在三角形 ABCABC 中,AB=1AB = 1,BC=4BC = 4 且角 ABC=θABC = \theta 弧度。已知 θ\theta 是一个足够小的角,证明: AC≈(9+4θ2)12≈a+bθ2,AC \approx \left(9 + 4\theta^2\right)^{\frac{1}{2}} \approx a + b\theta^2, 其中 aa 和 bb 为待确定的常数。

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完整解法

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1. Formulate an expression for $AC^2$ using the Cosine Rule on triangle $ABC$.

AC2=AB2+BC2−2(AB)(BC)cos⁡θAC^2 = AB^2 + BC^2 - 2(AB)(BC)\cos \theta
AC2=12+42−2(1)(4)cos⁡θAC^2 = 1^2 + 4^2 - 2(1)(4)\cos \theta
AC2=17−8cos⁡θAC^2 = 17 - 8\cos \theta

2. Apply the small angle approximation for $\cos \theta$ to show the first result.

Since θ\theta is a small angle, cos⁡θ≈1−θ22\cos \theta \approx 1 - \frac{\theta^2}{2}.
AC2≈17−8(1−θ22)AC^2 \approx 17 - 8\left(1 - \frac{\theta^2}{2}\right)
AC2≈17−8+4θ2AC^2 \approx 17 - 8 + 4\theta^2
AC2≈9+4θ2AC^2 \approx 9 + 4\theta^2
AC≈(9+4θ2)12AC \approx (9 + 4\theta^2)^{\frac{1}{2}}

3. Factor out 9 to prepare the expression for the standard series expansion of $(1+x)^n$.

(9+4θ2)12=[9(1+4θ29)]12(9 + 4\theta^2)^{\frac{1}{2}} = \left[9\left(1 + \frac{4\theta^2}{9}\right)\right]^{\frac{1}{2}}
=3(1+49θ2)12= 3\left(1 + \frac{4}{9}\theta^2\right)^{\frac{1}{2}}

4. Expand using the binomial expansion and state the constants $a$ and $b$.

Using (1+x)n≈1+nx(1+x)^n \approx 1 + nx for small xx:
≈3[1+12(49θ2)]\approx 3\left[1 + \frac{1}{2}\left(\frac{4}{9}\theta^2\right)\right]
=3(1+29θ2)= 3\left(1 + \frac{2}{9}\theta^2\right)
=3+23θ2= 3 + \frac{2}{3}\theta^2
Comparing with a+bθ2a + b\theta^2, we obtain a=3a = 3 and b=23b = \frac{2}{3}.

答案

a=3a = 3, b=23b = \frac{2}{3}

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