Math|如何用复数巧解非特殊角三角函数值?

文摘   2024-10-13 00:30   广西  

在三角函数中对于特殊角的计算是很简单的,熟记0到π/2的特殊角的三角函数值即可,其他特殊角都可以通过单位圆或者对应三角函数图像简单推导出来。但是对于一些非特殊角的三角函数值就没那么简单了。

在这篇文章Wittt给大家介绍计算非特殊角式子cos(2π/7)+cos(4π/7)+cos(6π/7)=?的三种解法。

方法一:常规解法

常规解法利用基本的三角函数公式求解。这里会利用到一个不太常见的三角函数公式,如下所示:

sin(a)cos(b)=1/2(sin(a+b)+sin(a−b))

当然学过三角函数的同学都很容易推出这个公式,将sin(a+b)和sin(a−b)展开然后相加再除以2就OK了。有了这个公式我们可以对要求的式子做一个简单的变换:

cos(2π/7)+cos(4π/7)+cos(6π/7)=

sin(2π/7)(cos(2π/7)+cos(4π/7)+cos(6π/7))/sin(2π/7)

将上式的分子的sin(2π/7)乘进去利用前面的公式进行化简得:

[1/2sin(4π/7)+1/2sin(6π/7)-1/2sin(2π/7)+1/2sin(8π/7)-1/2sin(4π/7)]/sin(2π/7)

利用诱导公式:sin(π-x)=sinx以及sin(π+x)=-sinx,化简上式得:

[1/2sin(4π/7)+1/2sin(π/7)-1/2sin(2π/7)-1/2sin(π/7)-1/2sin(4π/7)]/sin(2π/7)=-1/2

即:cos(2π/7)+cos(4π/7)+cos(6π/7)=-1/2

方法二:欧拉定理

复数解法的思路是将三角函数化为复数形式,这个转化需要用到著名的欧拉定理,如下所示:

e=cosθ+isinθ

最美公式:eiπ+1=0,就是将上式的θ=π得到的。有了这个公式,我们可以得到其共轭表达式:

ei(-θ)=cosθ-isinθ

将上述两式左右分别相加可得:

2cosθ=e+ei(-θ)

则:cosθ=(e+ei(-θ))/2,则:

cos(2π/7)+cos(4π/7)+cos(6π/7)=
1/2(ei2π/7+ei(-2π/7)+ei4π/7+ei(-4π/7)+ei6π/7+ei(-6π/7))=

1/2(ei2π/7+ei(4π/7)+ei6π/7+ei(8π/7)+ei10π/7+ei(12π/7))=-1/2

即:cos(2π/7)+cos(4π/7)+cos(6π/7)=-1/2

方法三:单位根法

形如xn= 1的方程,其解很有特点,一般形式如下:

x=e2kπi/n (k∈{0,1,2,3...n-1})

x0=1;x1=e2πi/n=ω;x2=ei/n2;x3=e6πi/n3;....;xn-1=e2(n-1)πi/nn-1;

x0+x1+x2+...+xn-1=0; 即:1+ω+ω2+...+ωn-1=0

xn=1的方程有n个解(复数解和实数解,其中实数解最多两个:1和-1,复数解肯定成对出现,每对都是共轭复数(x+iy与x-iy是一对共轭复数)),这n个解将单位圆平分,而且这n个解之和为0。其证明很简单,在这里不再证明。举个例子,如下图所示:

很显然这个最简单的方程的解符合上面的表述。根据这个基础知识,可解如下方程:

x7=1

该方程有7个解,只有一个实数解即:x=1。其他六个解是三组共轭复数解,具体可以将这7个解写出来:

1,e2πi/7e4πi/7e6πi/7e8πi/7e10πi/7e12πi/7

如果画图,应该如下图所示:

根据上述分析,可得:cos(2π/7)=cos(12π/7),cos(4π/7)=cos(10π/7),cos(6π/7)=cos(8π/7),当然也可由诱导公式得到。再利用所有解之和为零这个结论可得:

2(cos(2π/7)+cos(4π/7)+cos(6π/7))+1=0

其中三对共轭复数解的虚部相加相互抵消为0,即可解得:

cos(2π/7)+cos(4π/7)+cos(6π/7)=-1/2

牛逼吗?

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