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CalcGospel 國際數學圖譜
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IAL 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

3cosecθ=8cosθ3\cosec\theta=8\cos\theta

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

(5)

(ii) Solve, for 0<x<1800<x<180^\circ

tan2xtan701+tan2xtan70=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

3cosecθ=8cosθ3\cosec\theta=8\cos\theta

答案用弧度表示,保留 3 位有效数字。

(ii) 在 0<x<1800<x<180^\circ 的范围内解方程

tan2xtan701+tan2xtan70=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 cosecθ=1sinθ\cosec\theta=\dfrac1{\sin\theta},再利用 sin2θ=2sinθcosθ\sin2\theta=2\sin\theta\cos\theta,把方程化成 sin2θ=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 cosecθ=1sinθ\cosec\theta=\dfrac1{\sin\theta},

3sinθ=8cosθ.\frac{3}{\sin\theta}=8\cos\theta.

Since 0<θ<π0<\theta<\pi, sinθ0\sin\theta\neq0. Hence

3=8sinθcosθ=4sin2θ,\begin{align*} 3=&\,8\sin\theta\cos\theta\\ =&\,4\sin2\theta, \end{align*}

so

sin2θ=34.\sin2\theta=\frac34.

As 0<2θ<2π0<2\theta<2\pi,

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

Therefore,

θ=0.424031orθ=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

官方评分资料也接受把原方程平方,再令 s=sin2θs=\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 cosθ>0\cos\theta>0

答题过程

展开

Squaring the equation gives

9cosec2θ=64cos2θ.9\cosec^2\theta=64\cos^2\theta.

Using cosec2θ=1sin2θ\cosec^2\theta=\dfrac1{\sin^2\theta} and cos2θ=1sin2θ\cos^2\theta=1-\sin^2\theta,

9sin2θ=64(1sin2θ).\frac9{\sin^2\theta} =64\big(1-\sin^2\theta\big).

Let s=sin2θs=\sin^2\theta. Then

9=64s(1s)64s264s+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, cosθ\cos\theta must be positive. In the given range, this requires 0<θ<π20<\theta<\dfrac{\pi}{2}. Hence

θ=arcsin478orθ=arcsin4+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(2x70)\tan(2x-70^\circ)。然后写出正切函数的 180180^\circ 周期通解,并用 0<x<1800<x<180^\circ 筛选。

答题过程

展开

Using

tan(AB)=tanAtanB1+tanAtanB,\tan(A-B)=\frac{\tan A-\tan B} {1+\tan A\tan B},

the equation becomes

tan(2x70)=38.\tan(2x-70^\circ)=-\frac38.

Therefore,

2x70=arctan(38)+180n,nZ.2x-70^\circ =\arctan\bigg(-\frac38\bigg)+180^\circ n, \qquad n\in\mathbb{Z}.

Hence

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

The values in 0<x<1800<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 tan2x\tan2x 单独移到一边。这样得到 tan2x\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=tan70T=\tan70^\circ. Cross-multiplying,

8(tan2xT)=3(1+Ttan2x).8(\tan2x-T)=-3(1+T\tan2x).

Therefore,

(8+3T)tan2x=8T3tan2x=8T38+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)+180n.2x=\arctan(1.168\ldots)+180^\circ n.

Using 0<2x<3600<2x<360^\circ gives

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

解法三

思路

展开

第三条官方路线是使用 tan2x=2tanx1tan2x\tan2x=\dfrac{2\tan x}{1-\tan^2x}。令 t=tanxt=\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=tanxandT=tan70.t=\tan x \quad\text{and}\quad T=\tan70^\circ.

From the cross-multiplication above,

(8+3T)tan2x=8T3.(8+3T)\tan2x=8T-3.

Using tan2x=2t1t2\tan2x=\dfrac{2t}{1-t^2},

(8+3T)2t1t2=8T3.(8+3T)\frac{2t}{1-t^2}=8T-3.

Hence

(8T3)t2+(16+6T)t+(38T)=0.(8T-3)t^2+(16+6T)t+(3-8T)=0.

Solving this quadratic gives

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

Therefore, for 0<x<1800<x<180^\circ,

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