题目
Problem
(a) Show that
(z+z1)3(z−z1)3=z6−z61+k(z2−z21)
where k is a constant to be found.
(3)
Given that z=cosθ+isinθ, where θ is real,
(b) show that
(i)
zn+zn1=2cosnθ
(ii)
zn−zn1=2isinnθ
(3)
(c) Hence show that
cos3θsin3θ=321(3sin2θ−sin6θ)
(4)
(d) Use algebraic integration to find the exact value of
∫0π/8cos3θsin3θdθ
(4)
解答
(a)
解法一
思路
展开
先把两个括号相乘,再整体三次方:
(z+z1)(z−z1)=z2−z21
这样比直接展开两个三次方更短。
答题过程
展开
(z+z1)3(z−z1)3==[(z+z1)(z−z1)]3(z2−z21)3
Now expand:
(z2−z21)3==z6−3z2+3z21−z61z6−z61−3(z2−z21)
Therefore
k=−3
解法二
思路
展开
也可以分别展开两个三次方,再相乘。这个方法较长,但能训练二项式展开与合并同类项。
答题过程
展开
First,
(z+z1)3=z3+3z+z3+z31
and
(z−z1)3=z3−3z+z3−z31
Multiplying and collecting terms gives
(z+z1)3(z−z1)3==z6−3z2+3z21−z61z6−z61−3(z2−z21)
Hence
k=−3
(b)
解法一
思路
展开
由 de Moivre 定理,zn=cosnθ+isinnθ。而 zn1=z−n,对应角度是 −nθ。
答题过程
展开
Since
z=cosθ+isinθ,
by de Moivre’s theorem,
zn=cosnθ+isinnθ
Also,
zn1=z−n=cos(−nθ)+isin(−nθ)=cosnθ−isinnθ
Therefore
zn+zn1=zn−zn1=2cosnθ2isinnθ
(c)
解法一
思路
展开
把 (a) 左边用 (b) 的 n=1 结果表示成 cos3θsin3θ,右边用 n=6 和 n=2 结果表示成 sin6θ 与 sin2θ。
答题过程
展开
From part (b),
z+z1=2cosθ,z−z1=2isinθ
So the left hand side of part (a) is
(2cosθ)3(2isinθ)3==8cos3θ⋅8i3sin3θ−64icos3θsin3θ
Also, from part (b),
z6−z61=2isin6θ,z2−z21=2isin2θ
Using k=−3 from part (a),
z6−z61−3(z2−z21)=2isin6θ−6isin2θ
Equating both expressions:
−64icos3θsin3θ=2isin6θ−6isin2θ
Divide by −64i:
cos3θsin3θ=321(3sin2θ−sin6θ)
(d)
解法一
思路
展开
直接用 (c) 的结果把被积函数换成正弦的线性组合,再逐项积分。上下限是 0 和 8π,所以会用到 cos4π 和 cos43π。
答题过程
展开
Using part (c),
∫0π/8cos3θsin3θdθ=321∫0π/8(3sin2θ−sin6θ)dθ
Integrate:
===321[−23cos2θ+61cos6θ]0π/8321[(−23cos4π+61cos43π)−(−23+61)]321[(−432−122)+34]321(34−652)
Therefore
∫0π/8cos3θsin3θdθ=241−19252