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Algebra · real student question

解 2πRk sin α − 2πak = mg tan α / (2π),求 k。

Question

把下式改寫成以 kk 為主體

2πRksin⁡α−2πak=mgtan⁡α2π2\pi Rk\sin\alpha-2\pi ak=\frac{mg\tan\alpha}{2\pi}

Step-by-step solution

  1. 注意到 kk 在左邊兩項裡都出現。 兩邊都不需要展開,整題就是一次因式分解。左邊兩項都含有公因式 2πk2\pi k: 2πRksin⁡α−2πak=2πk(Rsin⁡α−a).2\pi Rk\sin\alpha-2\pi ak=2\pi k\left(R\sin\alpha-a\right). 把 kk 收進單一個因式,才有辦法靠一次除法把它孤立出來。

  2. 把 kk 收攏後重寫方程式。 2πk(Rsin⁡α−a)=mgtan⁡α2π2\pi k\left(R\sin\alpha-a\right)=\frac{mg\tan\alpha}{2\pi} 現在所有乘上 kk 的東西都待在同一個括號裡,其餘全在右邊。

  3. 兩邊同除以 kk 的整個係數。 兩邊同除以 2π(Rsin⁡α−a)2\pi\left(R\sin\alpha-a\right) 得 k=mgtan⁡α2π2π(Rsin⁡α−a).k=\frac{\dfrac{mg\tan\alpha}{2\pi}}{2\pi\left(R\sin\alpha-a\right)}. 注意右邊分母裡原本就有的 2π2\pi 並不會跟新來的這個對消——再除一次 2π2\pi 是把兩個分母相乘起來。

  4. 化簡這個繁分數。 把兩個分母相乘, k=mgtan⁡α4π2(Rsin⁡α−a).k=\frac{mg\tan\alpha}{4\pi^{2}\left(R\sin\alpha-a\right)}. 這個 4π24\pi^{2} 是最多人寫錯的地方,常被誤寫成 2π2\pi 或 2π22\pi^{2}。

  5. 寫出限制條件。 這個除法只有在 Rsin⁡α−a≠0,R\sin\alpha-a\neq 0, 也就是 sin⁡α≠a/R\sin\alpha\neq a/R 時才成立。若 Rsin⁡α=aR\sin\alpha=a,左邊恆等於零,於是方程式對 kk 無解——除非 mgtan⁡αmg\tan\alpha 同時也是零,那時任何 kk 都成立。

  6. 代入數字驗算這次移項。 取 R=2R=2、a=0.5a=0.5、α=30∘\alpha=30^\circ、m=1m=1、g=9.8g=9.8。公式給出 k=9.8×0.5773502694π2(2×0.5−0.5)=0.286639282.k=\frac{9.8\times 0.577350269}{4\pi^{2}(2\times 0.5-0.5)}=0.286639282. 代回原式左邊:2π(2)(0.286639282)(0.5)−2π(0.5)(0.286639282)=0.9005038632\pi(2)(0.286639282)(0.5)-2\pi(0.5)(0.286639282)=0.900503863,而右邊是 9.8×0.5773502692π=0.900503863\dfrac{9.8\times 0.577350269}{2\pi}=0.900503863。兩者一致,代數變形無誤。

Answer

k=mgtan⁡α4π2(Rsin⁡α−a),Rsin⁡α≠ak=\frac{mg\tan\alpha}{4\pi^{2}\left(R\sin\alpha-a\right)},\qquad R\sin\alpha\neq a

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