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Examen

A Course in Mathematical Methods for Physicists – Russell L. Herman (1st Edition, 9781466584679) – Complete Solutions Manual

Note
-
Vendu
-
Pages
444
Grade
A+
Publié le
23-07-2025
Écrit en
2024/2025

This document provides detailed, step-by-step solutions to all exercises from A Course in Mathematical Methods for Physicists by Russell L. Herman (1st Edition, ISBN 9781466584679). It covers all chapters and problem sets, including advanced topics such as differential equations, linear algebra, special functions, complex analysis, and integral transforms. Ideal for exam prep, homework help, or self-study reinforcement.

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Publié le
23 juillet 2025
Nombre de pages
444
Écrit en
2024/2025
Type
Examen
Contient
Questions et réponses

Aperçu du contenu

SOLUTIONS MANUAL

A COURSE IN MATHEMATICAL METHODS FOR PHYSICISTS



CHAPTER NO. 01: INTRODUCTION AND REVIEW
1. Prove the following identities using only the definitions of the trigono-
metric functions, the Pythagorean identity, or the identities for sines and
cosines of sums of angles.

a. cos 2x = 2 cos2 x − 1.

cos 2x = cos2 x − sin2 x
= cos2 x − (1 − cos2 x )
= 2 cos2 x − 1.

b. sin 3x = A sin3 x + B sin x, for what values of A and B?

sin 3x = sin x cos 2x + sin 2x cos x
= sin x (cos2 x − sin2 x ) + 2 sin x cos2 x
= 3 sin x (1 − sin2 x ) − sin3 x
= 3 sin x − 4 sin3 x.

So, A = −4, B = 3.
 
θ π
c. sec θ + tan θ = tan + .
2 4
 
θ π

θ π
 sin 2 + 4
tan + =  
2 4 cos θ
+ π
2 4

sin 2θ cos π4 + sin π4 cos 2θ
=
cos 2θ cos π4 − sin π4 sin 2θ
sin 2θ + cos 2θ
=
cos 2θ − sin 2θ
!
sin 2θ + cos 2θ cos 2θ + sin 2θ
=
cos 2θ − sin 2θ cos 2θ + sin 2θ
 2
cos 2θ + sin 2θ
=
cos2 θ
2 − sin2 θ
2
cos2 θ
2 + sin2 2θ + 2 sin 2θ cos 2θ
=
cos θ

, 1 + sin θ
=
cos θ
= sec θ + tan θ.

2. Determine the exact values of
π
a. sin .
8

π 1 π
sin2 = 1 − cos
8 2 4
√ !
1 2
= 1−
2 2
1  √ 
= 2− 2 .
4
π 1
q √
Therefore, sin = 2− 2.
8 2
b. tan 15o .


tan 15o = tan(60o − 45o )
tan 60o − tan 45o
=
1 + tan 60o tan 45o

3−1
= √
1+ 3
√ √ !
3−1 1− 3
= √ √
1+ 3 1− 3

= 2 − 3.

One can get the same answer using

2 osin2 15o 1 − cos 30o 2− 3 √ 2
tan 15 = = = √ = ( 2 − 3) .
cos2 15o 1 + cos 30o 2+ 3

c. cos 105o .


1
cos2 105o (1 + cos 210o )
=
2
1
= (1 − cos 30o )
2
1 √
= (2 − 3).
4
p √
Therefore, cos 105o = − 21 2 − 3. One could also use

1
cos2 105o = sin2 15o = (1 − cos 30o ) .
2
Note that this answer can be denested:
1
q √ 1
q √
− 2− 3 = − 8−4 3
2 4

, 1
q √ √
= − 6−2 2 6+2
4q
1 √ √
= − ( 6 − 2)2
4
1 √ √
= ( 2 − 6).
4
3. Denest the following if possible.
p √
a. 3 − 2 2.
p √ √
Assume that 3 − 2 2 = a + b 2. Then,
√ √
3 − 2 2 = ( a + b 2)2

= a2 + 2b2 + 2ab 2.

This would hold if a2 + 2b2 = 3 and 2ab = −2. These simultaneous
equations have
p the√solutions a = −b = ±1. Therefore, the positive

solution is 3 − 2 2 = 2 − 1.
p √
b. 1 + 2.
Following the reasoning from the last problem, one tries to solve
the system a2 + 2b2 = 1 and 2ab = 1. Solving the second equation
for b = 1/2a and inserting this into the first equation, we have

2a4 + a2 − 2 = 0.

Solving, we obtain √
2 17 − 1
a = .
4
p √
Therefore, 1 + 2 cannot be denested.
p √
c. 5 + 2 6.
√ √ √ √ √
Note that 5 + 2 6 = 2 + 3 + 2 2 3 = ( 2 + 3)2 . Therefore,
p √ √ √
5 + 2 6 = 2 + 3.
p
3
√ p3

d. 5+2− 5 − 2.
p
3
√ √
We first guess the form 5 ± 2 = a + b 5. Cubing both sides of
this equation, we find
√ √ √
5 ± 2 = a3 + 3a2 b 5 + 15ab2 + 5b3 5.

This leads to the system of equations

a3 + 15ab2 = ±2
2 3
3a b + 5b = 1.

Solving the second equation for a, we have
p
3b(1 − 5b3 )
a=± .
3b
Substituting this into the first equation of the system, we obtain
p
3b(1 − 5b3 )(40b3 + 1)
= ±2.
9b2

, Now, square both sides of the equation. Rearranging and factoring,
we have
(8b3 − 1)(1000b6 − 25b3 + 1) = 0.
The only real solutions come from b3 = 1/8. Thus, b = 1/2.
Inserting this result into the expression for a,
p
3/2(1 − 5/8) 3/4 1
a=± =± =± .
3/2 3/2 2
√ √
Therefore, 5 ± 2 = 12 ( 5 ± 1).
Using this result, we can proceed to solve the problem:
q√ q√
3 3 1 √ 1 √
5+2− 5 − 2 = ( 5 + 1) − ( 5 − 1) = 1.
2 2

e. Find the roots of x2 + 6x − 4 5 = 0 in simplified form.
p √ p √
From the quadratic formula, x = −3 ± 9 + 4 5. Setting 9 + 4 5 =

a + b 5, we need to solve the equations

a2 + 5b2 = 9
2ab = 4.

Solving for b = 2a , and substituting into the first equation, we have

a4 − 9a2 + 20 = 0.

Solving for a2 ,
9±1
a2 = = 4, 5.
2
√ √ p √
So, a = 2, 5 and, therefore, b = 2/ 5, 1. Both cases give 9 + 4 5 =

2 + 5.
Using this result, we find the solutions of the problem, x = −1 +
√ √
5, x = −5 − 5.
5
4. Determine the exact values of
4
 
3
a. sin cos−1 .
θ 5
3 3 3
Figure 1.1: Triangle for Problem 4a.
This problem takes the form sin θ for θ = cos−1 , or cos θ = .
5 5
One can draw a triangle with base of length 3 and hypotenuse
4
of length 5 as shown in Figure 1.1. Then, sin θ = . This is also
5
obtainable from the Pythagorean identity,
 2
7 3
+ sin2 θ = 1.
5
x  x
b. tan sin−1 .

θ 7
49 − x2 Similar to the last problem one can use the triangle in Figure 1.2.
x
Figure 1.2: Triangle for Problem 4b. Let sin θ = . Then, tan θ = 49−x x2 .
7
$27.99
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