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Matemática ITA 2021: Questão 9 — 2ª Fase

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ITA 2021 — 2ª Fase — Questão 9
ITA 2021 — 2ª Fase — Questão 9 — Trigonometria
Sejam \(\alpha,\beta,\gamma\in\mathbb{R}\) tais que \(\alpha+\beta+\gamma=3\pi\),
\(\sin\alpha+\sin\beta+\sin\gamma=\dfrac12\) e \(\cos\alpha+\cos\beta+\cos\gamma=-\dfrac12\).
Determine o valor de \( \cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma \).
👀 Solução passo a passo
Denote \(S_{\sin}=\sin\alpha+\sin\beta+\sin\gamma=\dfrac12\) e \(S_{\cos}=\cos\alpha+\cos\beta+\cos\gamma=-\dfrac12\). Considere a diferença dos quadrados: \[ S_{\cos}^2-S_{\sin}^2 =\big(\cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma\big) -\big(\sin^2\alpha+\sin^2\beta+\sin^2\gamma\big) +2\!\sum_{\text{cíc}}\!(\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta). \] Como \(\cos^2\theta-\sin^2\theta=\cos 2\theta\) e \(\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta=\cos(\alpha+\beta)\), obtemos \[ S_{\cos}^2-S_{\sin}^2 =\sum_{\text{cíc}}\cos 2\theta +2\!\sum_{\text{cíc}}\cos(\alpha+\beta). \] Mas \(S_{\cos}^2-S_{\sin}^2=\left(-\dfrac12\right)^2-\left(\dfrac12\right)^2=0\). E, como \(\alpha+\beta+\gamma=3\pi\), \(\cos(\alpha+\beta)=\cos(3\pi-\gamma)=-\cos\gamma\), logo \[ \sum_{\text{cíc}}\cos(\alpha+\beta)=-(\cos\alpha+\cos\beta+\cos\gamma)=-\left(-\frac12\right)=\frac12. \] Portanto \[ \sum_{\text{cíc}}\cos 2\theta + 2\cdot\frac12=0 \ \Longrightarrow\ \sum_{\text{cíc}}\cos 2\theta=-1. \] Usando \(\cos 2\theta=2\cos^2\theta-1\), \[ \sum_{\text{cíc}}(2\cos^2\theta-1)=-1 \ \Longrightarrow\ 2\!\sum_{\text{cíc}}\cos^2\theta-3=-1 \ \Longrightarrow\ \sum_{\text{cíc}}\cos^2\theta=1. \]
Resposta: \(\boxed{1}\).
🔗 Veja também a questão anterior: Matemática ITA 2021 — 2ª Fase — Questão 8
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