Quay lại danh sách
MATHKhối 1223/05/2025

Ứng dụng số phức vào giải bài toán lượng giác

ỨNG DỤNG SỐ PHỨC VÀO GIẢI BÀI TOÁN LƯỢNG GIÁC: CÔNG THỨC DE MOIVRE

I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1. Số phức lượng giác:

Mỗi số phức z có thể biểu diễn dưới dạng lượng giác:

z=r(cos⁡φ+isin⁡φ)z = r(\cos \varphi + i \sin \varphi)

trong đó:

  • r là mô-đun của z, r=∣z∣=a2+b2r = |z| = \sqrt{a^2 + b^2}
  • φ\varphi là argument của z, φ=arg⁡(z)\varphi = \arg(z)

2. Công thức De Moivre:

Cho số phức z=r(cos⁡φ+isin⁡φ)z = r(\cos \varphi + i \sin \varphi) và số nguyên n, ta có:

zn=rn(cos⁡(nφ)+isin⁡(nφ))z^n = r^n (\cos(n\varphi) + i \sin(n\varphi))

Trường hợp đặc biệt khi r = 1:

(cos⁡φ+isin⁡φ)n=cos⁡(nφ)+isin⁡(nφ)(\cos \varphi + i \sin \varphi)^n = \cos(n\varphi) + i \sin(n\varphi)

Công thức này là công cụ mạnh mẽ để biến đổi và giải các bài toán lượng giác.

3. Khai triển nhị thức Newton:

(a+b)n=∑k=0nCnkan−kbk(a+b)^n = \sum_{k=0}^n C_n^k a^{n-k} b^k

trong đó Cnk=n!k!(n−k)!C_n^k = \frac{n!}{k!(n-k)!} là tổ hợp chập k của n.

II. ỨNG DỤNG CÔNG THỨC DE MOIVRE TRONG LƯỢNG GIÁC

1. Biểu diễn cos⁡(nφ)\cos(n\varphi) và sin⁡(nφ)\sin(n\varphi) theo cos⁡φ\cos\varphi và sin⁡φ\sin\varphi:

Sử dụng công thức De Moivre:

(cos⁡φ+isin⁡φ)n=cos⁡(nφ)+isin⁡(nφ)(\cos \varphi + i \sin \varphi)^n = \cos(n\varphi) + i \sin(n\varphi)

Khai triển vế trái bằng nhị thức Newton, sau đó đồng nhất phần thực và phần ảo, ta sẽ thu được biểu thức của cos⁡(nφ)\cos(n\varphi) và sin⁡(nφ)\sin(n\varphi).

Ví dụ 1: Biểu diễn cos⁡(3φ)\cos(3\varphi) và sin⁡(3φ)\sin(3\varphi) theo cos⁡φ\cos \varphi và sin⁡φ\sin \varphi.

Ta có: (cos⁡φ+isin⁡φ)3=cos⁡(3φ)+isin⁡(3φ)(\cos \varphi + i \sin \varphi)^3 = \cos(3\varphi) + i \sin(3\varphi)

Khai triển vế trái: (cos⁡φ+isin⁡φ)3=cos⁡3φ+3icos⁡2φsin⁡φ−3cos⁡φsin⁡2φ−isin⁡3φ(\cos \varphi + i \sin \varphi)^3 = \cos^3 \varphi + 3i \cos^2 \varphi \sin \varphi - 3 \cos \varphi \sin^2 \varphi - i \sin^3 \varphi

=(cos⁡3φ−3cos⁡φsin⁡2φ)+i(3cos⁡2φsin⁡φ−sin⁡3φ)\qquad\qquad\qquad\quad = (\cos^3 \varphi - 3 \cos \varphi \sin^2 \varphi) + i(3 \cos^2 \varphi \sin \varphi - \sin^3 \varphi)

Đồng nhất phần thực và phần ảo:

  • cos⁡(3φ)=cos⁡3φ−3cos⁡φsin⁡2φ\cos(3\varphi) = \cos^3 \varphi - 3 \cos \varphi \sin^2 \varphi
  • sin⁡(3φ)=3cos⁡2φsin⁡φ−sin⁡3φ\sin(3\varphi) = 3 \cos^2 \varphi \sin \varphi - \sin^3 \varphi

Sử dụng sin⁡2φ=1−cos⁡2φ\sin^2 \varphi = 1 - \cos^2 \varphi và cos⁡2φ=1−sin⁡2φ\cos^2 \varphi = 1 - \sin^2 \varphi, ta có thể biểu diễn:

  • cos⁡(3φ)=4cos⁡3φ−3cos⁡φ\cos(3\varphi) = 4 \cos^3 \varphi - 3 \cos \varphi
  • sin⁡(3φ)=3sin⁡φ−4sin⁡3φ\sin(3\varphi) = 3 \sin \varphi - 4 \sin^3 \varphi

2. Biểu diễn cos⁡nφ\cos^n \varphi và sin⁡nφ\sin^n \varphi theo các hàm lượng giác bội:

Sử dụng công thức Euler:

  • cos⁡φ=eiφ+e−iφ2\cos \varphi = \frac{e^{i\varphi} + e^{-i\varphi}}{2}
  • sin⁡φ=eiφ−e−iφ2i\sin \varphi = \frac{e^{i\varphi} - e^{-i\varphi}}{2i}

Thay vào biểu thức cos⁡nφ\cos^n \varphi hoặc sin⁡nφ\sin^n \varphi và khai triển bằng nhị thức Newton, sau đó sử dụng lại công thức Euler để đưa về các hàm lượng giác bội.

Ví dụ 2: Biểu diễn cos⁡3φ\cos^3 \varphi theo các hàm lượng giác bội.

Ta có:

cos⁡3φ=(eiφ+e−iφ2)3=18(e3iφ+3e2iφe−iφ+3eiφe−2iφ+e−3iφ)\cos^3 \varphi = \left( \frac{e^{i\varphi} + e^{-i\varphi}}{2} \right)^3 = \frac{1}{8} (e^{3i\varphi} + 3e^{2i\varphi} e^{-i\varphi} + 3e^{i\varphi} e^{-2i\varphi} + e^{-3i\varphi})

=18(e3iφ+e−3iφ+3(eiφ+e−iφ))\qquad\qquad= \frac{1}{8} (e^{3i\varphi} + e^{-3i\varphi} + 3(e^{i\varphi} + e^{-i\varphi}))

=18(2cos⁡(3φ)+6cos⁡φ)=14cos⁡(3φ)+34cos⁡φ\qquad\qquad= \frac{1}{8} (2\cos(3\varphi) + 6\cos \varphi) = \frac{1}{4}\cos(3\varphi) + \frac{3}{4}\cos \varphi

Vậy, cos⁡3φ=14cos⁡(3φ)+34cos⁡φ\cos^3 \varphi = \frac{1}{4}\cos(3\varphi) + \frac{3}{4}\cos \varphi.

Ví dụ 3: Biểu diễn sin⁡3φ\sin^3 \varphi theo các hàm lượng giác bội.

Ta có: sin⁡3φ=(eiφ−e−iφ2i)3=1(2i)3(eiφ−e−iφ)3=1−8i(e3iφ−3eiφ+3e−iφ−e−3iφ)\sin^3 \varphi = \left( \frac{e^{i\varphi} - e^{-i\varphi}}{2i} \right)^3 = \frac{1}{(2i)^3} (e^{i\varphi} - e^{-i\varphi})^3 = \frac{1}{-8i} (e^{3i\varphi} - 3 e^{i\varphi} + 3 e^{-i\varphi} - e^{-3i\varphi})

=1−8i[(e3iφ−e−3iφ)−3(eiφ−e−iφ)]\qquad\qquad= \frac{1}{-8i} [(e^{3i\varphi} - e^{-3i\varphi}) - 3(e^{i\varphi} - e^{-i\varphi})]

=1−8i(2isin⁡(3φ)−6isin⁡φ)=−14sin⁡(3φ)+34sin⁡φ\qquad\qquad= \frac{1}{-8i} (2i \sin(3\varphi) - 6i \sin \varphi) = -\frac{1}{4} \sin(3\varphi) + \frac{3}{4} \sin \varphi

Vậy, sin⁡3φ=−14sin⁡(3φ)+34sin⁡φ\sin^3 \varphi = -\frac{1}{4} \sin(3\varphi) + \frac{3}{4} \sin \varphi.

3. Tính tổng lượng giác:

Công thức De Moivre có thể được sử dụng để tính các tổng lượng giác phức tạp bằng cách chuyển chúng về tổng hình học của số phức.

Ví dụ 4: Tính tổng Sn=cos⁡φ+cos⁡2φ+⋯+cos⁡nφS_n = \cos \varphi + \cos 2\varphi + \dots + \cos n\varphi.

Xét tổng phức: Zn=(cos⁡φ+isin⁡φ)+(cos⁡2φ+isin⁡2φ)+⋯+(cos⁡nφ+isin⁡nφ)Z_n = (\cos \varphi + i \sin \varphi) + (\cos 2\varphi + i \sin 2\varphi) + \dots + (\cos n\varphi + i \sin n\varphi)

Zn=(cos⁡φ+cos⁡2φ+⋯+cos⁡nφ)+i(sin⁡φ+sin⁡2φ+⋯+sin⁡nφ)Z_n = (\cos \varphi + \cos 2\varphi + \dots + \cos n\varphi) + i(\sin \varphi + \sin 2\varphi + \dots + \sin n\varphi)

Zn=Sn+iTnZ_n = S_n + i T_n, trong đó Tn=sin⁡φ+sin⁡2φ+⋯+sin⁡nφT_n = \sin \varphi + \sin 2\varphi + \dots + \sin n\varphi

Đặt z=cos⁡φ+isin⁡φz = \cos \varphi + i \sin \varphi, ta có:

Zn=z+z2+⋯+zn=z1−zn1−zZ_n = z + z^2 + \dots + z^n = z \frac{1-z^n}{1-z} (tổng cấp số nhân)

Zn=(cos⁡φ+isin⁡φ)(1−cos⁡nφ−isin⁡nφ)1−cos⁡φ−isin⁡φZ_n = \frac{(\cos \varphi + i \sin \varphi)(1-\cos n\varphi - i \sin n\varphi)}{1-\cos \varphi - i \sin \varphi}

Nhân cả tử và mẫu cho số phức liên hợp của mẫu:

Zn=(cos⁡φ+isin⁡φ)(1−cos⁡nφ−isin⁡nφ)(1−cos⁡φ+isin⁡φ)(1−cos⁡φ)2+sin⁡2φZ_n = \frac{(\cos \varphi + i \sin \varphi)(1-\cos n\varphi - i \sin n\varphi)(1-\cos \varphi + i \sin \varphi)}{(1-\cos \varphi)^2 + \sin^2 \varphi}

Sau khi rút gọn và lấy phần thực của ZnZ_n, ta sẽ được công thức tính SnS_n.

4. Chứng minh đẳng thức lượng giác:

Bằng cách sử dụng công thức De Moivre, ta có thể chứng minh các đẳng thức lượng giác phức tạp một cách dễ dàng.

Ví dụ 5: Chứng minh đẳng thức: sin⁡(a+b)=sin⁡acos⁡b+cos⁡asin⁡b\sin(a+b) = \sin a \cos b + \cos a \sin b.

Xét:

ei(a+b)=cos⁡(a+b)+isin⁡(a+b)e^{i(a+b)} = \cos(a+b) + i \sin(a+b)

Mặt khác:

ei(a+b)=eiaeib=(cos⁡a+isin⁡a)(cos⁡b+isin⁡b)e^{i(a+b)} = e^{ia} e^{ib} = (\cos a + i \sin a)(\cos b + i \sin b)

=(cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡b)+i(sin⁡acos⁡b+cos⁡asin⁡b)\qquad\qquad= (\cos a \cos b - \sin a \sin b) + i(\sin a \cos b + \cos a \sin b)

Đồng nhất phần ảo:

sin⁡(a+b)=sin⁡acos⁡b+cos⁡asin⁡b\sin(a+b) = \sin a \cos b + \cos a \sin b

III. BÀI TẬP VẬN DỤNG

Bài 1: Biểu diễn cos⁡(5φ)\cos(5\varphi) và sin⁡(5φ)\sin(5\varphi) theo cos⁡φ\cos \varphi và sin⁡φ\sin \varphi.

Bài 2: Biểu diễn cos⁡5φ\cos^5 \varphi và sin⁡5φ\sin^5 \varphi theo các hàm lượng giác bội.

Bài 3: Tính tổng Sn=sin⁡φ+sin⁡3φ+sin⁡5φ+⋯+sin⁡(2n−1)φS_n = \sin \varphi + \sin 3\varphi + \sin 5\varphi + \dots + \sin (2n-1)\varphi.

Bài 4: Chứng minh đẳng thức: cos⁡(2x)=cos⁡2x−sin⁡2x\cos(2x) = \cos^2 x - \sin^2 x.

Bài 5: Chứng minh rằng nếu sin⁡(nx)=0\sin(nx) = 0 thì x=kπnx = \frac{k\pi}{n}, với k là số nguyên.

IV. KẾT LUẬN

Việc ứng dụng số phức vào giải bài toán lượng giác, đặc biệt là thông qua công thức De Moivre, là một kỹ thuật hiệu quả và mạnh mẽ. Nó cho phép giải quyết nhiều bài toán phức tạp một cách đơn giản và trực quan hơn. Việc nắm vững lý thuyết và thực hành các ví dụ sẽ giúp học sinh làm chủ phương pháp này và ứng dụng nó vào giải các bài toán lượng giác khác nhau.

Cần thêm bí kíp?

Khám phá hàng trăm thủ thuật học tập hiệu quả khác.

Xem tất cả thủ thuật