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求证:

k=17coskπ15=[k=02cos(2k+1)π7]7\prod^7_{k=1}\cos\frac{k\pi}{15}=[\sum^2_{k=0}\cos\frac{(2k+1)\pi}7]^7

(命题567567)

先证明一个引理(命题563563):

i=0n1(x22xcosiπn+1)=i=1nx2(ni)\prod^{n-1}_{i=0}(x^2-2x\cos\frac{i\pi}n+1)=\sum^n_{i=1}x^{2(n-i)}

方程x2n1=0x^{2n}-1=0的根是:

xk=coskπn+isinkπn(k=0,1,2,,2n1)x_k=\cos\frac{k\pi}n+i\sin\frac{k\pi}n(k=0,1,2,\dots,2n-1)

i=02n1(xxi)x2n1\Rightarrow\prod^{2n-1}_{i=0}(x-x_i)\equiv x^{2n}-1

注意到:

i=02n1(xxi)\prod^{2n-1}_{i=0}(x-x_i)

=[(x1)k=1n1(xcoskπnisinkπn)][(x+1)k=n+12n1(xcoskπnisinkπn)]=[(x-1)\prod^{n-1}_{k=1}(x-\cos\frac{k\pi}n-i\sin\frac{k\pi}n)][(x+1)\prod^{2n-1}_{k=n+1}(x-\cos\frac{k\pi}n-i\sin\frac{k\pi}n)]

=(x21)k=1n1[(xcoskπn)2+sin2kπn]=(x^2-1)\prod^{n-1}_{k=1}[(x-\cos\frac{k\pi}n)^2+\sin^2\frac{k\pi}n]

=(x21)k=1n1(x22xcoskπn+1)=(x^2-1)\prod^{n-1}_{k=1}(x^2-2x\cos\frac{k\pi}n+1)

x2n1=(x21)i=1nx2(ni)x^{2n}-1=(x^2-1)\sum^n_{i=1}x^{2(n-i)}

i=1n1(x22xcosiπn+1)=i=1nx2(ni)\Rightarrow\prod^{n-1}_{i=1}(x^2-2x\cos\frac{i\pi}n+1)=\sum^n_{i=1}x^{2(n-i)}

再证明一个基本的三角恒等式(命题564564):

由上一个引理:

i=1n1(x22xcosiπn+1)=i=1nx2(ni)\prod^{n-1}_{i=1}(x^2-2x\cos\frac{i\pi}n+1)=\sum^n_{i=1}x^{2(n-i)}

x=1x=-1,则有:

i=1ncosiπ2n+1=1xn\prod^n_{i=1}\cos\frac{i\pi}{2n+1}=\frac1{x^n}

现在证明原命题:

由三角恒等式得:

k=17coskπ15=127\prod^7_{k=1}\cos\frac{k\pi}{15}=\frac1{2^7}

考察等式右边:

k=02cos(2k+1)π7=cosπ7+cos3π7+cos5π7\sum^2_{k=0}\cos\frac{(2k+1)\pi}7=\cos\frac\pi7+\cos\frac{3\pi}7+\cos\frac{5\pi}7

=(cos2π7+cos4π7+cos6π7)=-(\cos\frac{2\pi}7+\cos\frac{4\pi}7+\cos\frac{6\pi}7)

=2sinπ7cos2π7+2sinπ7cos4π7+2sinπ7cos6π72sinπ7=-\frac{2\sin\frac\pi7\cos\frac{2\pi}7+2\sin\frac\pi7\cos\frac{4\pi}7+2\sin\frac\pi7\cos\frac{6\pi}7}{2\sin\frac\pi7}

=sin3π7sinπ7+sin5π7sin3π7+sin7π7sin5π72sinπ7=-\frac{\sin\frac{3\pi}7-\sin\frac\pi7+\sin\frac{5\pi}7-\sin\frac{3\pi}7+\sin\frac{7\pi}7-\sin\frac{5\pi}7}{2\sin\frac\pi7}

=(12)=12=-(-\frac12)=\frac12

因为127=(12)7\frac1{2^7}=(\frac12)^7,所以命题得证。


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