如图所示为一个三角形 PQRPQR。 点 MM 在 QRQR 上,使得 QM=1QM = 1 个单位,且 MR=3MR = 3 个单位。 角 PRQ=90∘PRQ = 90^\circ,且 PRPR 为 xx 个单位。角 QPRQPR 和 MPRMPR 分别记作 α\alpha 和 β\beta,如图所示,其中 0∘<α<45∘0^\circ < \alpha < 45^\circ。 已知 tan⁡(α−β)=18\tan(\alpha - \beta) = \frac{1}{8},求 xx 的值。

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完整解法

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1. Express $\tan \alpha$ and $\tan \beta$ in terms of $x$ using the right-angled triangles.

In △PQR\triangle PQR, QR=QM+MR=1+3=4QR = QM + MR = 1 + 3 = 4.
tan⁡α=QRPR=4x\tan \alpha = \frac{QR}{PR} = \frac{4}{x}

In △PMR\triangle PMR, MR=3MR = 3.
tan⁡β=MRPR=3x\tan \beta = \frac{MR}{PR} = \frac{3}{x}

2. Apply the compound angle formula for $\tan(\alpha - \beta)$.

tan⁡(α−β)=tan⁡α−tan⁡β1+tan⁡αtan⁡β\tan(\alpha - \beta) = \frac{\tan \alpha - \tan \beta}{1 + \tan \alpha \tan \beta}

3. Substitute the expressions into the formula and simplify to form an equation in $x$.

18=4x−3x1+(4x)(3x)\frac{1}{8} = \frac{\frac{4}{x} - \frac{3}{x}}{1 + \left(\frac{4}{x}\right)\left(\frac{3}{x}\right)}
18=1x1+12x2\frac{1}{8} = \frac{\frac{1}{x}}{1 + \frac{12}{x^2}}
18=xx2+12\frac{1}{8} = \frac{x}{x^2 + 12}

4. Solve the resulting quadratic equation.

x2+12=8xx^2 + 12 = 8x
x2−8x+12=0x^2 - 8x + 12 = 0
(x−2)(x−6)=0(x - 2)(x - 6) = 0
x=2 or x=6x = 2 \text{ or } x = 6

5. Reject the invalid root using the given condition for $\alpha$.

Given 0∘<α<45∘0^\circ < \alpha < 45^\circ, we must have tan⁡α<tan⁡45∘\tan \alpha < \tan 45^\circ, so tan⁡α<1\tan \alpha < 1.
If x=2x = 2, tan⁡α=42=2>1\tan \alpha = \frac{4}{2} = 2 > 1 (rejected).
If x=6x = 6, tan⁡α=46=23<1\tan \alpha = \frac{4}{6} = \frac{2}{3} < 1 (accepted).
Therefore, x=6x = 6.

答案

x=6x = 6

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