Ii
MATU • Trigonometria
MATU_TRI_668
IIT-JEE 1984
Enunciado
El valor de
$$ \left( 1 + \cos\left( \frac{\pi}{8} \right) \right) \left( 1 + \cos\left( \frac{3\pi}{8} \right) \right) \left( 1 + \cos\left( \frac{5\pi}{8} \right) \right) \left( 1 + \cos\left( \frac{7\pi}{8} \right) \right) $$
es igual a:
(a) $1/2$ (b) $\cos \frac{\pi}{8}$ (c) $1/8$ (d) $\frac{1 + \sqrt{2}}{2\sqrt{2}}$
$$ \left( 1 + \cos\left( \frac{\pi}{8} \right) \right) \left( 1 + \cos\left( \frac{3\pi}{8} \right) \right) \left( 1 + \cos\left( \frac{5\pi}{8} \right) \right) \left( 1 + \cos\left( \frac{7\pi}{8} \right) \right) $$
es igual a:
(a) $1/2$ (b) $\cos \frac{\pi}{8}$ (c) $1/8$ (d) $\frac{1 + \sqrt{2}}{2\sqrt{2}}$
Solución Paso a Paso
1. Identificación de ángulos suplementarios:
Observamos que los ángulos en los factores extremos y medios suman $\pi$:
2. Aplicación de la propiedad de reducción al primer cuadrante:
Sabemos que $\cos(\pi - \theta) = -\cos \theta$. Por lo tanto:
3. Reemplazo en la expresión original:
Sea $E$ la expresión dada:
$$ E = \left( 1 + \cos\frac{\pi}{8} \right) \left( 1 + \cos\frac{3\pi}{8} \right) \left( 1 - \cos\frac{3\pi}{8} \right) \left( 1 - \cos\frac{\pi}{8} \right) $$
Agrupando términos como diferencias de cuadrados ($ (a+b)(a-b) = a^2 - b^2 $):
$$ E = \left( 1 - \cos^2 \frac{\pi}{8} \right) \left( 1 - \cos^2 \frac{3\pi}{8} \right) $$
Usando la identidad fundamental $\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1$:
$$ E = \sin^2 \frac{\pi}{8} \cdot \sin^2 \frac{3\pi}{8} $$
4. Uso de ángulos complementarios:
Como $\frac{\pi}{8} + \frac{3\pi}{8} = \frac{4\pi}{8} = \frac{\pi}{2}$, entonces $\sin\frac{3\pi}{8} = \cos\frac{\pi}{8}$:
$$ E = \sin^2 \frac{\pi}{8} \cos^2 \frac{\pi}{8} = \left( \sin \frac{\pi}{8} \cos \frac{\pi}{8} \right)^2 $$
5. Aplicación del seno del ángulo doble:
Sabemos que $\sin(2\theta) = 2\sin\theta\cos\theta \implies \sin\theta\cos\theta = \frac{1}{2}\sin(2\theta)$.
$$ E = \left( \frac{1}{2} \sin \left( 2 \cdot \frac{\pi}{8} \right) \right)^2 = \left( \frac{1}{2} \sin \frac{\pi}{4} \right)^2 $$
Sustituyendo $\sin\frac{\pi}{4} = \frac{1}{\sqrt{2}}$:
$$ E = \left( \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} \right)^2 = \left( \frac{1}{2\sqrt{2}} \right)^2 = \frac{1}{4 \cdot 2} = \frac{1}{8} $$
$$ \boxed{1/8} $$
La respuesta correcta es la (c).
Observamos que los ángulos en los factores extremos y medios suman $\pi$:
- $\frac{\pi}{8} + \frac{7\pi}{8} = \pi \implies \frac{7\pi}{8} = \pi - \frac{\pi}{8}$
- $\frac{3\pi}{8} + \frac{5\pi}{8} = \pi \implies \frac{5\pi}{8} = \pi - \frac{3\pi}{8}$
2. Aplicación de la propiedad de reducción al primer cuadrante:
Sabemos que $\cos(\pi - \theta) = -\cos \theta$. Por lo tanto:
- $\cos\left( \frac{7\pi}{8} \right) = \cos\left( \pi - \frac{\pi}{8} \right) = -\cos\left( \frac{\pi}{8} \right)$
- $\cos\left( \frac{5\pi}{8} \right) = \cos\left( \pi - \frac{3\pi}{8} \right) = -\cos\left( \frac{3\pi}{8} \right)$
3. Reemplazo en la expresión original:
Sea $E$ la expresión dada:
$$ E = \left( 1 + \cos\frac{\pi}{8} \right) \left( 1 + \cos\frac{3\pi}{8} \right) \left( 1 - \cos\frac{3\pi}{8} \right) \left( 1 - \cos\frac{\pi}{8} \right) $$
Agrupando términos como diferencias de cuadrados ($ (a+b)(a-b) = a^2 - b^2 $):
$$ E = \left( 1 - \cos^2 \frac{\pi}{8} \right) \left( 1 - \cos^2 \frac{3\pi}{8} \right) $$
Usando la identidad fundamental $\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1$:
$$ E = \sin^2 \frac{\pi}{8} \cdot \sin^2 \frac{3\pi}{8} $$
4. Uso de ángulos complementarios:
Como $\frac{\pi}{8} + \frac{3\pi}{8} = \frac{4\pi}{8} = \frac{\pi}{2}$, entonces $\sin\frac{3\pi}{8} = \cos\frac{\pi}{8}$:
$$ E = \sin^2 \frac{\pi}{8} \cos^2 \frac{\pi}{8} = \left( \sin \frac{\pi}{8} \cos \frac{\pi}{8} \right)^2 $$
5. Aplicación del seno del ángulo doble:
Sabemos que $\sin(2\theta) = 2\sin\theta\cos\theta \implies \sin\theta\cos\theta = \frac{1}{2}\sin(2\theta)$.
$$ E = \left( \frac{1}{2} \sin \left( 2 \cdot \frac{\pi}{8} \right) \right)^2 = \left( \frac{1}{2} \sin \frac{\pi}{4} \right)^2 $$
Sustituyendo $\sin\frac{\pi}{4} = \frac{1}{\sqrt{2}}$:
$$ E = \left( \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} \right)^2 = \left( \frac{1}{2\sqrt{2}} \right)^2 = \frac{1}{4 \cdot 2} = \frac{1}{8} $$
$$ \boxed{1/8} $$
La respuesta correcta es la (c).