证明 ddx(tan⁡x)=sec⁡2x\dfrac{d}{dx}(\tan x)=\sec^2 x 证明 sin⁡2xcot⁡x=2cos⁡2x\sin 2x\cot x = 2\cos^2 x 由此,求 ∫π30π5csc⁡(10x)tan⁡(5x) dx\displaystyle\int_{\tfrac{\pi}{30}}^{\tfrac{\pi}{5}} \csc(10x)\tan(5x)\,dx 的精确值。

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完整解法

2(a)

1. Express $\tan x$ as a quotient of sine and cosine, and set up the differentiation.

ddx(tan⁡x)=ddx(sin⁡xcos⁡x)\frac{d}{dx}(\tan x) = \frac{d}{dx}\left(\frac{\sin x}{\cos x}\right)

2. Apply the quotient rule to differentiate the expression.

=(cos⁡x)ddx(sin⁡x)−(sin⁡x)ddx(cos⁡x)(cos⁡x)2= \frac{(\cos x)\frac{d}{dx}(\sin x) - (\sin x)\frac{d}{dx}(\cos x)}{(\cos x)^2}
=(cos⁡x)(cos⁡x)−(sin⁡x)(−sin⁡x)cos⁡2x= \frac{(\cos x)(\cos x) - (\sin x)(-\sin x)}{\cos^2 x}

3. Simplify the numerator using the Pythagorean identity and conclude the proof using the reciprocal identity.

=cos⁡2x+sin⁡2xcos⁡2x= \frac{\cos^2 x + \sin^2 x}{\cos^2 x}
=1cos⁡2x= \frac{1}{\cos^2 x}
=sec⁡2x (shown)= \sec^2 x \text{ (shown)}

答案

\text{Shown}

2(b)

1. Apply the double angle formula for sine and the ratio definition of cotangent

sin⁡2xcot⁡x=(2sin⁡xcos⁡x)(cos⁡xsin⁡x)\sin 2x \cot x = (2\sin x \cos x)\left(\frac{\cos x}{\sin x}\right)

2. Simplify the expression to complete the proof

=2cos⁡x(cos⁡x)= 2\cos x (\cos x)\n=2cos⁡2x= 2\cos^2 x

答案

2cos⁡2x2\cos^2 x (shown)

2(c)

1. Rewrite the integrand using the identity from (b)

Write csc⁡(10x)tan⁡(5x)=tan⁡(5x)sin⁡(10x)=1sin⁡(10x)cot⁡(5x)\csc(10x)\tan(5x)=\dfrac{\tan(5x)}{\sin(10x)}=\dfrac{1}{\sin(10x)\cot(5x)}.

Using (b) with x→5xx\to 5x: sin⁡(10x)cot⁡(5x)=2cos⁡2(5x)\sin(10x)\cot(5x)=2\cos^2(5x).

Hence csc⁡(10x)tan⁡(5x)=12cos⁡2(5x)=12sec⁡2(5x).\csc(10x)\tan(5x)=\dfrac{1}{2\cos^2(5x)}=\dfrac12\sec^2(5x).

2. Integrate $\tfrac12\sec^2(5x)$

Using ddxtan⁡x=sec⁡2x\dfrac{d}{dx}\tan x=\sec^2 x from (a),
∫12sec⁡2(5x) dx=12⋅15tan⁡(5x)=110tan⁡(5x).\int \tfrac12\sec^2(5x)\,dx=\tfrac12\cdot\tfrac15\tan(5x)=\tfrac{1}{10}\tan(5x).

3. Evaluate the definite integral

[110tan⁡(5x)]π/30π/5=110(tan⁡π−tan⁡π6)=110(0−13)=−1103=−330.\Big[\tfrac{1}{10}\tan(5x)\Big]_{\pi/30}^{\pi/5}=\tfrac{1}{10}\Big(\tan\pi-\tan\tfrac{\pi}{6}\Big)=\tfrac{1}{10}\Big(0-\tfrac{1}{\sqrt3}\Big)=-\tfrac{1}{10\sqrt3}=-\tfrac{\sqrt3}{30}.

答案

−330-\dfrac{\sqrt{3}}{30}

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