题目
Problem
In this question you must show all stages of your working.
Solutions relying entirely on calculator technology are not acceptable.
Given that z=eiθ
(a) show that zn+zn1=2cosnθ
where n is a positive integer.
(2)
(b) Show that
cos6θ=321(cos6θ+6cos4θ+15cos2θ+10)
(5)
(c) Hence solve the equation
cos6θ+6cos4θ+15cos2θ=00⩽θ⩽π
Give your answers to 3 significant figures.
(4)
(d) Use calculus to determine the exact value of
∫03π(32cos6θ−4cos2θ)dθ
Solutions relying entirely on calculator technology are not acceptable.
(5)
解答
(a)
解法一
思路
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用 Euler form:zn=einθ,而 zn1=e−inθ。两者相加时虚部抵消,只剩 2cosnθ。
答题过程
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Since z=eiθ,
zn=einθ=cosnθ+isinnθ.
Also,
zn1===e−inθcos(−nθ)+isin(−nθ)cosnθ−isinnθ.
Therefore,
zn+zn1==cosnθ+isinnθ+cosnθ−isinnθ2cosnθ.
(b)
解法一
思路
展开
因为 z+z1=2cosθ,所以展开 (z+z1)6,再把 zk+zk1 换成 2coskθ。
答题过程
展开
From z=eiθ,
z+z1=2cosθ.
Hence,
64cos6θ====(z+z1)6z6+6z5(z1)+15z4(z21)+20z3(z31)+15z2(z41)+6z(z51)+z61z6+6z4+15z2+20+z215+z46+z61(z6+z61)+6(z4+z41)+15(z2+z21)+20.
Using part (a),
64cos6θ=2cos6θ+12cos4θ+30cos2θ+20.
Therefore,
cos6θ=321(cos6θ+6cos4θ+15cos2θ+10).
(c)
解法一
思路
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用 (b) 把题目左边换成 32cos6θ−10。然后解 cos6θ=165,在 0⩽θ⩽π 内取两个角。
答题过程
展开
From part (b),
cos6θ+6cos4θ+15cos2θ+10=32cos6θ.
So the given equation becomes
32cos6θ−10=cos6θ=0165.
Therefore,
cosθ=±(165)1/6.
For 0⩽θ⩽π,
θ=0.6027…,2.5388…
Hence, to 3 significant figures,
θ=0.603,2.54.
(d)
解法一
思路
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题目说用 calculus,且不能只靠计算器。先用 (b) 把 32cos6θ 改成多角表达式,再用
4cos2θ=2+2cos2θ.
这样就能逐项积分。
答题过程
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Using part (b),
32cos6θ=cos6θ+6cos4θ+15cos2θ+10.
Also,
4cos2θ=2+2cos2θ.
Therefore,
==∫03π(32cos6θ−4cos2θ)dθ∫03π(cos6θ+6cos4θ+13cos2θ+8)dθ[61sin6θ+23sin4θ+213sin2θ+8θ]03π.
Substituting the limits,
==61sin2π+23sin34π+213sin32π+38π0+23(−23)+213(23)+38π253+38π.