证明恒等式 1+sin⁡xcos⁡x+cos⁡x1+sin⁡x=2sec⁡x\frac{1 + \sin x}{\cos x} + \frac{\cos x}{1 + \sin x} = 2 \sec x。 由此,在 0<x<2π0 < x < 2\pi 范围内解方程 1+sin⁡xcos⁡x+cos⁡x1+sin⁡x=4\frac{1 + \sin x}{\cos x} + \frac{\cos x}{1 + \sin x} = 4。

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完整解法

2(i)

1. Combine the fractions on the left-hand side using a common denominator.

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

2. Expand the numerator.

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

3. Apply the Pythagorean identity $\sin^2 x + \cos^2 x = 1$ to simplify the numerator.

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

4. Factorise the numerator, cancel the common factor, and apply the reciprocal identity to reach the RHS.

LHS=2(1+sin⁡x)cos⁡x(1+sin⁡x)=2cos⁡x=2sec⁡x=RHS\text{LHS} = \frac{2(1 + \sin x)}{\cos x (1 + \sin x)} = \frac{2}{\cos x} = 2\sec x = \text{RHS}

答案

Proof completed.

2(ii)

1. Substitute the identity proven in part (i) into the equation

From (i), 1+sin⁡xcos⁡x+cos⁡x1+sin⁡x=2sec⁡x\frac{1 + \sin x}{\cos x} + \frac{\cos x}{1 + \sin x} = 2 \sec x.

So, 2sec⁡x=42 \sec x = 4

2. Simplify the equation to find $\cos x$

sec⁡x=2\sec x = 2

1cos⁡x=2\frac{1}{\cos x} = 2

cos⁡x=12\cos x = \frac{1}{2}

3. Solve for $x$ in the given domain $0 < x < 2\pi$

Basic angle α=cos⁡−1(12)=π3\alpha = \cos^{-1}\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{\pi}{3}

Since cos⁡x\cos x is positive, xx is in the 1st and 4th quadrants.

x=π3x = \frac{\pi}{3} or x=2π−π3=5π3x = 2\pi - \frac{\pi}{3} = \frac{5\pi}{3}

答案

x=π3,5π3x = \frac{\pi}{3}, \frac{5\pi}{3}

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