arcsin⁡4−78orθ=arcsin⁡4+78.\theta=\arcsin\sqrt{\frac{4-\sqrt7}{8}} \quad\text{or}\quad \theta=\arcsin\sqrt{\frac{4+\sqrt7}{8}}.

Therefore,

θ=0.424, 1.15\boxed{\theta=0.424,\ 1.15}

to three significant figures.

(ii)

解法一

思路

展开

分式正好符合正切差角公式,把它识别成 tan⁡(2x−70∘)\tan(2x-70^\circ)。然后写出正切函数的 180∘180^\circ 周期通解,并用 0<x<180∘0<x<180^\circ 筛选。

答题过程

展开

Using

tan⁡(A−B)=tan⁡A−tan⁡B1+tan⁡Atan⁡B,\tan(A-B)=\frac{\tan A-\tan B} {1+\tan A\tan B},

the equation becomes

tan⁡(2x−70∘)=−38.\tan(2x-70^\circ)=-\frac38.

Therefore,

2x−70∘=arctan⁡(−38)+180∘n,n∈Z.2x-70^\circ =\arctan\bigg(-\frac38\bigg)+180^\circ n, \qquad n\in\mathbb{Z}.

Hence

x=70∘+arctan⁡(−3/8)+180∘n2.x=\frac{ 70^\circ+\arctan(-3/8)+180^\circ n}{2}.

The values in 0<x<180∘0<x<180^\circ occur when n=0n=0 and n=1n=1, giving

x=24.7∘, 114.7∘.\boxed{x=24.7^\circ,\ 114.7^\circ}.

解法二

思路

展开

也可以先交叉相乘,把 tan⁡2x\tan2x 单独移到一边。这样得到 tan⁡2x\tan2x 的数值后,再利用正切的周期求出范围内的两个解。

答题过程

展开

Let T=tan⁡70∘T=\tan70^\circ. Cross-multiplying,

8(tan⁡2x−T)=−3(1+Ttan⁡2x).8(\tan2x-T)=-3(1+T\tan2x).

Therefore,

(8+3T)tan⁡2x= 8T−3tan⁡2x= 8T−38+3T= 1.168….\begin{align*} (8+3T)\tan2x=&\,8T-3\\ \tan2x=&\,\frac{8T-3}{8+3T}\\ =&\,1.168\ldots. \end{align*}

Thus

2x=arctan⁡(1.168…)+180∘n.2x=\arctan(1.168\ldots)+180^\circ n.

Using 0<2x<360∘0<2x<360^\circ gives

x=24.7∘, 114.7∘.\boxed{x=24.7^\circ,\ 114.7^\circ}.

解法三

思路

展开

还可以使用 tan⁡2x=2tan⁡x1−tan⁡2x\tan2x=\dfrac{2\tan x}{1-\tan^2x}。令 t=tan⁡xt=\tan x 后,原方程会化成关于 tt 的二次方程;两个根分别对应指定范围内的两个角。

答题过程

展开

Let

t=tan⁡xandT=tan⁡70∘.t=\tan x \quad\text{and}\quad T=\tan70^\circ.

From the cross-multiplication above,

(8+3T)tan⁡2x=8T−3.(8+3T)\tan2x=8T-3.

Using tan⁡2x=2t1−t2\tan2x=\dfrac{2t}{1-t^2},

(8+3T)2t1−t2=8T−3.(8+3T)\frac{2t}{1-t^2}=8T-3.

Hence

(8T−3)t2+(16+6T)t+(3−8T)=0.(8T-3)t^2+(16+6T)t+(3-8T)=0.

Solving this quadratic gives

t=0.4604…ort=−2.172….t=0.4604\ldots \quad\text{or}\quad t=-2.172\ldots.

Therefore, for 0<x<180∘0<x<180^\circ,

x=24.7∘, 114.7∘.\boxed{x=24.7^\circ,\ 114.7^\circ}.