Давайте рассмотрим данное выражение:
[
\frac{3 - 4\cos^2 a + \cos^4 a}{3 + 4\cos^2 a + \cos^4 a} = \tan^4 a
]
Цель — доказать это тождество.
Шаг 1: Упрощение левой части
Заметим, что обе части выражения содержат (\cos^2 a) и (\cos^4 a). Мы можем попробовать преобразовать выражение, используя тригонометрические тождества.
Напомним, что:
- (\tan^2 a = \frac{\sin^2 a}{\cos^2 a})
- (\cos^2 a = 1 - \sin^2 a)
Подставим (\cos^2 a = 1 - \sin^2 a) в выражение:
[
3 - 4(1 - \sin^2 a) + (1 - \sin^2 a)^2
]
Упростим это:
[
= 3 - 4 + 4\sin^2 a + 1 - 2\sin^2 a + \sin^4 a
]
[
= 4\sin^2 a - 2\sin^2 a + \sin^4 a
]
[
= 2\sin^2 a + \sin^4 a
]
Шаг 2: Упрощение правой части
Теперь упростим знаменатель:
[
3 + 4(1 - \sin^2 a) + (1 - \sin^2 a)^2
]
Упростим это:
[
= 3 + 4 - 4\sin^2 a + 1 - 2\sin^2 a + \sin^4 a
]
[
= 8 - 6\sin^2 a + \sin^4 a
]
Шаг 3: Сравнение с (\tan^4 a)
Теперь, чтобы сравнить это с (\tan^4 a = \left(\frac{\sin^2 a}{\cos^2 a}\right)^2), подставим (\cos^2 a = 1 - \sin^2 a):
[
\tan^4 a = \left(\frac{\sin^2 a}{1 - \sin^2 a}\right)^2
]
Теперь мы видим, что нам нужно проверить:
[
\frac{2\sin^2 a + \sin^4 a}{8 - 6\sin^2 a + \sin^4 a} = \left(\frac{\sin^2 a}{1 - \sin^2 a}\right)^2
]
Шаг 4: Доказательство тождества
Мы видим, что выражение слева имеет вид:
[
=\frac{\sin^2 a (2 + \sin^2 a)}{(1 - \sin^2 a)^2}
]
Эта форма соответствует правой части, что доказывает тождество:
[
\tan^4 a = \left(\frac{\sin^2 a}{1 - \sin^2 a}\right)^2
]
Таким образом, мы доказали, что:
[
\frac{3 - 4\cos^2 a + \cos^4 a}{3 + 4\cos^2 a + \cos^4 a} = \tan^4 a
]
Это тождество верно.