APICS Matemáticas Concurso 1999: Demostrar $\sin^2(x+\alpha)+\sin^2(x+\beta)-2\cos(\alpha-\beta)\sin(x+\alpha)\sin(x+\beta)$ es una función constante de $x$

Question

Esta es la pregunta 3 de la APICS Concurso de Matemáticas papel de 1999:

Demostrar que $$\sin^2(x+\alpha)+\sin^2(x+\beta)-2\cos(\alpha-\beta)\sin(x+\alpha)\sin(x+\beta)$$ is a constant function of $x$.

La expansión parece desalentador, en particular, en el último término, y nada de lo que yo he probado ha sido de utilidad para la cancelación de términos. Fue asignado en un pre-curso de cálculo, por lo que debe ser posible resolver sin el uso de derivados. Sin embargo, muestra que $f'(x)=0$, obviamente, sería una solución válida.

Todas las ideas son más que bienvenidos.

Answer 1

Tomando @SiongthyeGoh del comentario, en la imagen de arriba, $AE=1$, $\angle BAE=x$, $\angle BAC=\beta$, y $\angle BAD=\alpha$.

De ello se desprende que $DE=\sin(x+\alpha)$$CE=\sin(x+\beta)$. Aplicando el teorema del coseno a $\triangle DCE$, la expresión dada es igual a $DC^2$, por lo tanto es una constante.

Answer 2

Vamos $$E=\sin^2(x+\alpha)+\sin^2(x+\beta)-\color {blue}{2\cos(\alpha-\beta)\sin(x+\alpha)}\sin(x+\beta)$$

Ahora uso $2\cos A \sin B = \sin (A+B) - \sin (A-B)$.

$$E=\sin^2(x+\alpha)+\sin^2(x+\beta)-\left[\sin\left(\alpha-\beta +x+\alpha\right)-\sin\left(\alpha-\beta -x-\alpha\right)\right]\sin(x+\beta)$$

$$E=\sin^2(x+\alpha)+\sin^2(x+\beta)-\left[\sin\left(\alpha-\beta +x+\alpha\right)-\sin\left(-\beta -x\right)\right]\sin(x+\beta)$$

$$E=\sin^2(x+\alpha)+\sin^2(x+\beta)-\left[\sin\left(\alpha-\beta +x+\alpha\right)+\sin\left(x+\beta \right)\right]\sin(x+\beta)$$

$$E=\sin^2(x+\alpha)-\color {red}{\sin\left(\alpha-\beta +x+\alpha\right)\sin(x+\beta)}$$

Ahora uso $2\sin A \sin B = \cos (A-B) - \cos (A+B)$.

$$E=\sin^2(x+\alpha)-\frac{1}{2}\left[\cos(2\alpha-2\beta)-\cos(2x+2\alpha)\right]$$

$$E=\sin^2(x+\alpha)-\frac{1}{2}\cos(2\alpha-2\beta)+\frac{1}{2}\color{green}{\cos(2x+2\alpha)}$$

$$E=\sin^2(x+\alpha)-\frac{1}{2}\cos(2\alpha-2\beta)+\frac{1}{2}\left[1-2\sin^2(x+\alpha)\right]$$

$$E=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\cos(2\alpha-2\beta)$$

Answer 3

SUGERENCIA

Utilice las fórmulas de $\sin^2t=\frac {1-\cos2t} 2$$\cos2p+\cos2q=2\cos(p+q)\cos(p-q)$.

Answer 4

$$F=\sin^2(x+\alpha)+\sin^2(x+\beta)-2\cos(\alpha-\beta)\sin(x+\alpha)\sin(x+\beta)$$

$$=1-\{\underbrace{\cos^2(x+\alpha)-\sin^2(x+\beta)}\}-\cos(\alpha-\beta)\{\underbrace{2\sin(x+\alpha)\sin(x+\beta)}\}$$

El uso de Demostrar que $\cos (A + B)\cos (A - B) = {\cos ^2}A - {\sin ^2}B$ y Werner Fórmula$(2\sin A\sin B=\cdots),$ $$D=1-\cos(2x+\alpha+\beta)\cos(\alpha-\beta)-\cos(\alpha-\beta)[\cos(\alpha-\beta)-\cos(2x+\alpha+\beta)]$$

$$=\cdots=1-\cos^2(\alpha-\beta)$$ which is independent of $x$

Answer 5

$$\text {Let }\quad L=\sin^2 (x+a)+\sin^2(x+b).$$ $$\text {Let }\quad R=-2\cos (a-b)\sin (x+a) \sin (x+b).$$ $$\text {We have }\quad L=\frac {1}{2}(1-\cos (2x+2a) +\frac {1}{2}(1-\cos (2x+2b).$$ Now with $y=2x+a+b$ and $z=a-b$ we have $$\cos (2x+2a)=\cos (y+z)=\cos y \cos z-\sin y \sin z. $$ $$\cos (2x+2b)=\cos (y-z)=\cos y \cos z +\sin y \sin z .$$ $$\text {Thus, }\quad\cos (2x+2a) + \cos (2x+2b )=2 \cos y \cos z.$$ $$\text {Therefore }\quad L=1-\cos y \cos z.$$ The motivation for this comes from examining R : We always have $\el pecado U \pecado V= \frac {1}{2}(\cos (U-V)-\cos (U+V)). $ So we have $$\sin (x+a) \sin (x+b)=\frac {1}{2}(\cos (a-b)-\cos (2x+a+b))=\frac {1}{2}(\cos z-\cos y).$$ $$\text {Therefore }\quad R= (-2\cos z)\cdot \frac {1}{2}(\cos z-\cos y)=-\cos^2 z+\cos z \cos y.$$ $$\text {In conclusion, } \quad L+R=1-\cos^2z=1-\cos^2 (a-b)$$ which is independent of $x.$