• 联赛,  自招强基

    正n边形所有边的斜率和问题

    对于一个正$n$边形,各边斜率均存在且分别为$k_j,j=1,2,\dots,n$,如果某边的倾斜角为$\theta$,化简$\ds A_n=\sum_{j=1}^n k_j\sum_{j=1}^n \frac{1}{k_j}$.

    昨晚睡前在QQ群看到的一个讨论,原题是$n=5$,推广到$n$.和两年前写的下面这篇”从高考题到巴塞尔问题”关联比较大,如果没有接触过此类问题,可以从下面的文章开始阅读.

    下面先证明一个引理:\[    F_n(\theta)=\sum_{j=1}^n \tan(\theta+\frac{j\pi}{n})=\begin{cases}        n\tan n\theta & 2 \nmid n\\        -n\cot n\theta & 2 | n    \end{cases}\]
    证明:
    考虑$x\in \{\theta+\frac{j\pi}{n} |j=1,2,\dots,n\}$的共同之处:$\tan nx=\tan n\theta$
    且显然所有$\tan x$是互不相同的
    考虑棣莫弗公式\[    \cos nx+\mi \sin nx=(\cos x+ \mi \sin x)^n\]
    如果$n=2k+1$是奇数,比较实部虚部可得\begin{gather}    \tan n\theta=\tan nx=\frac{\sin nx}{\cos nx}\\    =\frac{C_{2k+1}^{2k+1}(-1)^k \sin^{2k+1} x+\dots}{C_{2k+1}^{2k}(-1)^k \cos x\sin^{2k} x+\dots}    =\frac{C_{2k+1}^{2k+1}(-1)^k \tan^{2k+1} x+\dots}{C_{2k+1}^{2k}(-1)^k \tan^{2k} x+\dots}\\    C_{2k+1}^{2k+1}(-1)^k \tan^{2k+1} x – \tan (2k+1)\theta \cdot C_{2k+1}^{2k}(-1)^k \tan^{2k} x+\dots=0\end{gather}从而$\tan(\theta+\frac{j\pi}{n})$是如下关于$y$的$2k+1$次方程的$2k+1$个不同根\[    C_{2k+1}^{2k+1}(-1)^k y^{2k+1} – \tan (2k+1)\theta \cdot C_{2k+1}^{2k}(-1)^k y^{2k}+\dots=0\]
    韦达定理可得这些根的和\[    F_n(\theta)=-\frac{- \tan (2k+1)\theta \cdot C_{2k+1}^{2k}(-1)^k}{C_{2k+1}^{2k+1}(-1)^k} =(2k+1)\tan (2k+1)\theta=n\tan n\theta\]
    如果$n=2k$是偶数,那么按照同样的操作同理可得$\tan(\theta+\frac{j\pi}{n})$是如下关于$y$的$2k$次方程的$2k$个不同根\[    C_{2k}^{2k} (-1)^k y^{2k} – \cot 2k \theta \cdot C_{2k}^{2k-1}(-1)^{k-1} y^{2k-1}+\dots=0\]
    韦达定理可得\[    F_n(\theta)=-\frac{- \cot 2k \theta \cdot C_{2k}^{2k-1}(-1)^{k-1}}{C_{2k}^{2k} (-1)^k} =-2k\cot 2k\theta=-n\cot n\theta\]
    综上可知\[    F_n(\theta)=\sum_{j=1}^n \tan(\theta+\frac{j\pi}{n})=\begin{cases}        n\tan n\theta & 2 \nmid n\\        -n\cot n\theta & 2 | n    \end{cases}\]

    接着证明原题:
    不妨设第$j$边倾斜角为$x_j=\theta+\frac{2j\pi}{n}$,(不管倾斜角$[0,\pi)$的取值范围,求正切以后无影响)\[    f_n(\theta)=\sum_{j=1}^n \tan(\theta+\frac{2j\pi}{n})\]
    则\[    \sum_{j=1}^n \cot(\theta+\frac{2j\pi}{n})=\sum_{j=1}^n \tan(\frac{\pi}{2}-\theta-\frac{2j\pi}{n})=f_n(\frac{\pi}{2}-\theta)\]
    待求式即为$A_n=f_n(\theta)f_n(\frac{\pi}{2}-\theta)$
    若$n=2k+1$是奇数,则易得任意两个边倾斜角的差都不是$\pi$的整数倍,所以求正切后互不相同,是$\theta+\frac{j\pi}{n}$的重新排列
    亦即$f_n(\theta)=F_n(\theta)$
    \[    f_n(\frac{\pi}{2}-\theta)=n \tan n(\frac{\pi}{2}-\theta)=n \tan (k\pi+\frac{\pi}{2}-n\theta)=n \cot n\theta\]
    于是待求为\[    A_n=f_n(\theta)f_n(\frac{\pi}{2}-\theta)=\left( n\tan n\theta \right) \left( n \cot n\theta \right)=n^2\]
    若$n=2k$是偶数,则$x_1,x_2,\dots,x_k$的正切刚好取遍$\tan(\theta+\frac{j\pi}{k}),j=1,2,\dots,k$,而$\tan x_{k+j}=\tan x_j$
    所以$f_{2k}(\theta)=2F_k(\theta),f_{2k}(\frac{\pi}{2}-\theta)=2F_k(\frac{\pi}{2}-\theta)$,待求式为\[    A_n=f_{2k}(\theta) f_{2k}(\frac{\pi}{2}-\theta)=4F_k(\theta)F_{k}(\frac{\pi}{2}-\theta)\]
    如果$k$是奇数,如上可得\[    A_n=4k^2=n^2    \]
    如果$k=2m$是偶数,那么$n=4m$\[    A_n=4F_{2m}(\theta)F_{2m}(\frac{\pi}{2}-\theta)=4 \cdot (-2m\cot 2m\theta) \cdot (-2m \cot 2m(\frac{\pi}{2}-\theta))=-n^2\cot^2\frac{n\theta}{2}\]


    综上可得\[    A_n=\begin{cases}        -n^2\cot^2\frac{n\theta}{2} & 4|n\\        n^2 & else    \end{cases}\]

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    2023浙江预赛-12

    12. 设不全相等的三个复数 $z_1, z_2, z_3$ 满足方程 $4 z_1^2+5 z_2^2+5 z_3^2=4 z_1 z_2+6 z_2 z_3+4 z_3 z_1$. 记复平面 上以 $z_1, z_2, z_3$ 为顶点的三角形三边的长从小到大依次为 $a, b, c$, 则 $a: b: c=\tk$

    解:作为填空本题非常简单,只需令$z_3=0$,立即可得\[    4z_1^2+5z_2^2-4z_1 z_2=0    \]
    显然\[    (2z_1-z_2)^2+z_2^2=0,2z_1-z_2=\pm 2\mi z_2    \]
    取$z_1=1\pm 2\mi,z_2=2$,结合$z_3=0$,可得三边依次为$2,\sqrt{5},\sqrt{5}$
    如果采用严格的证明方式做也不复杂.
    由于要求的是边之间的关系,这就意味着中间会反复出现$z_1-z_2,z_2-z_3,z_3-z_1$这种东西
    稍微观察会发现原式可以化为\[    2(z_1-z_2)^2+3(z_2-z_3)^2+2(z_3-z_1)^2=0    \]
    使用$z_1$作为起点整理\[    2(z_2-z_1)^2+3[(z_2-z_1)-(z_3-z_1)]^2+2(z_3-z_1)^2=0    \]
    即\[    5(z_2-z_1)^2-6(z_2-z_1)(z_3-z_1)+5(z_3-z_1)^2=0    \]
    也就是说$\frac{z_3-z_1}{z_2-z_1}$是方程$5x^2-6x+5=0$的根\[    x=\frac{6 \pm 8\mi}{10}=\frac{3 \pm 4\mi}{5}    \]
    取$z_3-z_1=3 \pm 4\mi,z_2-z_1=5$,则$z_3-z_2=-2\pm 4\mi$
    可得三边之比为$2:\sqrt{5}:\sqrt{5}$

    本题为本次预赛压轴填空,主要考察的是复数的几何意义.

  • 联赛

    三角形不等式

    已知$a,b,c$是三角形的三边长,求证:
    \[    \frac{(a^3+b^3+c^3)^2}{(a^2+b^2)(b^2+c^2)(c^2+a^2)}<2\]


    注意到
    \begin{align}    &(1+\mi) (a+\mi b) (b+\mi c)(c+\mi a)\\    =&-\left(a^2b+ab^2+b^2c+bc^2+c^2a+ca^2-2abc\right)\\    &+\mi \left(a^2 b-a^2 c-a b^2+a c^2+b^2 c-b c^2\right)\end{align}
    取模的平方,可得
    \begin{align}    &2(a^2+b^2)(b^2+c^2)(c^2+a^2)\\    =&\left(a^2b+ab^2+b^2c+bc^2+c^2a+ca^2-2abc\right)^2\\    &+\left(a^2 b-a^2 c-a b^2+a c^2+b^2 c-b c^2\right)^2\\    \ge&\left(a^2b+ab^2+b^2c+bc^2+c^2a+ca^2-2abc\right)^2\\    =&[(a+b-c)(b+c-a)(c+a-b)+(a^3+b^3+c^3)]^2\\    >&(a^3+b^3+c^3)^2\end{align}

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    从高考题到巴塞尔问题

    各位新年快乐~

    2016山东文科高考题

    2016年山东省文科高考题第12是这样一个问题:
    12. 观察下列等式:\[\begin{aligned}&\left(\sin \frac{\pi}{3}\right)^{-2}+\left(\sin \frac{2 \pi}{3}\right)^{-2}=\frac{4}{3} \times 1 \times 2 \\&\left(\sin \frac{\pi}{5}\right)^{-2}+\left(\sin \frac{2 \pi}{5}\right)^{-2}+\left(\sin \frac{3 \pi}{5}\right)^{-2}+\left(\sin \frac{4 \pi}{5}\right)^{-2}=\frac{4}{3} \times 2 \times 3 ; \\&\left(\sin \frac{\pi}{7}\right)^{-2}+\left(\sin \frac{2 \pi}{7}\right)^{-2}+\left(\sin \frac{3 \pi}{7}\right)^{-2}+\cdots+\left(\sin \frac{6 \pi}{7}\right)^{-2}=\frac{4}{3} \times 3 \times 4 ;\\&\left(\sin \frac{\pi}{9}\right)^{-2}+\left(\sin \frac{2 \pi}{9}\right)^{-2}+\left(\sin \frac{3 \pi}{9}\right)^{-2}+\cdots+\left(\sin \frac{8 \pi}{9}\right)^{-2}=\frac{4}{3} \times 4 \times 5 ; \end{aligned}\]
    照此规律, $\ds \left(\sin \frac{\pi}{2 m+1}\right)^{-2}+\left(\sin \frac{2 \pi}{2 m+1}\right)^{-2}+\left(\sin \frac{3 \pi}{2 m+1}\right)^{-2}+\cdots+ \left(\sin \frac{2 m \pi}{2 m+1}\right)^{-2}=\tk$


    此题是一个填空题,仅仅猜想的话是很容易观察出结果的$\ds \frac{4m(m+1)}{3}$.但它实际有相当深刻的背景.真的去证明的话需要用到一系列高考以外的知识.


    (I).基础知识:
    首先我们需要知道棣莫弗公式:
    $\mi$是虚数单位,则
    \[    \forall m \in \mN:(\cos x+\mi\sin x)^m=\cos mx+i\sin mx\]
    这可以用归纳法证明.

    还需知道一个基本三角函数不等式\[    \forall x \in (0,\frac{\pi}{2}),0<\sin x<x<\tan x\]

    还需要知道多元韦达定理的推论:
    方程 $\ds \sum_{k=0}^{n} a_k x^k=0(a_n a_0 \ne 0)$ 的所有根的倒数和为 $\ds -\frac{a_1}{a_0}$


    (II).然后我们需要进行一步转化,利用$\sin^{-2} x=\tan^{-2} x+1$及正弦函数的对称性将原式化为\[    \sum_{k=1}^{2m} \sin^{-2}\frac{k\pi}{2m+1}=2\sum_{k=1}^{m} (\tan^{-2}\frac{k\pi}{2m+1}+1)\]


    (III).构建以$\ds \tan^2 \frac{k\pi}{2m+1},k=1,2,\dots,m$为根的方程,使用韦达定理求和.
    \begin{gather}    n=2m+1,m \in \mathbf{N}^*\\    \tan nx=0 \Longleftrightarrow \sin nx=0\\    \Longleftrightarrow Im((\cos x+\mathbf{i} \sin x)^n)=0\\    \Longleftrightarrow C_n^1 \cdot \cos^{n-1} x \cdot \sin x-C_n^3 \cdot \cos^{n-3} x \cdot \sin^3 x+\ldots=0\end{gather}
    后面的项我们不关心所以直接省略掉,前两项是会用到的
    \[    \Longleftrightarrow C_n^1 \tan x-C_n^3 \tan^3 x+\ldots=0\]从而$\ds \tan\frac{k\pi}{2m+1},|k| \le m$是 $n$ 次方程 $C_n^1 x-C_n^3 x^3+\ldots=0$ 的全部根
    由于方程只有奇数幂,扣掉0根,扣掉负根,可得
    $\ds \tan^2\frac{k\pi}{2m+1},1 \le k \le m$是$m$次方程 $C_n^1 -C_n^3 x+\ldots=0$的全部根
    从而由韦达定理\[    \sum_{k=1}^{m} \frac{1}{\tan^2\frac{k\pi}{2m+1}}=\frac{C_n^3}{C_n^1}=\frac{(n-1)(n-2)}{6}=\frac{2m^2-m}{3}\]
    从而得到题目中的待求式\[    \sum_{k=1}^{2m} \sin^{-2}\frac{k\pi}{2m+1}=2\sum_{k=1}^{m} (\tan^{-2}\frac{k\pi}{2m+1}+1)=2(\frac{2m^2-m}{3}+m)=\frac{4m(m+1)}{3}\]


    这样我们就得到了这道高考题的证明.

    巴塞尔问题

    说完这个高考题的证明,我们接着介绍历史上著名的巴塞尔问题,也就是平方数的倒数和究竟是多少?


    巴塞尔问题是一个著名的数论问题,这个问题首先由皮耶特罗·门戈利在1644年提出,由莱昂哈德·欧拉在1735年解决。由于这个问题难倒了以前许多的数学家,欧拉一解出这个问题马上就出名了,当时他二十八岁。欧拉把这个问题作了一番推广,他的想法后来被黎曼在1859年的论文《论小于给定大数的素数个数》(On the Number of Primes Less Than a Given Magnitude)中所采用,论文中定义了黎曼$\zeta $函数,并证明了它的一些基本的性质。这个问题是以瑞士的第三大城市巴塞尔命名的,它是欧拉和伯努利家族的家乡。
    这个问题是精确计算所有平方数的倒数的和,也就是以下级数的和:
    ${\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{2}}}=\lim _{n\to +\infty }\left({\frac {1}{1^{2}}}+{\frac {1}{2^{2}}}+\cdots +{\frac {1}{n^{2}}}\right)}$
    这个级数的和大约等于1.644934(OEIS中的数列A013661)。巴塞尔问题是寻找这个数的准确值,并证明它是正确的。欧拉发现准确值是$\frac{\pi^2}{6}$,并在1735年公布;彼时他的证明还不是十分严密,真正严密的证明在1741年给出。

    我们下面会指出,这道高考题与巴塞尔问题有着内在联系,实质上它稍微处理一下就可以解决巴塞尔问题.


    我们利用上面的中间结论\[    \sum_{k=1}^{m} \cot^2\frac{k\pi}{2m+1}=\frac{2m^2-m}{3},\sum_{k=1}^{m} \frac{1}{\sin^2 \frac{k\pi}{2m+1}}=\frac{2m^2+2m}{3}\]
    使用基本的三角不等式,我们知道\[    0<\cot^2 x<\frac{1}{x^2}<\frac{1}{\sin^2 x}, \forall x \in (0,\frac{\pi}{2})\]
    从而\[    0<\cot^2 \frac{k\pi}{2m+1}<\frac{(2m+1)^2}{k^2 \pi^2}<\frac{1}{\sin^2 \frac{k\pi}{2m+1}},k=1,2,\dots,m\]
    我们将所有的不等式加起来,两边都是可以求和的,从而得到\[    \frac{m(2m-1)}{3}<\frac{(2m+1)^2}{\pi^2}(1+\frac{1}{2^2}+\dots+\frac{1}{m^2})<\frac{2m(m+1)}{3}\]
    从而\[    \frac{\pi^2}{6}\frac{2m(2m-1)}{(2m+1)^2}<1+\frac{1}{2^2}+\dots+\frac{1}{m^2}<\frac{\pi^2}{6}\frac{4m(m+1)}{(2m+1)^2}\]
    令$m \to +\infty$显然两边都以$\ds \frac{\pi^2}{6}$为极限
    所以\[    \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{k^2}=\frac{\pi^2}{6}\]


    这样就解决了历史上著名的巴塞尔问题.


    附注:
    3Blue1Brown 做过一次关于巴塞尔问题的视频,也值得一看
    https://www.bilibili.com/video/av20400157/

    练习题:
    求$\ds\tan^6 \frac{\pi}{9}+\tan^6 \frac{2\pi}{9}+\tan^6 \frac{4\pi}{9}$
    答案:33273

  • 自招强基

    一个复数列问题

    原文:Let $\{a_{n}\}$ and $\{b_{n}\}$ be the sequences of real numbers such that\[(2+i)^{n}=a_{n}+b_{n} \mi\]for all integers $n \geq 0$, where $i=\sqrt{-1}$. What is$\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} \frac{a_{n} b_{n}}{7^{n}}$ ?


    中文题目:设 $\{a_{n}\}$ 和 $\{b_{n}\}$ 是对一切非负整数$n$满足下式的实数列:\[(2+i)^{n}=a_{n}+b_{n} \mi\], 其中$\mi$是虚数单位.$ \displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} \frac{a_{n} b_{n}}{7^{n}}$的值是?


    解:直接展开求出$a_b,b_n$不太方便,所以可以选择平方直接出现$a_n b_n$
    \[(2+\mi)^{2n}=(3+4\mi)^n=(a_n^2-b_n^2)+2a_n b_n \mi\]
    \[    \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{(3+4\mi)^n}{7^n}=\frac{1}{1-\frac{3+4\mi}{7}}=\frac{7+7\mi}{8}\]
    两边取虚部再除以2,得\[    \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{a_n b_n}{7^n}=\frac{7}{16}\]

  • 自招强基

    $n$倍角乘积展开式

        \[    \sin nx=2^{n-1} \prod_{k=0}^{n-1} \sin(x+\frac{k\pi}{n})    \]

        令$\displaystyle \alpha=\frac{\pi}{n}$    

    \begin{gather*}    \exp(2nx\mi)-1    =\prod_{k=0}^{n-1}(\exp(2x\mi)-\exp(2k\alpha \mi))\\    =\prod_{k=0}^{n-1} [\exp(x+k\alpha)\mi \cdot 2\mi \cdot \sin(x-k\alpha)] \\   =\prod_{k=0}^{n-1}\exp(nx\mi+\frac{n-1}{2}\pi\mi) \cdot (2\mi)^n \cdot \prod_{k=0}^{n-1}\sin(x-k\alpha)\\    =2^n \cdot \exp(\frac{n\pi}{2}\mi) \cdot \exp(nx\mi) \cdot \exp(\frac{n-1}{2}\pi\mi) \cdot \prod_{k=0}^{n-1}\sin(x-k\alpha)\\    =2^n \cdot \exp(nx\mi) \cdot \mi^{2n-1} \cdot \prod_{k=0}^{n-1}\sin(x-k\alpha)    \end{gather*}
        因此可得    \begin{gather*}    \exp(nx\mi)-\exp(-nx\mi)    =2^n \cdot \mi^{2n-1} \cdot \prod_{k=0}^{n-1}\sin(x-k\alpha)    =-2^n \cdot \mi \cdot \prod_{k=0}^{n-1}\sin(k\alpha-x)\\    =-2^n \cdot \mi \cdot \prod_{k=0}^{n-1}\sin(x+\frac{n-k}{n}\pi)    =2^n \cdot \mi \cdot \prod_{k=0}^{n-1}\sin(x+\frac{k\pi}{n})    \end{gather*}

        再利用$\exp(nx\mi)-\exp(-nx\mi)-2\mi \sin nx$即得证.

    如果只是需要绝对值的话,对$\exp(2nx\mi)-1=\prod_{k=0}^{n-1}(\exp(2x\mi)-\exp(2k\alpha \mi))$两边取模即可,这个对于计算具体的数字会有用.但如果计算一般的式子还是需要上面的做法

  • 屠龙技

    用复数解决三角函数问题(1)

    设$m,n$是两个正整数且$m>n$,证明:$$\sum_{k=1}^{m-1} \sin^{2n} \frac{k\pi}{m}=\frac{mC_{2n}^n}{2^{2n}}$$

    证明:
    令$z=\exp(\frac{\pi}{m}i)$,则$|z|=1,z^{2m}=1$\[(z-\frac{1}{z})^{2n}=\sum_{k=0}^{2n} C_{2n}^k z^{2n-k}(-\frac{1}{z})^k=\sum_{k=0}^{2n}(-1)^k C_{2n}^k z^{2n-2k}=\sum_{j=-n}^{n}(-1)^{n-j} C_{2n}^{n-j} z^{2j}\]


    接下来,用$z^r,r=0,1,2,\ldots,m-1$替换上式的$z$,并对所有可能值求和\begin{gather*}\sum_{r=0}^{m-1} (z^r-\frac{1}{z^r})^{2n}=\sum_{j=-n}^{n} (-1)^{n-j} C_{2n}^{n-j}(\sum_{r=0}^{m-1} z^{2rj})\end{gather*}
    由于$|2j| \le 2n<2m$,故当$j \ne 0,z^{2j} \ne 1$,此时总有\[\sum_{r=0}^{m-1} z^{2rj}=\frac{z^{2mj}-1}{z^{2j}-1}=0\]


    从而\[\sum_{r=0}^{m-1} (z^r-\frac{1}{z^r})^{2n}=(-1)^{n} C_{2n}^{n} \cdot m\]
    又有\[\sum_{r=0}^{m-1} (z^r-\frac{1}{z^r})^{2n}=\sum_{r=0}^{m-1} (2i\sin\frac{r\pi}{m})^{2n}=(-1)^n \cdot 2^{2n} \sum_{r=0}^{m-1} \sin^{2n}\frac{r\pi}{m}\]
    故\[(-1)^{n} C_{2n}^{n} \cdot m=(-1)^n \cdot 2^{2n} \sum_{r=0}^{m-1} \sin^{2n}\frac{r\pi}{m}\]
    即\[\sum_{r=1}^{m-1} \sin^{2n}\frac{r\pi}{m}=\sum_{r=0}^{m-1} \sin^{2n}\frac{r\pi}{m}=\frac{m C_{2n}^n}{2^{2n}}\]