Question Number 101116 by Jamshidbek2311 last updated on 30/Jun/20
Answered by 1549442205 last updated on 07/Jul/20
$$\boldsymbol{\mathrm{We}}\:\boldsymbol{\mathrm{prove}}\:\boldsymbol{\mathrm{that}}\:\boldsymbol{\mathrm{tan}}\frac{\mathrm{3}\boldsymbol{\pi}}{\mathrm{11}}+\mathrm{4}\boldsymbol{\mathrm{sin}}\:\frac{\mathrm{2}\boldsymbol{\pi}}{\mathrm{11}}=\sqrt{\mathrm{11}} \\ $$$$\Leftrightarrow\mathrm{sin}\frac{\mathrm{3}\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{4sin}\frac{\mathrm{2}\pi}{\mathrm{11}}\mathrm{cos}\frac{\mathrm{3}\pi}{\mathrm{11}}=\sqrt{\mathrm{11}}\mathrm{cos}\frac{\mathrm{3}\pi}{\mathrm{11}} \\ $$$$\Leftrightarrow\mathrm{3sin}\frac{\pi}{\mathrm{11}}β\mathrm{4sin}^{\mathrm{3}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{4}\left(\mathrm{2sin}\frac{\pi}{\mathrm{11}}\mathrm{cos}\frac{\pi}{\mathrm{11}}β\:\sqrt{\mathrm{11}}\:\right)\left(\:\mathrm{4cos}^{\mathrm{3}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}β\mathrm{3cos}\frac{\pi}{\mathrm{11}}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\Leftrightarrow\mathrm{sin}\frac{\pi}{\mathrm{11}}\left[\mathrm{3}β\mathrm{4}\left(\mathrm{1}β\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}\right)\right]+\mathrm{4}\left(\mathrm{2sin}\frac{\pi}{\mathrm{11}}\mathrm{cos}\frac{\pi}{\mathrm{11}}β\:\sqrt{\mathrm{11}}\:\right)\left(\:\mathrm{4cos}^{\mathrm{3}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}β\mathrm{3cos}\frac{\pi}{\mathrm{11}}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\Leftrightarrow\mathrm{sin}\frac{\pi}{\mathrm{11}}\left(\mathrm{4cos}^{\mathrm{2}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}β\mathrm{1}\right)+\mathrm{4}\left(\mathrm{2sin}\frac{\pi}{\mathrm{11}}\mathrm{cos}\frac{\pi}{\mathrm{11}}β\:\sqrt{\mathrm{11}}\:\right)\left(\:\mathrm{4cos}^{\mathrm{3}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}β\mathrm{3cos}\frac{\pi}{\mathrm{11}}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{Putting}\:\:\:\mathrm{cos}\frac{\pi}{\mathrm{11}}=\mathrm{x}\:\Rightarrow\mathrm{sin}\frac{\pi}{\mathrm{11}}=\sqrt{\mathrm{1}β\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\:\mathrm{we}\:\mathrm{get} \\ $$$$\sqrt{\mathrm{1}β\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{2}} }\left(\mathrm{4}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{2}} β\mathrm{1}\right)+\mathrm{4}\left(\mathrm{2}\boldsymbol{\mathrm{x}}\sqrt{\mathrm{1}β\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{2}} }β\sqrt{\mathrm{11}}\right)\left(\mathrm{4}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{3}} β\mathrm{3}\boldsymbol{\mathrm{x}}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\Leftrightarrow\sqrt{\mathrm{1}β\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\left(\mathrm{32x}^{\mathrm{4}} β\mathrm{20x}^{\mathrm{2}} β\mathrm{1}\right)=\sqrt{\mathrm{11}}\left(\mathrm{4x}^{\mathrm{3}} β\mathrm{3x}\right) \\ $$$$\mathrm{Square}\:\mathrm{two}\:\mathrm{sides}\:\mathrm{of}\:\mathrm{above}\:\mathrm{we}\:\mathrm{get} \\ $$$$\left(\mathrm{1}β\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{1024x}^{\mathrm{8}} β\mathrm{1280x}^{\mathrm{6}} +\mathrm{336x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{40x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)=\mathrm{11}\left(\mathrm{16x}^{\mathrm{6}} β\mathrm{24x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{9x}^{\mathrm{2}} \right) \\ $$$$\Leftrightarrow\left(β\mathrm{1024x}^{\mathrm{10}} +\mathrm{2304x}^{\mathrm{8}} β\mathrm{1616x}^{\mathrm{6}} +\mathrm{296x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{39x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}=\mathrm{176x}^{\mathrm{6}} β\mathrm{264x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{99x}^{\mathrm{2}} \right. \\ $$$$\Leftrightarrow\mathrm{1024x}^{\mathrm{10}} β\mathrm{2304x}^{\mathrm{8}} +\mathrm{1792x}^{\mathrm{6}} β\mathrm{560x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{60x}^{\mathrm{2}} β\mathrm{1}=\mathrm{0} \\ $$$$=\left(\mathrm{32x}^{\mathrm{5}} β\mathrm{16x}^{\mathrm{4}} β\mathrm{32x}^{\mathrm{3}} +\mathrm{12x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{6x}β\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{32x}^{\mathrm{5}} +\mathrm{16x}^{\mathrm{4}} β\mathrm{32x}^{\mathrm{3}} β\mathrm{12x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{6x}+\mathrm{1}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\Leftrightarrow\left(\mathrm{32}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{5}} β\mathrm{16}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{4}} β\mathrm{32}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{3}} +\mathrm{12}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{2}} +\mathrm{6}\boldsymbol{\mathrm{x}}β\mathrm{1}\right)=\mathrm{0}\:\left(\ast\right) \\ $$$$\left(\mathrm{because}\:\left(\mathrm{32x}^{\mathrm{5}} +\mathrm{16x}^{\mathrm{4}} β\mathrm{32x}^{\mathrm{3}} β\mathrm{12x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{6x}+\mathrm{1}\neq\mathrm{0}\:\mathrm{for}\:\mathrm{x}=\frac{\pi}{\mathrm{11}}\right)\right. \\ $$$$\boldsymbol{\mathrm{Now}}\:\boldsymbol{\mathrm{we}}\:\boldsymbol{\mathrm{need}}\:\boldsymbol{\mathrm{prove}}\:\boldsymbol{\mathrm{the}}\:\boldsymbol{\mathrm{equality}}\:\boldsymbol{\mathrm{is}}\:\boldsymbol{\mathrm{true}}. \\ $$$$\boldsymbol{\mathrm{Indeed}}, \\ $$$$\mathrm{Applying}\:\mathrm{Mauvra}'\mathrm{s}\:\mathrm{formular}\:\mathrm{we}\:\mathrm{have} \\ $$$$\left(\mathrm{cos}\frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{isin}\frac{\pi}{\mathrm{11}}\right)^{\mathrm{5}} =\mathrm{cos}\frac{\mathrm{5}\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{isin}\frac{\mathrm{5}\pi}{\mathrm{11}} \\ $$$$\Leftrightarrow\mathrm{cos}^{\mathrm{5}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{5icos}^{\mathrm{4}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}\mathrm{sin}\frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{10i}^{\mathrm{2}} \mathrm{cos}^{\mathrm{3}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{10cos}^{\mathrm{2}} .\mathrm{i}^{\mathrm{3}} \mathrm{sin}^{\mathrm{3}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{5cos}\frac{\pi}{\mathrm{11}}.\mathrm{i}^{\mathrm{4}} \mathrm{sin}^{\mathrm{4}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{sin}^{\mathrm{5}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}=\mathrm{cos}\frac{\mathrm{5}\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{isin}\frac{\mathrm{5}\pi}{\mathrm{11}} \\ $$$$\:\Rightarrow\boldsymbol{\mathrm{cos}}\frac{\mathrm{5}\boldsymbol{\pi}}{\mathrm{11}}=\mathrm{cos}^{\mathrm{5}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}β\mathrm{10cos}^{\mathrm{3}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{5cos}\frac{\pi}{\mathrm{11}}\mathrm{sin}^{\mathrm{4}} \frac{\pi}{\mathrm{11}} \\ $$$$=\mathrm{cos}^{\mathrm{5}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}β\mathrm{10cos}^{\mathrm{3}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}\left(\mathrm{1}β\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}\right)+\mathrm{5cos}\frac{\pi}{\mathrm{11}}\left(\mathrm{1}β\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$=\mathrm{16}\boldsymbol{\mathrm{cos}}^{\mathrm{5}} \frac{\boldsymbol{\pi}}{\mathrm{11}}β\mathrm{20}\boldsymbol{\mathrm{cos}}^{\mathrm{3}} \frac{\boldsymbol{\pi}}{\mathrm{11}}+\mathrm{5}\boldsymbol{\mathrm{cos}}\frac{\boldsymbol{\pi}}{\mathrm{11}}\left(\mathrm{1}\right) \\ $$$$\left(\mathrm{cos}\frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{isin}\frac{\pi}{\mathrm{11}}\right)^{\mathrm{6}} =\mathrm{cos}\frac{\mathrm{6}\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{isin}\frac{\mathrm{6}\pi}{\mathrm{11}}=β\mathrm{cos}\frac{\mathrm{5}\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{isin}\frac{\mathrm{5}\pi}{\mathrm{11}} \\ $$$$\mathrm{cos}^{\mathrm{6}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{6cos}^{\mathrm{5}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}.\mathrm{isin}\frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{15cos}^{\mathrm{4}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}.\mathrm{i}^{\mathrm{2}} \mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{20cos}^{\mathrm{3}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}.\mathrm{i}^{\mathrm{3}} \mathrm{sin}^{\mathrm{3}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{15cos}^{\mathrm{2}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}.\mathrm{i}^{\mathrm{4}} \mathrm{sin}^{\mathrm{4}} \frac{\pi}{\mathrm{11}} \\ $$$$+\mathrm{5cos}\frac{\pi}{\mathrm{11}}.\mathrm{i}^{\mathrm{5}} \mathrm{sin}^{\mathrm{5}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{sin}^{\mathrm{6}} \frac{\pi}{\mathrm{11}}=β\mathrm{cos}\frac{\mathrm{5}\pi}{\mathrm{11}}+\mathrm{isin}\frac{\mathrm{5}\pi}{\mathrm{11}} \\ $$$$\Leftrightarrow\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{6}} β\mathrm{15}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{4}} \boldsymbol{\mathrm{y}}^{\mathrm{2}} +\mathrm{15}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{2}} \boldsymbol{\mathrm{y}}^{\mathrm{4}} +\boldsymbol{\mathrm{y}}^{\mathrm{6}} +\boldsymbol{\mathrm{i}}.\left(\mathrm{6}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{5}} \boldsymbol{\mathrm{y}}β\mathrm{15}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{4}} \boldsymbol{\mathrm{y}}^{\mathrm{2}} β\mathrm{20}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{3}} \boldsymbol{\mathrm{y}}^{\mathrm{3}} \right)=β\boldsymbol{\mathrm{cos}}\frac{\mathrm{5}\boldsymbol{\pi}}{\mathrm{11}}+\boldsymbol{\mathrm{isin}}\frac{\mathrm{5}\boldsymbol{\pi}}{\mathrm{11}}\left(\boldsymbol{\mathrm{y}}=\boldsymbol{\mathrm{sin}}\frac{\boldsymbol{\pi}}{\mathrm{11}}\right)\left(\mathrm{2}\right) \\ $$$$\mathrm{From}\:\left(\mathrm{1}\right)\:\left(\mathrm{2}\right)\:\mathrm{we}\:\mathrm{get} \\ $$$$\mathrm{x}^{\mathrm{6}} β\mathrm{15x}^{\mathrm{4}} \mathrm{y}^{\mathrm{2}} +\mathrm{15x}^{\mathrm{2}} \mathrm{y}^{\mathrm{4}} +\mathrm{y}^{\mathrm{6}} =β\mathrm{16x}^{\mathrm{5}} +\mathrm{20x}^{\mathrm{3}} β\mathrm{5x} \\ $$$$\:\Leftrightarrow\mathrm{x}^{\mathrm{6}} β\mathrm{15x}^{\mathrm{4}} \left(\mathrm{1}β\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)+\mathrm{15x}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}β\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} +\left(\mathrm{1}β\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{3}} =β\mathrm{16x}^{\mathrm{5}} +\mathrm{20x}^{\mathrm{3}} β\mathrm{5x} \\ $$$$\Leftrightarrow\mathrm{32x}^{\mathrm{6}} β\mathrm{48x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{18x}^{\mathrm{2}} β\mathrm{1}=β\mathrm{16x}^{\mathrm{5}} +\mathrm{20x}^{\mathrm{3}} β\mathrm{5x} \\ $$$$\Leftrightarrow\mathrm{32x}^{\mathrm{6}} +\mathrm{16x}^{\mathrm{6}} β\mathrm{48x}^{\mathrm{4}} β\mathrm{20x}^{\mathrm{3}} +\mathrm{18x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{5x}β\mathrm{1}=\mathrm{0} \\ $$$$\Leftrightarrow\left(\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{16x}^{\mathrm{5}} β\mathrm{16x}^{\mathrm{4}} β\mathrm{32x}^{\mathrm{3}} +\mathrm{12x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{6x}β\mathrm{1}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\Leftrightarrow\mathrm{16}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{5}} β\mathrm{16}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{4}} β\mathrm{32}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{3}} +\mathrm{12}\boldsymbol{\mathrm{x}}^{\mathrm{2}} +\mathrm{6}\boldsymbol{\mathrm{x}}β\mathrm{1}=\mathrm{0} \\ $$$$\boldsymbol{\mathrm{Thus}},\boldsymbol{\mathrm{the}}\:\boldsymbol{\mathrm{equality}}\:\left(\ast\right)\boldsymbol{\mathrm{proved}}\: \\ $$$$\boldsymbol{\mathrm{Therefore}},\boldsymbol{\mathrm{tan}}\frac{\mathrm{3}\boldsymbol{\pi}}{\mathrm{11}}+\mathrm{4}\boldsymbol{\mathrm{sin}}\frac{\mathrm{2}\boldsymbol{\pi}}{\mathrm{11}}=\sqrt{\mathrm{11}\:}\:\left(\boldsymbol{\mathrm{q}}.\boldsymbol{\mathrm{e}}.\boldsymbol{\mathrm{d}}\right) \\ $$