证明 ddθ(cos⁡4θ+sin⁡4θ)=psin⁡qθ\frac{\text{d}}{\text{d}\theta}(\cos^4 \theta + \sin^4 \theta) = p \sin q\theta,其中 pp 和 qq 是整数。 由此求出对于 0<θ<π20 < \theta < \frac{\pi}{2},曲线 y=cos⁡4θ+sin⁡4θy = \cos^4 \theta + \sin^4 \theta 具有水平切线时 θ\theta 的确切值。

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完整解法

6(i)

1. Differentiate the expression with respect to $\theta$ using the chain rule

ddθ(cos⁡4θ+sin⁡4θ)=4cos⁡3θ(−sin⁡θ)+4sin⁡3θ(cos⁡θ)\frac{\text{d}}{\text{d}\theta}(\cos^4 \theta + \sin^4 \theta) = 4\cos^3 \theta (-\sin \theta) + 4\sin^3 \theta (\cos \theta)

2. Factorise the resulting expression

=−4sin⁡θcos⁡3θ+4sin⁡3θcos⁡θ= -4\sin\theta \cos^3\theta + 4\sin^3\theta \cos\theta
=−4sin⁡θcos⁡θ(cos⁡2θ−sin⁡2θ)= -4\sin\theta \cos\theta (\cos^2\theta - \sin^2\theta)

3. Apply double angle identities for sine and cosine

Since 2sin⁡θcos⁡θ=sin⁡2θ2\sin\theta \cos\theta = \sin 2\theta and cos⁡2θ−sin⁡2θ=cos⁡2θ\cos^2\theta - \sin^2\theta = \cos 2\theta,
=−2(2sin⁡θcos⁡θ)(cos⁡2θ−sin⁡2θ)= -2(2\sin\theta \cos\theta)(\cos^2\theta - \sin^2\theta)
=−2sin⁡2θcos⁡2θ= -2\sin 2\theta \cos 2\theta

4. Apply the double angle identity for sine again to reach the final form

Since 2sin⁡2θcos⁡2θ=sin⁡4θ2\sin 2\theta \cos 2\theta = \sin 4\theta,
=−sin⁡4θ= -\sin 4\theta
(Thus p=−1p = -1 and q=4q = 4)

答案

−sin⁡4θ-\sin 4\theta (where p=−1p = -1 and q=4q = 4)

6(ii)

1. Recall the derivative from part (i) and set it to zero

From part (i), ddθ(cos⁡4θ+sin⁡4θ)=−sin⁡4θ\frac{\text{d}}{\text{d}\theta}(\cos^4 \theta + \sin^4 \theta) = -\sin 4\theta.
For a horizontal tangent, dydθ=0\frac{\text{d}y}{\text{d}\theta} = 0.
−sin⁡4θ=0-\sin 4\theta = 0

2. Solve the trigonometric equation for the given domain

sin⁡4θ=0\sin 4\theta = 0
Since 0<θ<π20 < \theta < \frac{\pi}{2}, the domain for 4θ4\theta is 0<4θ<2π0 < 4\theta < 2\pi.
The only solution in this range is 4θ=π4\theta = \pi.
θ=π4\theta = \frac{\pi}{4}

答案

θ=π4\theta = \frac{\pi}{4}

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