证明 (csc⁡θ+cot⁡θ)2=1+cos⁡θ1−cos⁡θ(\csc\theta + \cot\theta)^2 = \frac{1 + \cos\theta}{1 - \cos\theta}。 由此,解方程 (csc⁡2θ+cot⁡2θ)2(1−cos⁡2θ)=2cos⁡θ(\csc 2\theta + \cot 2\theta)^2 (1 - \cos 2\theta) = 2 \cos \theta,其中 0∘≤θ≤360∘0^\circ \le \theta \le 360^\circ。

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完整解法

14(a)

1. Express the left-hand side in terms of sine and cosine.

LHS=(csc⁡θ+cot⁡θ)2\text{LHS} = (\csc\theta + \cot\theta)^2
LHS=(1sin⁡θ+cos⁡θsin⁡θ)2\text{LHS} = \left(\frac{1}{\sin\theta} + \frac{\cos\theta}{\sin\theta}\right)^2

2. Combine the fractions and expand the square.

LHS=(1+cos⁡θsin⁡θ)2\text{LHS} = \left(\frac{1 + \cos\theta}{\sin\theta}\right)^2
LHS=(1+cos⁡θ)2sin⁡2θ\text{LHS} = \frac{(1 + \cos\theta)^2}{\sin^2\theta}

3. Apply the Pythagorean identity to the denominator.

LHS=(1+cos⁡θ)21−cos⁡2θ\text{LHS} = \frac{(1 + \cos\theta)^2}{1 - \cos^2\theta}

4. Factorise the denominator and simplify to reach the right-hand side.

LHS=(1+cos⁡θ)2(1−cos⁡θ)(1+cos⁡θ)\text{LHS} = \frac{(1 + \cos\theta)^2}{(1 - \cos\theta)(1 + \cos\theta)}
LHS=1+cos⁡θ1−cos⁡θ=RHS\text{LHS} = \frac{1 + \cos\theta}{1 - \cos\theta} = \text{RHS}

答案

Proof completed.

14(b)

1. Apply the result of (a) to simplify the left-hand side

From part (a), with θ\theta replaced by 2θ2\theta:
(csc⁡2θ+cot⁡2θ)2=1+cos⁡2θ1−cos⁡2θ.(\csc 2\theta + \cot 2\theta)^2 = \frac{1 + \cos 2\theta}{1 - \cos 2\theta}.
Therefore
(csc⁡2θ+cot⁡2θ)2(1−cos⁡2θ)=1+cos⁡2θ1−cos⁡2θ×(1−cos⁡2θ)=1+cos⁡2θ.(\csc 2\theta + \cot 2\theta)^2 (1 - \cos 2\theta) = \frac{1 + \cos 2\theta}{1 - \cos 2\theta}\times(1-\cos 2\theta) = 1 + \cos 2\theta.

2. Use the double-angle formula and form the equation

Since 1+cos⁡2θ=2cos⁡2θ1 + \cos 2\theta = 2\cos^2\theta, the equation becomes
2cos⁡2θ=2cos⁡θ.2\cos^2\theta = 2\cos\theta.

3. Rearrange and factorise

2cos⁡2θ−2cos⁡θ=02\cos^2\theta - 2\cos\theta = 0
2cos⁡θ(cos⁡θ−1)=02\cos\theta(\cos\theta - 1) = 0
So cos⁡θ=0\cos\theta = 0 or cos⁡θ=1\cos\theta = 1.

4. Solve for all angles in the interval

For 0∘≤θ≤360∘0^\circ \le \theta \le 360^\circ:

cos⁡θ=0⇒θ=90∘, 270∘\cos\theta = 0 \Rightarrow \theta = 90^\circ,\ 270^\circ

cos⁡θ=1⇒θ=0∘, 360∘\cos\theta = 1 \Rightarrow \theta = 0^\circ,\ 360^\circ

Hence θ=0∘, 90∘, 270∘, 360∘\theta = 0^\circ,\ 90^\circ,\ 270^\circ,\ 360^\circ.

答案

θ=0∘, 90∘, 270∘, 360∘\theta = 0^\circ,\ 90^\circ,\ 270^\circ,\ 360^\circ

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