[Math Processing Error]
[Math Processing Error]
\begin{example}
(2016年首届卓越大学联盟高校大学生数学竞赛非数学类)考虑级数∑∞n=1sin(n!πx).证明:
(1)在任何区间(a,b)内都存在使得级数收敛的点.
(2)在任何区间(a,b)内都存在使得级数发散的无理数点.
\end{example}
\begin{proof}
(1)由有理数的稠密性可知,在任何区间(a,b)内都有有理数.任取一有理数x=qp∈(a,b),则所讨论的级数在x处都收敛,这是因为当n充分大时, n!qp均为整数,从而sin(n!πqp)=0.此时级数∑∞n=1sin(n!πx)收敛.
(2)首先有级数在x=e处发散.这是因为:由
e=1+1+12!+⋯+1n!+1(n+1)!+⋯
知
sin(n!πe)=sin(kπ+πn+1+O(1n2))∼πn+1,
其中k是个整数.故级数在该点发散.
由于e是无理数,对任意区间(a,b),在其内任取一有理点r,然后取一充分大的整数m,使得r+em∈(a,b).则r+em即为所求的无理数.级数∑∞n=1sin(n!πx)在这些点均发散.
\end{proof}
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[Math Processing Error]
[Math Processing Error]
\begin{proof}
\end{proof}
[Math Processing Error]
\begin{proof}
(谈谈第11届数学冬令营的一道题目,常庚哲)
因为∑ni=1xi=1,故由均值不等式有
√(1+x0+x1+⋯+xi−1)(xi+⋯+xn)⩽1+x0+x1+⋯+xn2=1,
由此即得所求证的第一个不等式.
因为0⩽x0+x1+⋯+xi⩽1, i=0,1,⋯,n,故可令θi=arcsin(x0+x1+⋯+xi), i=0,1,⋯,n,于是θi∈[0,π2]且有
0=θ0<θ1<⋯<θn=π2.因而有
xi=sinθi−sinθi−1=2cosθi+θi−12sinθi−θi−12<2cosθi−1sinθi−θi−12.
因为对x∈[0,π2],有sinx<x,所以有
xi<2cosθi−1⋅θi−θi−12=(θi−θi−1)cosθi−1.
故得
xicosθi−1<θi−θi−1,i=0,1,⋯,n.
在上式两端对i从1到n求和,得到
n∑i=1xicosθi−1<θn−θ0=π2.(1)
由θi定义知sinθi=x0+x1+⋯+xi,所以有
cosθi−1=√1−sin2θi−1=√1−(x0+x1+⋯+xi−1)2=√(1+x0+x1+⋯+xi−1)(xi+⋯+xn)(2)
将(2)代入(1)即得所欲证.
\textbf{证法二.}事实上,令yi=x0+x1+⋯+xi−1,则
n∑i=1xi√1+x0+x1+⋯+xi−1√xi+⋯+xn=n∑i=1xi√1+x0+x1+⋯+xi−1√1−(x0+x1+⋯+xi−1)=n∑i=1xi√1−(x0+x1+⋯+xi−1)2=n∑i=1yi+1−yi√1−(yi)2<∫10dx√1−x2=π2.
\end{proof}
\begin{Example}
对任意x∈R及n∈N+.求证:
(1) ∣∣∑nk=1sinkxk∣∣≤2√π;
(2) ∑nk=1|sinkx|k≥|sinnx|.
\end{Example}
\begin{Proof}
(1)定理4[一致有界性] 设x∈R,则存在与 x无关的常数M>0使得
∣∣
∣∣n∑k=1sinkxk∣∣
∣∣<M,∀n∈N∗,∀x.
Motivation: 回顾不等式sint≤t(t≥0)以及
n∑k=m+1sinkx=12sinx2n∑k=m+1[cos(k+12)x−cos(k−12)x]=cos(m+12)x−cos(n+12)x2sinx2,⇒∣∣
∣∣n∑k=m+1sinkx∣∣
∣∣≤1∣∣sinx2∣∣
注意sint≤t在t比较小的范围内是比较“好”的, 而当t比较大的时候直接用三角函数有界性即可放缩. 所以当t比较大的时候, 可以考虑采用Abel变换以及三角级数的求和.
证明:由三角函数的周期性, 只需要考虑(−π,π)区间. 又由sinkx是奇函数, 故只需要考虑(0,π)区间(另一半区间相当于取相反数).
(1)若n≤√2πx,根据不等式 sint<t(t>0)得
n∑k=1sinkxk≤n∑k=1kxk=nx≤√2π<2√2π.
(2)若n>√2πx,取正整数m满足 mx<√2π<(m+1)x,则m<n.把级数拆成两个部分:
n∑k=1sinkxk=m∑k=1sinkxk+n∑k=m+1sinkxk.
根据前一定理, 我们在这里不需要加绝对值.
由不等式sint<t(t>0),得
m∑k=1sinkxk≤m∑k=1kxk=mx.
回顾Abel求和, 设Sn=n∑k=1sinkx,则
n∑k=m+1sinkxk=n∑k=m+1Skk−n∑k=m+1Sk−1k=n∑k=m+1Skk−n−1∑k=mSkk+1=[n−1∑k=m+1Sk(1k−1k+1)]+Snn−Smm+1.
根据x∈(0,π)以及前一定理可得
n∑k=m+1sinkxk≤n−1∑k=m+1Sk(1k−1k+1)+Snn−Smm+1≤1sinx2(1m+1−1n)+1sinx2⋅(1n+1m+1)=2(m+1)sinx2.
注意当x∈(0,π2)时有 sinx>2xπ,所以
n∑k=m+1sinkxk≤2(m+1)sinx2<2π(m+1)x.
综上,
n∑k=1sinkxk<mx+2π(m+1)x<√2π+2π√2π=2√2π.
这里正整数m是待定的(与x有关), 取mx<√2π<(m+1)x,则上界M可以取为2√2π.
注:稍微修改某一步, 可以把上界M变小为2√π.
(2)利用第二数学归纳法,假设n=1,2,⋯,m时,不等式都成立,则
n∑k=1|sinkx|k≥|sinnx|,n=1,2,⋯,m.
由|sin(x+y)|≤|sinxcosy|+|cosxsiny|≤|sinx|+|siny|可知
(m+1)(|sinx|+|sin2x|2+⋯+|sinmx|m)≥2m∑k=1|sinkx|=m∑k=1(|sinkx|+|sin(m+1−k)x|)≥m∑k=1|sin(m+1)x|=m|sin(m+1)x|.
因此
m∑k=1|sinkx|k≥mm+1|sin(m+1)x|,
故
m+1∑k=1|sinkx|k≥mm+1|sin(m+1)x|+|sin(m+1)x|m+1=|sin(m+1)x|.
\end{Proof}
[Math Processing Error]
\begin{Proof} 1 \end{Proof}
[Math Processing Error]
[Math Processing Error]
[Math Processing Error]
\begin{Proof}
\end{Proof}
由cos(α±β)=cosαcosβ∓sinαsinβ可推导积化和差公式
cosαcosβ=12[cos(α+β)+cos(α−β)],sinαsinβ=12[cos(α−β)−cos(α+β)].
由sin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ可推导积化和差公式
sinαcosβ=12[sin(α+β)+sin(α−β)],cosαsinβ=12[sin(α+β)−sin(α−β)].
利用
cosα+cosβ=cos(α+β2+α−β2)+cos(α+β2−α−β2)=2cosα+β2cosα−β2.
可得
和差化积公式:
cosα+cosβ=2cosα+β2cosα−β2,cosα−cosβ=−2sinα+β2sinα−β2,sinα+sinβ=2sinα+β2cosα−β2,sinα−sinβ=2cosα+β2sinα−β2,
其他的一些公式:
sin3α=3sinα−4sin3α=4sin(60∘−α)⋅sinαsin(60∘+α),cos3α=4cos3α−3cosα=4cos(60∘−α)⋅cosαcos(60∘+α),tan3α=tan(60∘−α)⋅tanαtan(60∘+α),sin2α−sin2β=sin(α+β)sin(α−β),cos2α−cos2β=−sin(α+β)sin(α−β),asinx+bcosx=√a2+b2sin(x+θ),其中tanθ=ba.
[Math Processing Error]
\begin{proof}
\textbf{证法一.}
(1)利用
2sind2sin(a+kd)=cos(a+2k−12d)−cos(a+2k+12d)
可得
2sind2Sn=n−1∑k=02sind2sin(a+kd)=n−1∑k=0[cos(a+2k−12d)−cos(a+2k+12d)]=cos(a−d2)−cos(a+2n−12d)=2sinnd2sin(a+n−12d).
于是
Sn=sinnd2sind2sin(a+n−12d).
另一方面,
Cn=n−1∑k=0sin(π2+a+kd)=sinnd2sind2sin(π2+a+n−12d)=sinnd2sind2cos(a+n−12d).
或者利用
2sind2cos(a+kd)=sin(a+2k+12d)−sin(a+2k−12d)
也可以.
\textbf{证法二.}注意到
Cn+iSn=n−1∑k=0[cos(a+kd)+isin(a+kd)]=n−1∑k=0ei(a+kd)=eia1−eind1−eid=(cosa+isina)1−cosnd−isinnd1−cosd−isind=(cosa+isina)2sinnd2(sinnd2−icosnd2)2sind2(sind2−icosd2)=eia−ieind2−ieid2sinnd2sind2=ei(a+n−12d)sinnd2sind2=sinnd2sind2[cos(a+n−12d)+isin(a+n−12d)].
对比等式两边的实部和虚部可得
Sn=sinnd2sind2sin(a+n−12d),Cn=sinnd2sind2cos(a+n−12d).
\end{proof}
令d=a,可得
sina+sin(2a)+sin(3a)+⋯+sin(na)=sinna2sina2sin(n+12a),cosa+cos(2a)+cos(3a)+⋯+cos(na)=sinna2sina2cos(n+12a).
若令d=2a,可得
sina+sin(3a)+sin(5a)+⋯+sin(2n−1)a=sin2nasina,cosa+cos(3a)+cos(5a)+⋯+cos(2n−1)a=sin(na)cos(na)sina=sin(2na)2sina.
利用
sin(2n−1)a2sina=sin(2na)cosa−cos(2na)sina2sina
可得
若令a=0,d=2d,可得
1+cos(2d)+cos(4d)+⋯+cos(2n−2)d=sinndsindcos(n−1)d=sin(2n−1)d+sind2sind,
故
sin(2n−1)dsind=1+2n−1∑k=1cos2kd,sin(2nd)sind=2n∑k=1cos(2k−1)d.
[Math Processing Error]
\begin{Solution}
因为在(0,π)内sinx>0,又∫π0f(x)sinxdx=0,由积分的保号性可知, f(x)在(0,π)内必有零点.
设a∈(0,π)是f(x)在(0,π)内的唯一零点,则当x≠a, x∈(0,π)时, sin(x−a)f(x)必恒正或恒负(否则f(x)必另有零点),于是可推出∫π0f(x)sin(x−a)dx≠0,但由已知条件可得
∫π0f(x)sin(x−a)dx=∫π0f(x)(sinxcosa−cosxsina)dx=cosa∫π0f(x)sinxdx−sina∫π0f(x)cosxdx=0
矛盾,由此可知,函数f(x)在(0,π)内零点个数不止一个.于是由罗尔定理知:在函数f(x)得两个零点之间必然存在导函数等于0的点,即存在ξ∈(0,π),使得f′(ξ)=0.
\end{Solution}
[Math Processing Error]
\begin{Proof}
首先证明f(x)在(0,π)内必有零点.若不然,则f(x)在(0,π)内同号.因sinxk>0 (k=1,2,⋯,n),所以
n∑k=1f(xk)sinxk≠0,
与所设矛盾.
其次证明f(x)至少两个不同的根.反设f(x)只有一个根α,则不妨设f(x)在(0,α)中为负,而在(α,π)中f(x)为正,又设
0<x1<x2<⋯<xm⩽α,α⩽xm+1<xm+2<⋯<xn<π.
则sin(xi−α)⩽0, (i=1,2,⋯,m),
sin(xj−α)⩾0, (j=m+1,m+2,⋯,n).
且上不等式至少有一个不等号.
故f(xi)sin(xi−α)⩾0,
f(xj)sin(xj−α)⩾0,至少有一个成立不等号.
所以
n∑k=1f(xk)sin(xk−α)=m∑i=1f(xi)sin(xi−α)+n∑j=m+1f(xj)sin(xj−α)>0.
另一方面,由已知又有
n∑k=1f(xk)sin(xk−α)=cosαn∑k=1f(xk)sinxk−sinαn∑k=1f(xk)cosxk=0.
这与上面得到的事实相矛盾,即原结论得证.
\end{Proof}
[Math Processing Error]
\begin{Proof}
显然f(x)在(a,b)上存在零点,否则∫baf(x)dx≠0.利用反证法.设f(x)在(a,b)上只有一个零点,记为l,不妨设在x∈(a,l)时有f(x)<0,在x∈(l,b)时有f(x)>0,则
∫ba(x−l)f(x)dx=∫la(x−l)f(x)dx+∫la(x−l)f(x)dx>0.
这与
∫ba(x−l)f(x)dx=∫baxf(x)dx−l∫baf(x)dx=0
矛盾.
设f(x)在(a,b)上有两个零点,记为m,n.不妨设在x∈(a,m)时有f(x)>0,在x∈(m,n)时有f(x)<0,在x∈(n,b)时有f(x)>0,则
∫ba(x−m)(x−n)f(x)dx=∫ma(x−m)(x−n)f(x)dx+∫nm(x−m)(x−n)f(x)dx+∫bn(x−m)(x−n)f(x)dx>0,
这与
∫ba(x−m)(x−n)f(x)dx=∫bax2f(x)dx−(m+n)∫baxf(x)dx+mn∫baf(x)dx=0
矛盾.因此f(x)在(a,b)上至少有三个零点.
\end{Proof}
[Math Processing Error]
\begin{Proof} (谢惠民上册P316) \end{Proof}
[Math Processing Error]
\begin{Proof}
\end{Proof}
[Math Processing Error]
\begin{Proof}
\end{Proof}
\begin{Example}
\end{Example}
\begin{Proof}
\end{Proof}
[Math Processing Error]
\begin{Proof}
由等式
xn−1=(x−ξ1)(x−ξ2)⋯(x−ξn)(1)
可得
ξ1ξ2⋯ξn=(−1)n−1.
对(1)求导可得
nxn−1=n∑i=1∏k≠i(x−ξk).
分别令x=ξ1,ξ2,⋯,ξn可得
⎧⎪
⎪
⎪
⎪⎨⎪
⎪
⎪
⎪⎩nxn−11=(ξ1−ξ2)(ξ1−ξ3)⋯(ξ1−ξn),nxn−12=(ξ2−ξ1)(ξ2−ξ3)⋯(ξ2−ξn),⋯⋯⋯⋯⋯⋯nxn−1n=(ξn−ξ1)(ξn−ξ2)⋯(ξn−ξn−1).
将上述式子相乘可得
nn(ξ1ξ2⋯ξn)n−1=(−1)1+2+⋯+n−1∏1⩽j<k⩽n−1(ξj−ξk)2=(−1)n(n−1)2∏1⩽j<k⩽n(ξj−ξk)2,
因此
∏1⩽j<k⩽n(ξj−ξk)2=(−1)(n−1)(n−2)2nn.
\textbf{证法二.}记z=e2πin,构造Fourier矩阵
V=⎛⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜⎝111⋯11zz2⋯zn−11z2z4⋯z2(n−1)⋮⋮⋮⋮1zn−1z2(n−1)⋯z(n−1)×(n−1)⎞⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟⎠,
则Fourier行列式为
det(V)=∏0⩽j<k⩽n−1(zk−zj),
则原式=[det(V)]2.用V∗表示V的共轭转置,则
|det(V)|2=det(VV∗).
考察VV∗的(i,j)元
V(i,j)=1+z(i−j)+z2(i−j)+⋯++z(n−1)(i−j).
当α∈Z,n∈N∗时,
n∑k=1e2πikαn=1−e2πiα1−e2πiαn={0,若 n∤α,n,若 n∣α.
可知在VV∗中仅对角线非零,为n,从而
|det(V)|=nn2.
令α=eπin,z=α2,则
zk−zj=α2k−α2j=αk+j(αk−j−α−(k−j))=αk+j(2isink−jnπ),
则
det(V)=∏0⩽j<k⩽n−1αk+j(2isink−jnπ)=M∏0⩽j<k⩽n−1(2sink−jnπ),
其中
M=in(n+1)2∏0⩽j<k⩽n−1αk+j.
显然|M|=1,且sink−jnπ>0,则
∏0⩽j<k⩽n−1(2sink−jnπ)=nn2.
仅需计算M的具体表达式,事实上只需计算∑0⩽j<k⩽n−1(k+j).而
∑0⩽j<k⩽n−1(k+j)=n−2∑j=0n−1∑k=j+1(k+j)=n−2∑j=0n−1∑k=j+1k+n−2∑j=0n−1∑k=j+1j=n−2∑j=0(n−j−1)(n−j)2+n−2∑j=0j(n−j−1)=12n−2∑j=0(n2+2nj−3j2−n−2j)=n(n−1)22,
则
M=in(n+1)2∏0⩽j<k⩽n−1αk+j=in(n+1)2αn(n−1)22=in(n+1)2eπin⋅n(n−1)22=in(n+1)2+(n−1)2=i(n−1)(3n−2)2.
最终得到
det(V)=i(n−1)(3n−2)2nn2,∏1⩽j<k⩽n(ξj−ξk)2=(−1)(n−1)(n−2)2nn.
\end{Proof}
[Math Processing Error]
[Math Processing Error]
\begin{Example} 证明: $$I=\iint_{0<x<y<\pi}\ln |\sin (x-y)|dxdy=-\frac{1}{2}\pi^2\ln 2.$$ \end{Example}
[Math Processing Error]
\begin{Example} $$\sum_{n=-\infty}^{\infty}\frac{1}{(n+x)^2} =\frac{\pi^2}{\sin^2(\pi x)}.$$ \end{Example}
\begin{proof}
\end{proof}
[Math Processing Error]
\begin{proof}
\end{proof}
\begin{Example} 若$m,n>1$为整数,求证$S=\sum_{i=1}^{n}\frac{1}{m+i}$不是整数. \end{Example}
\begin{proof}
\end{proof}
\begin{Example} 设正整数$a,b$不能表为同一个正整数的正整数次幂($a>1$),证明$\log_ab$是无理数. \end{Example}
\begin{proof}
\end{proof}
\begin{Example} 对正整数$n$,记$P_n=\sin^n\theta+\cos^n\theta$.已知$P_1$是有理数,求证$P_n$恒为有理数. \end{Example}
\begin{proof}
\end{proof}
\begin{Example} 证明$f_n(x)=\cos (n(\arccos x))$是关于$x$的$n$次多项式. \end{Example}
\begin{proof}
\end{proof}
\begin{Example} 证明正方形可剖分成任意个数多于$5$个的小正方形. \end{Example}
\begin{proof}
\end{proof}
[Math Processing Error]
\begin{proof}
\end{proof}
\begin{Example} 对于正整数$n$证明$a_n=\frac{1\cdot 3\cdots (2n-1)}{2\cdot 4\cdots (2n)}<\frac{1}{\sqrt{3n}}$. \end{Example}
\begin{proof}
\end{proof}
[Math Processing Error]
\begin{proof}
\end{proof}
[Math Processing Error]
\begin{proof}
\end{proof}
\begin{Example}
设a1,a2,⋯是严格递增且无界的正数数列,求证对足够大的k有:
(1) a1a2+a2a3+⋯+akak+1<k−1;
(2) a1a2+a2a3+⋯+akak+1<k−1987.
\end{Example}
\begin{proof}
\end{proof}
[Math Processing Error]
\begin{proof}
\end{proof}
[Math Processing Error]
\begin{proof}
\end{proof}
\begin{Example} $x_0,a,b\in \mathbb{N}^\ast$, $x_{n+1}=ax_n+b$ ($n=0,1,2,\cdots$).证明: $x_n$不可能全是素数. \end{Example}
\begin{proof}
\end{proof}
\begin{Example} 是否存在函数$f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}$,使得$f(f(x))=x^2-2,\forall x\in \mathbb{R}$ ? \end{Example}
\begin{Proof}
\end{Proof}
\begin{Example} 证明:存在无穷有理数集$M$,使对任意$x\in M,x^2,x^2-5,x^2+5$都是有理数的平方. \end{Example}
\begin{Proof}
\end{Proof}
\begin{Example} 求证: $\left|\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k}\sin kx\right|<\pi+1$, $\forall x\in [0,\pi]$. \end{Example}
\begin{Proof}
\end{Proof}
[Math Processing Error]
\begin{Proof}
\end{Proof}
[Math Processing Error]
\begin{Proof}
\end{Proof}
[Math Processing Error]
\begin{Proof}
\end{Proof}
[Math Processing Error]
\begin{Proof}
\end{Proof}
\begin{Example}
(1993年国家集训队测试)已知a1=a2=13,
an=(1−2an−2)a2n−12a2n−1−4an−2a2n−1+an−2,n=3,4,5,⋯
(1)求数列{an}的通项公式.
(2)证明1an−2是整数的平方.
\end{Example}
\begin{Proof}
\end{Proof}
[Math Processing Error]
\begin{Proof}
\end{Proof}
[Math Processing Error]
[Math Processing Error]
Vo Quoc Ba Can的一个漂亮的引理:
[Math Processing Error]
[Math Processing Error]
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2018-12-07 矩阵求导与投影梯度相关问题