2021 AMC 12B Spring 第 13 题

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13.

区间 0<θ≤2π0\lt\theta\le 2\pi 中有多少个 θ\theta 的值满足下面的方程? 1−3sin⁡θ+5cos⁡3θ=01-3\sin\theta+5\cos 3\theta=0
How many values of θ\theta in the interval 0<θ≤2π0\lt\theta\le 2\pi satisfy the following equation? 1−3sin⁡θ+5cos⁡3θ=01-3\sin\theta+5\cos 3\theta=0
22
44
55
66
88
答案:D
知识点:三角学系统列举
小提示:
项 5cos⁡3θ5\cos 3\theta 在 −5-5 和 55 之间摆动,主导了变化较慢的 1−3sin⁡θ1-3\sin\theta
The term 5cos⁡3θ5\cos 3\theta swings between −5-5 and 5,5, dominating the slowly varying 1−3sin⁡θ1-3\sin\theta
大提示:
在 60∘60^\circ 的各个倍数处检查 f(θ)=1−3sin⁡θ+5cos⁡3θf(\theta)=1-3\sin\theta+5\cos 3\theta,再用 f′f' 排除多余的根
Check f(θ)=1−3sin⁡θ+5cos⁡3θf(\theta)=1-3\sin\theta+5\cos 3\theta at multiples of 60∘,60^\circ, then use f′f' to rule out extra roots
解答:
令 f(θ)=1−3sin⁡θ+5cos⁡3θf(\theta)=1-3\sin\theta+5\cos 3\theta。在 θ=0,π3,2π3,…,2π\theta=0,\tfrac\pi3,\tfrac{2\pi}3,\ldots,2\pi 处,其符号依次为 +,−,+,−,+,−,++,-,+,-,+,-,+。因此,相邻两点之间的六个区间各至少有一个根。
在任意根处,5cos⁡3θ=3sin⁡θ−15\cos3\theta=3\sin\theta-1。于是 25sin⁡23θ−cos⁡2θ=23+6sin⁡θ−8sin⁡2θ>0。 \begin{aligned} &25\sin^2 3\theta-\cos^2\theta \\ &\quad =23+6\sin\theta-8\sin^2\theta>0 \end{aligned}\text{。}所以 15∣sin⁡3θ∣>3∣cos⁡θ∣15|\sin3\theta|>3|\cos\theta|。在区间 (kπ3,(k+1)π3)(\tfrac{k\pi}{3},\tfrac{(k+1)\pi}{3}) 中,每个根处的 f′(θ)=−3cos⁡θ−15sin⁡3θf'(\theta)=-3\cos\theta-15\sin3\theta 的符号都是 (−1)k+1(-1)^{k+1}。
因此,同一区间内的每个根都以相同方向穿过横轴。若有两个这样的根,它们之间必有一个反方向的穿越,产生矛盾。所以每个区间恰有一个根,共有 66 个解。
所以正确答案是 D。
Let f(θ)=1−3sin⁡θ+5cos⁡3θ.f(\theta)=1-3\sin\theta+5\cos 3\theta. At θ=0,π3,2π3,…,2π,\theta=0,\tfrac\pi3,\tfrac{2\pi}3,\ldots,2\pi, its signs alternate +,−,+,−,+,−,+.+,-,+,-,+,-,+. Therefore there is at least one root in each of the six intervening intervals.
At any root, 5cos⁡3θ=3sin⁡θ−1.5\cos3\theta=3\sin\theta-1. Consequently 25sin⁡23θ−cos⁡2θ=23+6sin⁡θ−8sin⁡2θ>0. \begin{aligned} &25\sin^2 3\theta-\cos^2\theta \\ &\quad =23+6\sin\theta-8\sin^2\theta>0. \end{aligned} Hence 15∣sin⁡3θ∣>3∣cos⁡θ∣.15|\sin3\theta|>3|\cos\theta|. In the interval (kπ3,(k+1)π3),(\tfrac{k\pi}{3},\tfrac{(k+1)\pi}{3}), the sign of f′(θ)=−3cos⁡θ−15sin⁡3θf'(\theta)=-3\cos\theta-15\sin3\theta is therefore (−1)k+1(-1)^{k+1} at every root.
Thus every root in a given interval crosses the axis in the same direction. Two such roots would require an intervening crossing in the opposite direction, so each interval has exactly one root. There are 66 solutions in all.
Thus, the correct answer is D.
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