2020年12月16日 星期三

印度理工學院聯合入學考試(IIT JEE),2018,Advanced,Paper 1,三角函數疊合

Question 13 

(原文)

Let $a, b, c$ be three non-zero real numbers such that the equation
$$\sqrt{3} a \cos x + 2b \sin x = c, x \in \left[ -\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right],$$
has two distinct real roots $\alpha$ and $\beta$ with $\alpha + \beta = \frac{\pi}{3}$. Then the value of $\frac{b}{a}$ is ?

(中譯)

a, b, c皆為非零實數,已知x的方程式
$$\sqrt{3} a \cos x + 2b \sin x = c,$$
在$\left[ -\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right]$的範圍中有相異兩解$\alpha, \beta$,且$\alpha + \beta = \frac{\pi}{3}$,求$\frac{b}{a}$之值。

Solution

因為$\alpha, \beta$相異,所以可以假設$\alpha < \beta$,於是$-\frac{\pi}{2} \le \alpha < \beta \le \frac{\pi}{2}$,故$\alpha$與$\beta$不可能是同界角。

利用三角函數疊合公式,我們可將題目的方程式化為
$$\sqrt{\left( \sqrt{3}a \right)^2 + \left( 2b \right)^2} \left( \sin x \frac{2b}{\sqrt{\left( \sqrt{3}a \right)^2 + \left( 2b \right)^2}} + \cos x \frac{\sqrt{3} a}{\sqrt{\left( \sqrt{3}a \right)^2 + \left( 2b \right)^2}} \right) = c,$$
$$\sin \left( x + \theta \right) = \frac{c}{\sqrt{3a^2 + 4b^2}},$$
其中$\theta$滿足$\cos \theta = \frac{2b}{\sqrt{3a^2 + 4b^2}}, \sin \theta = \frac{\sqrt{3} a}{\sqrt{3a^2 + 4b^2}}$。將$\alpha, \beta$代回,於是有
$$\sin \left( \alpha + \theta \right) = \sin \left( \beta + \theta \right).$$
因為$\alpha, \beta$不為同位角,所以
$$\alpha + \theta = \pi - (\beta + \theta) + n \cdot 2\pi, n \in \mathbb{Z}.$$
化簡得
$$2 \theta = \frac{2\pi}{3} + n \cdot 2\pi.$$
於是
$$\cos 2\theta = \cos \frac{2\pi}{3} = \frac{-1}{2}, \sin 2\theta = \sin \frac{2\pi}{3} = \frac{\sqrt{3}}{2}.$$
利用二倍角公式,得到
$$\left( \frac{2b}{\sqrt{3a^2 + 4b^2}} \right)^2 - \left( \frac{\sqrt{3} a}{\sqrt{3a^2 + 4b^2}} \right)^2 = \frac{-1}{2}$$
$$2 \cdot \frac{\sqrt{3} a}{\sqrt{3a^2 + 4b^2}} \cdot \frac{2b}{\sqrt{3a^2 + 4b^2}} = \frac{\sqrt{3}}{2}.$$

我們可得$a, b$同號,且

$$2\left( 4b^2 - 3a^2 \right) = -\left( 3a^2 + 4b^2 \right)$$
$$8ab = 3 \left( 3a^2 + 4b^2 \right),$$
得到
$$8ab = 6a^2 - 8b^2.$$
於是
$$(3a + 2b)(a - 2b) = 0.$$
由$a, b$同號得$a = 2b$,於是
$$\frac{b}{a} = \frac{b}{2b} = \frac{1}{2}.$$
(解答終了)

附記:

本文承連威翔先生指正部分打字錯誤,特此感謝。

2020年10月27日 星期二

披著對數律運算的一道因倍數問題

        朋友Dora Wang傳來一道題目: 

若$12\log_{n} 144$為正整數,則符合條件的正整數n的個數有幾個?

抱怨她學校老師的解法根本不是人想得到的,很機掰。

        下面我嘗試給出一個比較「正常人可以想到」、「不機掰」的做法。

        首先,根據題目條件,我們可以假定$12\log_{n} 144 =$正整數m。然後根據換底公式有
$$12 \cdot \frac{\log 144}{\log n} = m.$$
接著得到
$$12 \cdot \log 144 = m \cdot \log n$$
然後由對數律中的「次方律」,得
$$\log 144^{12} = \log n^m,$$
比較真數(左右消去log)可得
$$144^{12} = n^m.$$
將144進行質因數分解,上式可改為
\begin{eqnarray*} n^m &=& \left( 2^4 \times 3^2 \right)^{12} \\ &=& 2^{48} \times 3^{24}. \end{eqnarray*}
接著我們就是要想辦法將$2^{48} \times 3^{24}$改寫成$n^m$的形式。所以
\begin{eqnarray*}2^{48} \times 3^{24} &=& \left( 2^{48} \times 3^{24} \right)^1 \\ &=& \left( 2^{24} \times 3^{12} \right)^2 \\ &=& \left( 2^{16} \times 3^{8} \right)^3 \\ &=& \cdots \\ &=& \left( 2^{2} \times 3^{1} \right)^{24}. \end{eqnarray*}
於是我們可以發現:m必為48與24的公因數,而m有多少個,n就跟著有多少個。因為48與24的最大公因數為24,而$24 = 2^3 \times 3$,所以24一共有$(3 + 1) \times (1 + 1) = 8$個因數,所以m有8個,n也就有8個

附:學校老師給的解法

紅筆部分第二行、第二個等號的分母,想法確實有點跳。我很不欣賞!就是這樣的老師與解法,才讓學生們感到「數學很困難」、「數學不是人想的」。

2020年9月28日 星期一

Shankar,基礎物理,PHYS 200,Problem Set I, #4

題目原文 

[Difficult] Ball A is dropped from rest from a building of height H exactly when ball B is thrown up vertically. When they collide A has double the speed of B. If the collision occurs at height h what is h/H

Hint: Write equations for heights $y_A, y_B$ and velocities $v_A$ and $v_B$. What can you say about these at the time of the collision?

題目翻譯

[難題] 球A從高度為H的建築物自由落下之際,地面上的球B正好同時垂直上拋。 兩球在高度h的位置相撞,撞擊時A的速率是B的兩倍,則h/H是多少?

提示:分別對高度$y_A, y_B$以及速度$v_A$和$v_B$寫出方程式。在發生碰撞時,你有什麼結論?

我的解答

首先寫出$y_A$與$y_B$:
$$y_A(t) = H + 0t - \frac{1}{2}gt^2,$$
$$y_B(t) = 0 + v_B(0)t - \frac{1}{2}gt^2.$$
假定在時刻$t^*$時發生碰撞,利用A球的位置函數,得
$$h = H - \frac{1}{2}g{t^*}^2.$$
解出$t^* = \sqrt{\frac{2(H - h)}{g}}$。代入B球的位置函數,可以解出B球上拋的初始速度:
$$h = v_B(0) \cdot \sqrt{\frac{2(H - h)}{g}} - \frac{1}{2}g\cdot \left( \sqrt{\frac{2(H - h)}{g}} \right)^2,$$
$$v_B(0) = \sqrt{\frac{g}{2(H - h)}}H.$$
到目前為止都還沒用到題目的另個條件「撞擊時A的速率是B的兩倍」,現在來使用它。寫出$v_A$與$v_B$:
$$v_A(t) = 0 - gt,$$
$$v_B(t) = \sqrt{\frac{g}{2(H - h)}}H - gt.$$
代入撞擊時刻$t^* = \sqrt{\frac{2(H - h)}{g}}$,得
$$\left| 0 - g \cdot \sqrt{\frac{2(H - h)}{g}} \right| = 2 \times \left| \sqrt{\frac{g}{2(H - h)}}H - g \cdot \sqrt{\frac{2(H - h)}{g}} \right|.$$
(注意左式絕對值內的式子必為負,右式絕對值內的式子必為正)化簡可得
$$\frac{h}{H} = \frac{2}{3}.$$

Shankar的解答

2020年9月11日 星期五

11. n次單位根的本原根(Primitive n-th Roots of Unity)

重點提要

定義:若某個n次單位根所有正整數乘冪中,可化為1的最小次數為n,則稱該單位根為本原單位根(primitive)。

規約:$R = \cos \frac{2\pi}{n} + i \sin \frac{2\pi}{n}$。(式(7),第10節)

事實:1的所有n次單位根有:$R, R^2, \cdots, R^n$。(第10節)

定理1的n次單位根$R, R^2, \cdots, R^n$中,$R^k$為本原單位根若且唯若指數kn互質

習題4

1. Show that the primitive cube roots of unity are $\omega$ and $\omega^2$.

2. For $R$ given by (7), prove that the primitive nth roots of unity are

    (i) for $n = 6$, $R, R^5$;
    (ii) for $n = 8$, $R, R^3, R^5, R^7$;
    (iii) for $n = 12$, $R, R^5, R^7, R^{11}$.

3. When n is a prime, prove that any nth root of unity, other than 1, is primitive.

4. Let $R$ be a primitive nth root (7) of unity, where n is a product of two different primes p and q. Show that $R, \cdots, R^n$ are primitive with the exception of $R^p, R^{2p}, \cdots, R^{qp}$, whose qth power are unity, and $R^q, R^{2q}, \cdots, R^{pq}$, whose pth power are unity. These two sets of exceptions have only $R^{qp}$ in common. Hence there are exactly $pq - p - q + 1$ primitive nth roots of unity.

5. Find the number of primitive nth roots of unity if n is a square of a prime p.

6. Extend Ex. 4 to the case in which n is a product of three distinct primes.

7. If $R$ is a primitive 15th root (7) of unity, verify that $R^3, R^5, R^9, R^{12}$ are the primitive fifth roots of unity, and $R^5$ and $R^{10}$ are the primitive cube roots of unity. Show that their eight products by pairs give all the primitive 15th roots of unity.

8. If $\rho$ is any primitive nth root of unity, prove that $\rho, \rho^2, \cdots, \rho^n$ are distinct and give all the nth roots of unity. Of these show that $\rho^k$ is a primitive nth root of unity if and only if k is relatively prime to n.

9. Show that the six primitive 18th roots of unity are the negative of the primitive ninth roots of unity.

習題解答

1. $n = 3, R = \cos \frac{2\pi}{3} + i \sin \frac{2\pi}{3}, \omega = R = \cos \frac{2\pi}{3} + i \sin \frac{2\pi}{3}, \omega = R$。由定理可知,本原單位根有$R^1, R^2$,亦即$\omega, \omega^2$。

2. (i) 不小於6而與6互質的數有1, 5。
    (ii) 不小於8而與8互質的數有1, 3, 5, 7。
    (iii) 不小於12而與12互質的數有1, 5, 7, 11。

3. 不小於質數p而與質數p互質的數有$p - 1$個。

4. #(1的$n = pq$次本原單位根) 
= #(不小於pq且與pq互質的數) 
= n $-$ #(不小於pq且與pq不互質的數) 
= n $-$ #(不小於pqp的倍數或q的倍數) 
= n $- \left( \lfloor {\frac{pq}{p}} \rfloor + \lfloor {\frac{pq}{q}} \rfloor - 1 \right)$ 
= $n - (q + p - 1)$ 
= $pq - p - q + 1$ 
= $(p - 1)(q - 1)$ 。

5. #(1的$n = p^2$次本原單位根)
= #(不小於$p^2$且與$p^2$互質的數)
= $p^2 -$ #(不小於$p^2$且與$p^2$不互質的數)
= $p^2 - $ #(不小於$p^2$,p的倍數或$p^2$的倍數)
= $p^2 - \left( \lfloor \frac{p^2}{p} \rfloor + \lfloor \frac{p^2}{p^2} \rfloor - 1 \right)$
= $p^2 - p - 1 + 1$
= $p(p - 1)$

6. 命$n = pqr$。
#(1的$n = pqr$次本原單位根) 
= #(不小於pqr且與pqr互質的數) 
pqr $-$ #(不小於pqr且與pqr不互質的數) 
pqr $-$ #(不小於pqp的倍數或q的倍數或r的倍數) 
pqr $- \left( \lfloor {\frac{pqr}{p}} \rfloor + \lfloor {\frac{pqr}{q}} \rfloor  + \lfloor {\frac{pqr}{r}} \rfloor - \lfloor {\frac{pqr}{pq}} \rfloor - \lfloor {\frac{pqr}{pr}} \rfloor - \lfloor {\frac{pqr}{qr}} \rfloor +  \lfloor {\frac{pqr}{pqr}} \rfloor \right)$ 
= $pqr - (qr + pr + pq - r - q - p + 1)$ 
= $(p - 1)(q - 1)(r - 1)$ 。

7. $R = \cos \frac{2\pi}{15} + i \sin \frac{2\pi}{15}$。
$R^3 = \cos \frac{2\pi}{5} + i \sin \frac{2\pi}{5} = \left( \cos \frac{2\pi}{5} + i \sin \frac{2\pi}{5} \right)^1$,
$R^6 = \cos \frac{4\pi}{5} + i \sin \frac{4\pi}{5} = \left( \cos \frac{2\pi}{5} + i \sin \frac{2\pi}{5} \right)^2$,
$R^9 = \cos \frac{6\pi}{5} + i \sin \frac{6\pi}{5} = \left( \cos \frac{2\pi}{5} + i \sin \frac{2\pi}{5} \right)^3$,
$R^{12} = \cos \frac{8\pi}{5} + i \sin \frac{8\pi}{5} = \left( \cos \frac{2\pi}{5} + i \sin \frac{2\pi}{5} \right)^4$.
與5互質的數:1, 2, 3 ,4。

$R^5 = \cos \frac{2\pi}{3} + i \sin \frac{2\pi}{3} = \left( \cos \frac{2\pi}{3} + i \sin \frac{2\pi}{3} \right)^1$,
$R^{10} = \cos \frac{4\pi}{3} + i \sin \frac{4\pi}{3} = \left( \cos \frac{2\pi}{3} + i \sin \frac{2\pi}{3} \right)^2$.
與3互質的數:1, 2。

$R^3 \times R^5 = R^8$,
$R^3 \times R^{10} = R^{13}$,
$R^6 \times R^5 = R^{11}$,
$R^6 \times R^{10} = R^{16} = R^1$,
$R^9 \times R^5 = R^{14}$,
$R^9 \times R^{10} = R^{19} = R^4$,
$R^{12} \times R^5 = R^{17} = R^2$,
$R^{12} \times R^{10} = R^{22} = R^7$,
與15互質的數:1, 2, 4, 7, 8, 11, 13, 14。

8. 因為$\rho$是本原單位根,所以存在正整數a滿足$1 \le a \le n$且$\gcd (a, n) = 1$使得$\rho = R^a$,其中$R = \cos \frac{2\pi}{n} + i \sin \frac{2\pi}{n}$。

於是$\{ \rho, \rho^2, \cdots, \rho^n \} = \{ R^a, R^{2a}, \cdots, R^{na} \}$。任取兩相異正整數$k, j$滿足$1 \le k < j \le n$。若$\rho^j = \rho^k$,即$R^{ja} = R^{ka}$,則有$\cos \frac{2ja\pi}{n} + i \sin \frac{2ja\pi}{n} = \cos \frac{2ka\pi}{n} + i \sin \frac{2ka\pi}{n}$。因此$\frac{2ja\pi}{n}$與$\frac{2ka\pi}{n}$為同界角,得$j - k$為n的倍數。然而$1 \le j-k \le n$,所以$j - k$不可能是n的倍數。這意味著$R^a, R^{2a}, \cdots, R^{na}$完全相異。

因$\left( \rho^k \right)^n = \left( \rho^n \right)^k = 1^k = 1$,所以$\{ \rho, \rho^2, \cdots, \rho^n \}$是1的n次單位根。

假定$\rho^k$是本原根,由前文$\rho$與$R$的關係,得$R^{ak}$是本原根。再由定理可知$\gcd (ak, n) = 1$。因為$\gcd (a, n) = 1$,所以$\gcd (k, n) = 1$。

假定kn互質,則$\gcd (ak, n) = 1$,故$R^{ak}$是本原根,即$\rho^k$是本原根。

9. $n = 18$,與18互質的數有1, 5, 7, 11, 13, 17。取$R_{18} = \cos \frac{2\pi}{18} + i \sin \frac{2\pi}{18}$。

$R_{18}^1 = \cos \frac{2\pi}{18} + i \sin \frac{2\pi}{18} = \cos \frac{\pi}{9} + i \sin \frac{\pi}{9}$,
$R_{18}^5 = \cos \frac{5\pi}{9} + i \sin \frac{5\pi}{9}$,
$R_{18}^7 = \cos \frac{7\pi}{9} + i \sin \frac{7\pi}{9}$,
$R_{18}^{11} = \cos \frac{11\pi}{9} + i \sin \frac{11\pi}{9}$,
$R_{18}^{13} = \cos \frac{13\pi}{9} + i \sin \frac{13\pi}{9}$,
$R_{18}^{17} = \cos \frac{17\pi}{9} + i \sin \frac{17\pi}{9}$.

$n = 9$,與9互質的數有1, 2, 4, 5, 7, 8。取$R_{9} = \cos \frac{2\pi}{9} + i \sin \frac{2\pi}{9}$。

$R_{9}^1 = \cos \frac{2\pi}{9} + i \sin \frac{2\pi}{9}$,
$R_{9}^2 = \cos \frac{4\pi}{9} + i \sin \frac{4\pi}{9}$,
$R_{9}^4 = \cos \frac{8\pi}{9} + i \sin \frac{8\pi}{9}$,
$R_{9}^5 = \cos \frac{10\pi}{9} + i \sin \frac{10\pi}{9}$,
$R_{9}^7 = \cos \frac{14\pi}{9} + i \sin \frac{14\pi}{9}$,
$R_{9}^8 = \cos \frac{16\pi}{9} + i \sin \frac{16pi}{9}$.

觀察幅角,有

$\frac{10\pi}{9} - \frac{\pi}{9} = \pi$,
$\frac{14\pi}{9} - \frac{5\pi}{9} = \pi$,
$\frac{16\pi}{9} - \frac{7\pi}{9} = \pi$,
$\frac{11\pi}{9} - \frac{2\pi}{9} = \pi$,
$\frac{13\pi}{9} - \frac{4\pi}{9} = \pi$,
$\frac{17\pi}{9} - \frac{8\pi}{9} = \pi$.

所以互為相反數。

2020年7月24日 星期五

一道關於整數部分、小數部分的題目

==問題==

已知n為正整數,$\sqrt{n}$為無理數,設$\sqrt{n}$的整數部分為a、小數部分為b,若a, b滿足$a^3 - 9ab + b^3 = 0$,試求出n值。

==解答==

    首先,因為b是小數部分,所以必有
$$0 \le b < 1.$$
於是$0 \le b^3 < 1$。代入題目條件的方程式$a^3 - 9ab + b^3 = 0$得到
$$a^3 - 9ab + b^3 \le b^3.$$
化簡得
\begin{eqnarray*}  a^3 - 9ab &\le& 0, \\ a(a^2 - 9b) &\le& 0.  \end{eqnarray*}
由於a是$\sqrt{n}$的整數部分,從而$a \ge 0$,故$a^2  - 9b \le 0$。那麼就有
$$a^2 \le 9b.$$
因為b是小數部分,必然小於1,所以
$$0 \le a^2 < 9.$$
同時開方可得
$$0 \le a < 3.$$
這意味著a的可能值為:0, 1, 2。

    接著,分別對a的可能值進行討論。

    若$a = 0$,代回題目條件的方程式,得
$$0^3 - 9 \cdot 0 \cdot b + b^3 = 0.$$
解出$b = 0$。於是$\sqrt{n} = a + b = 0 + 0 = 0$,即$n = 0$,不是正整數,不合。

    若$a = 1$,一樣代回題目條件的方程式,得
$$1^3 - 9 \cdot 1 \cdot b + b^3 = 0.$$
這是一個三次方程式,不容易解開,所以我們必須另闢蹊徑,採用估計法!改寫方程式可得
$$b^3 + 1 = 9b.$$
然後再次從$0 \le b < 1$出發,得$1 \le b^3 + 1 < 2$,再進行替換,得
\begin{eqnarray*}1 \le 9b < 2, \\ \frac{1}{9} \le b < \frac{2}{9}. \end{eqnarray*}
b用$\sqrt{n} - 1$替換掉,得
$$\frac{1}{9} \le \sqrt{n} - 1 < \frac{2}{9}.$$
解得
$$1 \frac{19}{81} \le n < 1 \frac{41}{81}.$$
然而不存在任何一個正整數n滿足此不等式,所以$a \ne 1$。

    若$a = 2$,仿照上面關於$a = 1$的計算,依序有
\begin{eqnarray*}  &2^3 - 9 \cdot 2 \cdot b + b^3 = 0,  \\  &b^3 + 8 = 18b, \\ &8 \le b^3 + 8 < 9,  \\  &8 \le 18b < 9,  \\  &\frac{8}{18} \le b < \frac{9}{18},  \\  &\frac{8}{18} \le \sqrt{n} - 2 < \frac{9}{18}, \\  &\frac{1936}{324} \le n < \frac{2025}{324}.  \end{eqnarray*}
其中$\frac{1936}{324} = 5.9\cdots, \frac{2025}{324} = 6.25$,從而解得$n = 6$
(解答結束)

==另解==

同事吳尚霖先生提供了另外一個比較簡潔的解法,簡要附註如下。

$$\sqrt{n} = a + b \Rightarrow b = \sqrt{n} - a.$$
代入題目條件之方程式,得
$$a^3 - 9 \cdot a \cdot (\sqrt{n} - a) + (\sqrt{n} - a)^3 = 0.$$
展開整理後,可得
$$F(a) + G(a) \cdot \sqrt{n} = 0$$
這樣形式的式子。由於a是整數,且$\sqrt{n}$為無理數,所以$F(a) = 0$且$G(a) = 0$,解之即得$n = 6$。
(解答結束)

註記:跟同事交流完彼此的解法之後,同事對我採用估計的手法來做感到不可思議...(他本來也有考慮用估計,但覺得不好做就沒做下去)這樣的差異多少反映出我做數學的風格與偏好...

2020年6月25日 星期四

數數(Counting)教學的四個方法

問題:從61數到87,共有幾個數?


方法

方法1:實際掰手指

方法2:直接相減,然後用比較小的數去判斷要加一還是減一。

方法3:引用高大上的排容原理,從61數到87,相當於從1數到87,然後再扣除1到60,所以是87個減掉60個。

方法4:(我最喜歡的方法) 平移 + 一一對應原理。眾所皆知,從1數到n,就有n個數。現在從61到87,使用平移,把61變成1,所以要減60,於是87跟著減60,那麼就有61對應1、62對應2、...、87對應27,而1到27共有27個數,因此本來問題的答案就是27個。

2020年6月19日 星期五

真的不宜評量嗎?

108課綱的高中數學課程,除了在高二的部分按照文、理組分為A、B兩版外,對於整整三年的課程安排架構,也打破了過去模塊式的章節安排。在這樣的情況之下,教師在進行評量時必須重新考慮所擬的題目是否符合學生當時所具備的知識,不能直接拿過去的陳題舊卷來使用。國家教育研究院出版的《12年國教數學領域課程手冊》中,除了對每條課綱進行解說外,也列舉了在評量方面不適宜的類型。實事求是,我們應該肯定國教院的用心,近乎手把手地指導第一線教師該如何教學與評量。然而,或許是集體工作的成果,手冊中的內容偶爾會出現不連貫的現象,顯而易見的理由應該是編撰者對於整套課程的設計並未瞭解透徹,部分規範文字在在顯示出編撰者想當然爾的樣貌,欠缺了現場教學的經驗,以致於將象牙塔中的想法硬是框到教學現場去,這顯然不是件好事。

以下茲舉一例作為討論。

在11年級A的課程內容中,條目F-11A-2正餘弦的疊合中,在「評量」欄目一處寫道:
撰寫此條目的作者如果要用三角函數的疊合來處理這道「不宜」的題目,猜想其作法大概是:令$\frac{1 - 6 \sin x}{3 + \cos x} = k$,然後整理為
$$k \cos x + 6 \sin x = 1 - 3k.$$
接下來利用疊合公式,可得
$$-\sqrt{k^2 + 36} \le 1 - 3k \le \sqrt{k^2 + 36}.$$
然後就可以找出$k$的最大值與最小值。(本作法感謝金門高中許淵智老師的討論指點)

然而,這道題目其實完全可以用高一所學的知識來處理。在10年級的課程內容中,有以下條目:
        G-10-2  直線方程式:涵蓋了「點到直線距離公式」。
        G-10-3  圓方程式
        G-10-4  直線與圓:涵蓋了「圓的切線方程式」。《手冊》在「教學斟酌」的欄目中稱
        「圓的參數式,依課程安排,講解極座標概念後,在適當處融入」。
        G-10-5  廣義角和極座標
所以,我們可以處理如下:
$$f(x) = \frac{1 - 6 \sin x}{3 + \cos x} = \frac{\frac{1}{6} - \sin x}{-3 - \cos x} \cdot (-6).$$
若取單位圓上的動點$P = (\cos x, \sin x)$,再取平面坐標上固定點$Q = \left( -3, \frac{1}{6} \right)$,於是
$$f(x) =  m_{\overline{PQ}} \cdot (-6).$$



由圖可看出
$$m_2 \le m_{\overline{PQ}} \le m_1,$$
其中$m_1, m_2$為過$Q$的切線的斜率。於是,我們假設切線方程式為$L: y - \frac{1}{6} = m(x + 3)$,再利用「點到直線距離公式」計算
$$d(O, L) = 1.$$
解出$m_1 = \frac{7}{24}, m_2 = \frac{-5}{12}$,得$(-6) \cdot \frac{-5}{12} \ge \frac{1 - 6 \sin x}{3 + \cos x} \ge (-6) \cdot \frac{7}{24}$,亦即所求最大值為$\frac{5}{2}$,最小值為$\frac{-7}{4}$。

以上的作法,充分的利用高一的知識,同時也展現了數形結合的美感。

這道題目雖然用三角函數疊合公式去求解可能略顯繁複,然而課程手冊直接安上「不宜」的標籤,我想不甚妥當,應該再補充指引本題適合放置的單元才是。