多项式问题


\begin{example} 给定一个正整数$n$,设$n$个实数$a_1,a_2,\cdots,a_n$满足下列$n$个方程: $$\sum_{i=1}^{n}\frac{a_i}{i+j}=\frac{4}{2j+1}\quad (j=1,2,\cdots,n)$$ 化简和式$S=\sum_{i=1}^{n}\frac{a_i}{2i+1}$. \end{example}
\begin{proof} 由 $$ \sum_{i=1}^n{\frac{a_i}{2i+1}}=\frac{1}{2}\sum_{i=1}^n{\frac{a_i}{i+\frac{1}{2}}}=\left. \frac{1}{2}\sum_{i=1}^n{\frac{a_i}{i+x}} \right|_{x=\frac{1}{2}} $$ 及已知条件,我们计算 $$ \sum_{i=1}^n{\frac{a_i}{x+i}}-\frac{4}{2x+1}=\frac{P\left( x \right)}{\left( 2x+1 \right) \prod_{i=1}^n{\left( x+i \right)}}, $$ 其中$P(x)$是次数不超过$n$的整系数多项式,并且$P(1)=P(2)=\cdots=P(n)=0$,由唯一性,得$P(x)=C\prod_{i=1}^n{\left( x-i \right)}$,其中$C$是待定常数.从而,有 \[ \sum_{i=1}^n{\frac{a_i}{x+i}}=\frac{4}{2x+1}+\frac{C\prod_{i=1}^n{\left( x-i \right)}}{\left( 2x+1 \right) \prod_{i=1}^n{\left( x+i \right)}} \tag{1} \] 化成整式,得 \[ \left( 2x+1 \right) \prod_{i=1}^n{\left( x+i \right)}\sum_{i=1}^n{\frac{a_i}{x+i}}=4\prod_{i=1}^n{\left( x+i \right)}+C\prod_{i=1}^n{\left( x-i \right)}\tag{2} \] 因为由(1)式恒等(除$x=-1,-2,\cdots,-n,-\frac{1}{2}$外)与唯一性,可知(2)式也恒等(对一切复数$x$),所以在(2)式中取$x=-\frac{1}{2}$,得 $$ C\left( -\frac{1}{2}-1 \right) \left( -\frac{1}{2}-2 \right) \cdots \left( -\frac{1}{2}-n \right) +4\left( -\frac{1}{2}+1 \right) \left( -\frac{1}{2}+2 \right) \cdots \left( -\frac{1}{2}+n \right) =0. $$ 则 $$ C=-\frac{4\left( -\frac{1}{2}+1 \right) \left( -\frac{1}{2}+2 \right) \cdots \left( -\frac{1}{2}+n \right)}{\left( -1 \right) ^n\left( \frac{1}{2}+1 \right) \left( \frac{1}{2}+2 \right) \cdots \left( \frac{1}{2}+n \right)}=\left( -1 \right) ^{n-1}\frac{4\cdot \left( 2n-1 \right) !!}{\left( 2n+1 \right) !!}=\left( -1 \right) ^{n-1}\frac{4}{2n+1}. $$ 故 $$ \sum_{i=1}^n{\frac{a_i}{x+i}}=\frac{4}{2x+1}+\frac{\left( -1 \right) ^{n-1}}{2n+1}\cdot \frac{4\prod_{i=1}^n{\left( x-i \right)}}{\left( 2x+1 \right) \prod_{i=1}^n{\left( x+i \right)}}. $$ 取$x=\frac{1}{2}$,得 \begin{align*} 2S &=\sum_{i=1}^n{\frac{a_i}{\frac{1}{2}+i}}=2+\frac{\left( -1 \right) ^{n-1}}{2n+1}\cdot \frac{4\prod_{i=1}^n{\left( \frac{1}{2}-i \right)}}{2\prod_{i=1}^n{\left( \frac{1}{2}+i \right)}} \\ &=2+\frac{\left( -1 \right) ^{n-1}}{2n+1}\cdot \frac{2\left( -1 \right) ^n\prod_{i=1}^n{\left( 2i-1 \right)}}{\prod_{i=1}^n{\left( 2i+1 \right)}}=2-\frac{2}{\left( 2n+1 \right) ^2}. \end{align*} 故 $$ S=1-\frac{1}{\left( 2n+1 \right) ^2}. $$ \end{proof}

 


\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)!+

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}

 


\begin{Example} 设$f(x)=a_1\sin x+a_2\sin 2x+\cdots+a_n\sin nx$,其中$a_1,a_2,\cdots,a_n$是实数, $n$是正整数.如果对所有实数$x$都有$|f(x)|\leqslant |\sin x|$,求证: $$|a_1+2a_2+\cdots+na_n|\leqslant 1.$$ \end{Example}
\begin{proof} 令$M=|a_1|+|a_2|+\cdots+|a_n|$.对于正整数$k$ ($1\leqslant k\leqslant n$),由于$\lim_{n\to 0}\frac{\sin kx}{\sin x}=k$,所以任给$\varepsilon>0$,存在实数$x$,使$\sin x\neq 0$,且$\left| \frac{\sin kx}{\sin x}-k \right|<\frac{\varepsilon}{M}$, $k=1,2,\cdots,n$.由此可得 \begin{align*} 1 &\geqslant \left| \frac{f\left( x \right)}{\sin x} \right|=\left| \sum_{k=1}^n{\frac{\sin kx}{\sin x}} \right| \\ &=\left| \sum_{k=1}^n{ka_k}-\sum_{k=1}^n{\left( \frac{\sin kx}{\sin x}-k \right) a_k} \right| \\ &\geqslant \left| \sum_{k=1}^n{ka_k} \right|-\sum_{k=1}^n{\left| \frac{\sin kx}{\sin x}-k \right|\left| a_k \right|}\geqslant \left| \sum_{k=1}^n{ka_k} \right|-\varepsilon, \end{align*} 由$\varepsilon$的任意性可知所求证的不等式成立. \end{proof}


\begin{Example} 已知$a_1,a_2,\cdots,a_n\in\mathbb{R}$,设$f(x)=\sum_{k=1}^{n}a_k\sin kx$,若对于任意$x\in\mathbb{R}$都有$|f(x)|\leqslant 1$,证明对任意$x\in\mathbb{R}$有$|f(x)|\leqslant n|\sin x|$. \end{Example}
\begin{proof}

\end{proof}

 


\begin{Example} (1996中国数学奥林匹克,常庚哲提供,难度: \score{4}{5})设$n\in \mathbb{N}$, $x_0=0$, $x_i>0,i=1,2,\cdots,n$且$\sum_{i=1}^{n}x_i=1$.求证: $$1\leqslant\sum_{i=1}^{n} \frac{x_i}{\sqrt{1+x_0+x_1+\cdots+x_{i-1}} \sqrt{x_i+\cdots+x_n}}<\frac{\pi}{2}.$$ \end{Example}
\begin{proof}
(谈谈第11届数学冬令营的一道题目,常庚哲)

因为i=1nxi=1,故由均值不等式有
(1+x0+x1++xi1)(xi++xn)1+x0+x1++xn2=1,
由此即得所求证的第一个不等式.

因为0x0+x1++xi1, 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=sinθisinθi1=2cosθi+θi12sinθiθi12<2cosθi1sinθiθi12.

因为对x[0,π2],有sinx<x,所以有
xi<2cosθi1θiθi12=(θiθi1)cosθi1.
故得
xicosθi1<θiθi1,i=0,1,,n.
在上式两端对i1n求和,得到
(1)i=1nxicosθi1<θnθ0=π2.
θi定义知sinθi=x0+x1++xi,所以有
cosθi1=1sin2θi1=1(x0+x1++xi1)2(2)=(1+x0+x1++xi1)(xi++xn)
将(2)代入(1)即得所欲证.

\textbf{证法二.}事实上,令yi=x0+x1++xi1,则
i=1nxi1+x0+x1++xi1xi++xn=i=1nxi1+x0+x1++xi11(x0+x1++xi1)=i=1nxi1(x0+x1++xi1)2=i=1nyi+1yi1(yi)2<01dx1x2=π2.
\end{proof}

 


\begin{Example}
对任意xRnN+.求证:

(1) |k=1nsinkxk|2π;

(2) k=1n|sinkx|k|sinnx|.
\end{Example}
\begin{Proof}
(1)定理4[一致有界性] 设xR,则存在与 x无关的常数M>0使得
|k=1nsinkxk|<M,nN,x.
Motivation: 回顾不等式sintt(t0)以及
k=m+1nsinkx=12sinx2k=m+1n[cos(k+12)xcos(k12)x]=cos(m+12)xcos(n+12)x2sinx2,|k=m+1nsinkx|1|sinx2|
注意sinttt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n2πx,根据不等式 sint<t(t>0)
k=1nsinkxkk=1nkxk=nx2π<22π.

(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:
k=1nsinkxk=k=1msinkxk+k=m+1nsinkxk.
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
k=1msinkxkk=1mkxk=mx.

回顾Abel求和, 设Sn=k=1nsinkx,则
k=m+1nsinkxk=k=m+1nSkkk=m+1nSk1k=k=m+1nSkkk=mn1Skk+1=[k=m+1n1Sk(1k1k+1)]+SnnSmm+1.
根据x(0,π)以及前一定理可得
k=m+1nsinkxkk=m+1n1Sk(1k1k+1)+SnnSmm+11sinx2(1m+11n)+1sinx2(1n+1m+1)=2(m+1)sinx2.
注意当x(0,π2)时有 sinx>2xπ,所以
k=m+1nsinkxk2(m+1)sinx2<2π(m+1)x.
综上,
k=1nsinkxk<mx+2π(m+1)x<2π+2π2π=22π.

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22π.

注:稍微修改某一步, 可以把上界M变小为2π.


(2)利用第二数学归纳法,假设n=1,2,,m时,不等式都成立,则
k=1n|sinkx|k|sinnx|,n=1,2,,m.
|sin(x+y)||sinxcosy|+|cosxsiny||sinx|+|siny|可知
(m+1)(|sinx|+|sin2x|2++|sinmx|m)2k=1m|sinkx|=k=1m(|sinkx|+|sin(m+1k)x|)k=1m|sin(m+1)x|=m|sin(m+1)x|.
因此
k=1m|sinkx|kmm+1|sin(m+1)x|,

k=1m+1|sinkx|kmm+1|sin(m+1)x|+|sin(m+1)x|m+1=|sin(m+1)x|.
\end{Proof}

\begin{Example} 设$\{a_n\}$为非增的正数列,求证:若对$n\geq 2001,na_n<1$,则对任意自然数$m\geq 2001,x\in \mathbb{R}$,有$\left| \sum_{k=2001}^m{a_k\sin kx} \right|\le 1+\pi$. \end{Example}
\begin{Proof} 1 \end{Proof}

 

\begin{Example} (1981年第10届美国数学奥林匹克) Show that for any positive real $x$,\[[nx]\ge \sum_{k=1}^{n}\left(\frac{[kx]}{k}\right),\]where $[x]$ denotes the greatest integer not exceeding $x$. \end{Example}
\begin{Proof} 由Abel恒等式可知 \[ \sum_{k=1}^n{\left[ kx \right]}=\sum_{k=1}^n{k\cdot \frac{\left[ kx \right]}{k}}=n\sum_{k=1}^n{\frac{\left[ kx \right]}{k}}+\sum_{k=1}^{n-1}{\left( -1 \right) \left( \sum_{i=1}^k{\frac{\left[ ix \right]}{i}} \right)}, \] 于是 \[ n\sum_{k=1}^n{\frac{\left[ kx \right]}{k}}=\sum_{k=1}^n{\left[ kx \right]}+\sum_{k=1}^{n-1}{\left( \sum_{i=1}^k{\frac{\left[ ix \right]}{i}} \right)}. \] 事实上,利用第二数学归纳法,假设$1,2,\cdots,n-1$时,不等式都成立,由$[x]+[y]\leq [x+y]$可知 \begin{align*}  n\sum_{k=1}^n{\frac{\left[ kx \right]}{k}} &=\sum_{k=1}^n{\left[ kx \right]}+\sum_{k=1}^{n-1}{\left( \sum_{i=1}^k{\frac{\left[ ix \right]}{i}} \right)}\\  &\le \sum_{k=1}^n{\left[ kx \right]}+\sum_{k=1}^{n-1}{\left[ kx \right]}=\left[ nx \right] +2\sum_{k=1}^{n-1}{\left[ kx \right]}\\  &=\left[ nx \right] +\sum_{k=1}^{n-1}{\left( \left[ kx \right] +\left[ \left( n-k \right) x \right] \right)}\le \left[ nx \right] +\sum_{k=1}^{n-1}{\left[ nx \right]}=n\left[ nx \right]. \end{align*} 不等式左右两边同除$n$,可得 \[ \sum_{k=1}^n{\frac{\left[ kx \right]}{k}}\le \left[ nx \right]. \] \end{Proof}


\begin{Example} (2008年中国数学奥林匹克,难度: \score{4}{5})给定正整数$n$,及实数$x_1\leqslant x_2\leqslant\cdots\leqslant x_n$, $y_1\geqslant y_2\geqslant\cdots\geqslant y_n$,满足 $$\sum_{i=1}^{n}ix_i=\sum_{i=1}^{n}iy_i.$$ 证明:对任意实数$\alpha$,有 $$\sum_{i=1}^{n}x_i[i\alpha]=\sum_{i=1}^{n}y_i[i\alpha].$$ 这里, $[\beta]$表示不超过实数$\beta$的最大整数. (朱华伟提供) \end{Example}
\begin{Proof}

\end{Proof}

 

 

cos(α±β)=cosαcosβsinαsinβ可推导积化和差公式
cosαcosβ=12[cos(α+β)+cos(αβ)],sinαsinβ=12[cos(αβ)cos(α+β)].
sin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ可推导积化和差公式
sinαcosβ=12[sin(α+β)+sin(αβ)],cosαsinβ=12[sin(α+β)sin(αβ)].


利用
cosα+cosβ=cos(α+β2+αβ2)+cos(α+β2αβ2)=2cosα+β2cosαβ2.
可得


和差化积公式:
cosα+cosβ=2cosα+β2cosαβ2,cosαcosβ=2sinα+β2sinαβ2,sinα+sinβ=2sinα+β2cosαβ2,sinαsinβ=2cosα+β2sinαβ2,
其他的一些公式:
sin3α=3sinα4sin3α=4sin(60α)sinαsin(60+α),cos3α=4cos3α3cosα=4cos(60α)cosαcos(60+α),tan3α=tan(60α)tanαtan(60+α),sin2αsin2β=sin(α+β)sin(αβ),cos2αcos2β=sin(α+β)sin(αβ),asinx+bcosx=a2+b2sin(x+θ),其中tanθ=ba.

\begin{Example}%辞典三角P319 (三角等差数列求和)求证: \begin{align*} S_n &=\sin a+\sin \left( a+d \right) +\sin \left( a+2d \right) +\cdots +\sin \left( a+\left( n-1 \right) d \right) \\ &=\frac{\sin \frac{nd}{2}}{\sin \frac{d}{2}}\sin \left( a+\frac{\left( n-1 \right) d}{2} \right), \\ C_n &=\cos a+\cos \left( a+d \right) +\cos \left( a+2d \right) +\cdots +\cos \left( a+\left( n-1 \right) d \right) \\ &=\frac{\sin \frac{nd}{2}}{\sin \frac{d}{2}}\cos \left( a+\frac{\left( n-1 \right) d}{2} \right). \end{align*} \end{Example}
\begin{proof}
\textbf{证法一.}
(1)利用
2sind2sin(a+kd)=cos(a+2k12d)cos(a+2k+12d)
可得
2sind2Sn=k=0n12sind2sin(a+kd)=k=0n1[cos(a+2k12d)cos(a+2k+12d)]=cos(ad2)cos(a+2n12d)=2sinnd2sin(a+n12d).
于是
Sn=sinnd2sind2sin(a+n12d).

另一方面,
Cn=k=0n1sin(π2+a+kd)=sinnd2sind2sin(π2+a+n12d)=sinnd2sind2cos(a+n12d).

或者利用
2sind2cos(a+kd)=sin(a+2k+12d)sin(a+2k12d)
也可以.


\textbf{证法二.}注意到
Cn+iSn=k=0n1[cos(a+kd)+isin(a+kd)]=k=0n1ei(a+kd)=eia1eind1eid=(cosa+isina)1cosndisinnd1cosdisind=(cosa+isina)2sinnd2(sinnd2icosnd2)2sind2(sind2icosd2)=eiaieind2ieid2sinnd2sind2=ei(a+n12d)sinnd2sind2=sinnd2sind2[cos(a+n12d)+isin(a+n12d)].
对比等式两边的实部和虚部可得
Sn=sinnd2sind2sin(a+n12d),Cn=sinnd2sind2cos(a+n12d).
\end{proof}

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(2n1)a=sin2nasina,cosa+cos(3a)+cos(5a)++cos(2n1)a=sin(na)cos(na)sina=sin(2na)2sina.

利用
sin(2n1)a2sina=sin(2na)cosacos(2na)sina2sina
可得

若令a=0,d=2d,可得
1+cos(2d)+cos(4d)++cos(2n2)d=sinndsindcos(n1)d=sin(2n1)d+sind2sind,

sin(2n1)dsind=1+2k=1n1cos2kd,sin(2nd)sind=2k=1ncos(2k1)d.


\begin{Example} (北京市第四届大学生数学竞赛(1992年))设$f(x)$在$[0,\pi]$上连续,在$(0,\pi)$内可导,且 $$\int_{0}^{\pi}f(x)\cos xdx=\int_{0}^{\pi}f(x)\sin xdx=0,$$ 求证:存在$\xi\in (0,\pi)$,使得$f'(\xi)=0$. \end{Example}
\begin{Solution}
因为在(0,π)sinx>0,又0πf(x)sinxdx=0,由积分的保号性可知, f(x)(0,π)内必有零点.

a(0,π)f(x)(0,π)内的唯一零点,则当xa, x(0,π)时, sin(xa)f(x)必恒正或恒负(否则f(x)必另有零点),于是可推出0πf(x)sin(xa)dx0,但由已知条件可得
0πf(x)sin(xa)dx=0πf(x)(sinxcosacosxsina)dx=cosa0πf(x)sinxdxsina0πf(x)cosxdx=0
矛盾,由此可知,函数f(x)(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}

\begin{Example} 设$f(x)$是一个不恒为零实系数多项式,如果存在$n\ (\geqslant 2)$个点$x_1,x_2,\cdots,x_n\in (0,\pi)$.使 $$\sum_{k=1}^{n} f(x_k)\sin x_k=\sum_{k=1}^{n} f(x_k)\cos x_k=0.$$ 求证: $f(x)$在$(0,\pi)$内至少有两个不同的根. \end{Example}
\begin{Proof}
首先证明f(x)(0,π)内必有零点.若不然,则f(x)(0,π)内同号.因sinxk>0 (k=1,2,,n),所以
k=1nf(xk)sinxk0,
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)(0,α)中为负,而在(α,π)f(x)为正,又设
0<x1<x2<<xmα,αxm+1<xm+2<<xn<π.
sin(xiα)0, (i=1,2,,m),
sin(xjα)0, (j=m+1,m+2,,n).
且上不等式至少有一个不等号.

f(xi)sin(xiα)0,
f(xj)sin(xjα)0,至少有一个成立不等号.

所以
k=1nf(xk)sin(xkα)=i=1mf(xi)sin(xiα)+j=m+1nf(xj)sin(xjα)>0.

另一方面,由已知又有
k=1nf(xk)sin(xkα)=cosαk=1nf(xk)sinxksinαk=1nf(xk)cosxk=0.
这与上面得到的事实相矛盾,即原结论得证.
\end{Proof}

\begin{Example} 若$\int_{a}^{b}f(x)dx=\int_{a}^{b}xf(x)dx=\int_{a}^{b}x^2f(x)dx=0$,证明:存在相异的三个点使得 \[f(x_1)=f(x_2)=f(x_3)=0.\] \end{Example}
\begin{Proof}
显然f(x)(a,b)上存在零点,否则abf(x)dx0.利用反证法.设f(x)(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
ab(xl)f(x)dx=al(xl)f(x)dx+al(xl)f(x)dx>0.
这与
ab(xl)f(x)dx=abxf(x)dxlabf(x)dx=0
矛盾.

f(x)(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
ab(xm)(xn)f(x)dx=am(xm)(xn)f(x)dx+mn(xm)(xn)f(x)dx+nb(xm)(xn)f(x)dx>0,
这与
ab(xm)(xn)f(x)dx=abx2f(x)dx(m+n)abxf(x)dx+mnabf(x)dx=0
矛盾.因此f(x)(a,b)上至少有三个零点.
\end{Proof}

 

\begin{Example} 设$f\in C[a,b]$,且满足条件 $$\int_{a}^{b} x^kf(x)dx=0\quad (k=0,1,\cdots,n)$$ 证明:函数$f$在$(a,b)$内至少有$n+1$个不同的零点. \end{Example}
\begin{Proof} (谢惠民上册P316) \end{Proof}

\begin{Example} 设$f(x)=\sum_{k=0}^{n}a_{k}\cos{kx}$.其中系数$a_i(i=0,1,\cdots,n)$都是常数,且$a_{n}>|a_{0}|+|a_{1}|+\cdots+|a_{n-1}|$,证明:$f^{n}(x)$在$(0,2\pi)$内至少有$n$个零点. \end{Example}
\begin{Proof}

\end{Proof}

\begin{Example} 设函数$f$是以$2\pi$为周期的连续函数,不恒等于$0$,且 $$\int_ {-\pi}^{\pi}f(x)\sin kxdx=\int_ {-\pi}^{\pi}f(x)\cos kxdx=0,\quad k=0,1,\cdots,n.$$ 证明: $f$在任何长度大于$2\pi$的区间上至少改变符号$2n+2$次. \end{Example}
\begin{Proof}

\end{Proof}

\begin{Example}

\end{Example}
\begin{Proof}

\end{Proof}

 


 

 

\begin{Example} 给定正整数$n>1$,记$\xi_j=\cos\frac{2j\pi}{n}+i\sin\frac{2j\pi} {n}$, $j=1,2,\cdots,n$. 试计算: $$\prod_{1\leqslant j<k\leqslant n}(\xi_j-\xi_k)^2.$$ \end{Example}
\begin{Proof}
由等式
(1)xn1=(xξ1)(xξ2)(xξn)
可得
ξ1ξ2ξn=(1)n1.
对(1)求导可得
nxn1=i=1nki(xξk).
分别令x=ξ1,ξ2,,ξn可得
{nx1n1=(ξ1ξ2)(ξ1ξ3)(ξ1ξn),nx2n1=(ξ2ξ1)(ξ2ξ3)(ξ2ξn),nxnn1=(ξnξ1)(ξnξ2)(ξnξn1).
将上述式子相乘可得
nn(ξ1ξ2ξn)n1=(1)1+2++n11j<kn1(ξjξk)2=(1)n(n1)21j<kn(ξjξk)2,
因此
1j<kn(ξjξk)2=(1)(n1)(n2)2nn.

\textbf{证法二.}记z=e2πin,构造Fourier矩阵
V=(11111zz2zn11z2z4z2(n1)1zn1z2(n1)z(n1)×(n1)),
则Fourier行列式为
det(V)=0j<kn1(zkzj),
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(i,j)
V(i,j)=1+z(ij)+z2(ij)+++z(n1)(ij).
αZ,nN时,
k=1ne2πikαn=1e2πiα1e2πiαn={0, nα,n, nα.
可知在VV中仅对角线非零,为n,从而
|det(V)|=nn2.
α=eπin,z=α2,则
zkzj=α2kα2j=αk+j(αkjα(kj))=αk+j(2isinkjnπ),

det(V)=0j<kn1αk+j(2isinkjnπ)=M0j<kn1(2sinkjnπ),
其中
M=in(n+1)20j<kn1αk+j.
显然|M|=1,且sinkjnπ>0,则
0j<kn1(2sinkjnπ)=nn2.
仅需计算M的具体表达式,事实上只需计算0j<kn1(k+j).而
0j<kn1(k+j)=j=0n2k=j+1n1(k+j)=j=0n2k=j+1n1k+j=0n2k=j+1n1j=j=0n2(nj1)(nj)2+j=0n2j(nj1)=12j=0n2(n2+2nj3j2n2j)=n(n1)22,

M=in(n+1)20j<kn1αk+j=in(n+1)2αn(n1)22=in(n+1)2eπinn(n1)22=in(n+1)2+(n1)2=i(n1)(3n2)2.
最终得到
det(V)=i(n1)(3n2)2nn2,1j<kn(ξjξk)2=(1)(n1)(n2)2nn.
\end{Proof}


\begin{Example} (1997, 2000年国家集训队测试)给定正整数$n>1$,记$\xi_j=\cos\frac{2j\pi}{n}+i\sin\frac{2j\pi} {n}$, $j=1,2,\cdots,n-1$. 试计算: $$\prod_{1\leqslant j<k\leqslant n-1}(\xi_j-\xi_k)^2.$$ \end{Example}

\begin{Proof} 注意到$\xi_n=1$,且 $$ \prod_{1\leqslant j\leqslant n-1}{\left( \xi _j-\xi _n \right) ^2}=\left[ \left( \xi _n-\xi _1 \right) \left( \xi _n-\xi _2 \right) \cdots \left( \xi _n-\xi _{n-1} \right) \right] ^2=n^2, $$ 因此 $$ \prod_{1\leqslant j\leqslant n-1}{\left( \xi _j-\xi _n \right) ^2}=\frac{1}{n^2}\prod_{1\leqslant j<k\leqslant n}{\left( \xi _j-\xi _k \right) ^2}=\left( -1 \right) ^{\frac{\left( n-1 \right) \left( n-2 \right)}{2}}n^{n-2}. $$ \end{Proof}

 

\begin{Example} 证明: $$I=\iint_{0<x<y<\pi}\ln |\sin (x-y)|dxdy=-\frac{1}{2}\pi^2\ln 2.$$ \end{Example}
\begin{proof} 由上述证明可知 $$ \prod_{0\leqslant j<k\leqslant n-1}{\left( 2\sin \frac{k-j}{n}\pi \right) ^2}=n^n. $$ 取对数可得 $$ 2\sum_{0\leqslant j<k\leqslant n-1}{\ln 2}+2\sum_{0\leqslant j<k\leqslant n-1}{\ln \left| \sin \frac{k-j}{n}\pi \right|}=n\ln n. $$ 以$\frac{\pi^2}{n^2}$乘上式可得 $$ \frac{\pi ^2}{n^2}\sum_{0\leqslant j<k\leqslant n-1}{\ln \left| \sin \left( \frac{j\pi}{n}-\frac{k\pi}{n} \right) \right|}=\frac{\pi ^2}{2n}\ln n-\frac{\left( n-1 \right) \pi ^2}{2n}\ln 2. $$ 令$n\to\infty$可得 $$ \iint_{0<x<y<\pi}{\ln \left| \sin \left( x-y \right) \right|dxdy}=-\frac{1}{2}\pi ^2\ln 2. $$ \end{proof}

 

 

\begin{Example} $$\sum_{n=-\infty}^{\infty}\frac{1}{(n+x)^2} =\frac{\pi^2}{\sin^2(\pi x)}.$$ \end{Example}
\begin{proof}

\end{proof}


\begin{Example} 设正整数$n>2$, $\alpha_1,\alpha_2,\cdots,\alpha_n \in\mathbb{R}$,求$\sum_{1\leqslant i<j\leqslant n}\cos^2(\alpha_i-\alpha_j)$的最小值. \end{Example}
\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}


\begin{Example} 设数列$a_0,a_1,\cdots,a_n$满足$a_0=\frac{1}{2},a_{k+1}=a_k+\frac{1}{n}a_k^2$ ($k=1,2,\cdots,n$),其中$n$是一个给定的正整数.试证: $1-\frac{1}{n}<a_n<1$. \end{Example}
\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}

 


\begin{Example} 设数列$a_1,a_2,\cdots$的每一项都是正整数,且$a_1=1,a_k<1+a_1+a_2+\cdots+a_{k-1}$ ($k>1$). 试证:所有的正整数都可以表成这个数列的若干项之和. \end{Example}
\begin{proof}

\end{proof}

 


\begin{Example} 设正整数$a_0<a_1<\cdots<a_n$,证明 $$\frac{1}{[a_0,a_1]}+\frac{1}{[a_1,a_2]}+\cdots +\frac{1}{[a_{n-1},a_n]}\leqslant 1-\frac{1}{2^n},$$ 其中$[a,b]$表示$a$与$b$的最小公倍数. \end{Example}
\begin{proof}

\end{proof}

 

\begin{Example}
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<k1;

(2) a1a2+a2a3++akak+1<k1987.
\end{Example}
\begin{proof}

\end{proof}

 

\begin{Example} 设$p>1,a_i\geqslant 0$ ($i=1,2,\cdots,n$).求证: $$ \sum_{k=1}^n{\left( \frac{a_1+a_2+\cdots +a_k}{k} \right) ^p}\leqslant \left( \frac{p}{p-1} \right) ^p\sum_{k=1}^n{a_{k}^{p}}, $$ 等号仅当所有的$a_k=0$时成立. \end{Example}
\begin{proof}

\end{proof}

 

\begin{Example} 给定$13$个不同的实数$a_1,a_2,\cdots,a_{13}$.求证:其中至少有两个$a_i,a_j$ ($i\neq j$)满足 $$0<\frac{a_i-a_j}{1+a_ia_j} <\sqrt{\frac{2-\sqrt{3}}{2+\sqrt{3}}}.$$ \end{Example}
\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}


\begin{Example} (1997, 2000年国家集训队测试)给定正整数$n>1$,记$\xi_j=\cos\frac{2j\pi}{n}+i\sin\frac{2j\pi} {n}$, $j=1,2,\cdots,n-1$. 试计算: $$\prod_{1\leqslant j<k\leqslant n-1}(\xi_j-\xi_k)^2.$$ \end{Example}
\begin{Proof}

\end{Proof}

 

\begin{Example} 设$p=4k+3$是质数($k>1$),约定记$\omega=\cos\frac{2\pi}{p} +i\sin\frac{2\pi}{p}$.考察复数$\beta=\sum_{j=1}^{\frac{p-1}{2}}\omega^{j^2}$,试求这复数的模$|\beta|$. \end{Example}
\begin{Proof}

\end{Proof}

\begin{Example} 设函数$f(x)$对$(0,1)$中任意有理数$p,q$有$f\left(\frac{p+q}{2}\right)\leqslant \frac{1}{2}[f(p)+f(q)]$.求证:对所有有理数$\lambda,x_1,x_2\in (0,1)$,有 $f(\lambda x_1+(1-\lambda)x_2)\leqslant \lambda f(x_1)+(1-\lambda)f(x_2)$. \end{Example}
\begin{Proof}

\end{Proof}

\begin{Example} (1996年国家集训队测试)设$P(x)=\sum_{i=0}^na_ix^i(1-x)^{n-i}$,且 $a_0+\sum_{a_i<0}\left(1-\frac{i}{n}\right)a_i>0$ 与$a_n+\sum_{a_i<0}\frac{i}{n}a_i>0$同时成,这里$\sum_{a_i<0}$表示对一切负系数$a_i$求和,求证: $P(x)>0$对$x\in [0,1]$成立. \end{Example}
\begin{Proof}

\end{Proof}


\begin{Example}
(1993年国家集训队测试)已知a1=a2=13,
an=(12an2)an122an124an2an12+an2,n=3,4,5,

(1)求数列{an}的通项公式.

(2)证明1an2是整数的平方.
\end{Example}
\begin{Proof}

\end{Proof}

 

\begin{Example} (2002年国家集训队测试)已知$a_1=1,a_2=5,a_{n+1}=\frac{a_na_{n-1}}{\sqrt{a_n^2+a_{n-1}^2+1}}$,求$\{a_n\}$的通项公式. \end{Example}
\begin{Proof}

\end{Proof}

 

\begin{Example} 设$\displaystyle p(x)=\sum_{i=0}^{n}C_{n}^{i}a_{i}x^{i}(1-x)^{n-i}$,若$\displaystyle a_{0}+\sum_{a_{i}<0}\left(1-\frac{i}{n}\right)C_{n}^{i}a_{i}>0$, 且$\displaystyle a_{n}+\sum_{a_{i}<0}C_{n}^{i}\cdot\frac{i}{n}\cdot a_{i}>0 $,求证:$\forall x\in[0,1]$,有$p(x)>0$. \end{Example}
\begin{Proof} 由Weight-AM-GM,有 \[ \left(1-\frac{i}{n}\right)(1-x)^{n}+\frac{i}{n}x^{n}\geq (1-x)^{n-i}x^{i} \] 这时对$p(x)$,有 \begin{align*}  p(x)&=\sum_{i=0}^{n}C_{n}^{i}a_{i}x^{i}(1-x)^{n-i}\\ &=a_{0}(1-x)^{n}+a_{n}x^{n}+\sum_{i=1}^{n-1}C_{n}^{i}a_{i}x^{i}(1-x)^{n-i}\\ &\geq a_{0}(1-x)^{n}+a_{n}x^{n}+\sum_{a_{i}<0}C_{n}^{i}a_{i}x^{i}(1-x)^{n-i}\\ &\geq a_{0}(1-x)^{n}+ a_{n}x^{n}+\sum_{a_{i}<0}C_{n}^{i}a_{i}\left[\left(1-\frac{i}{n}\right)(1-x)^{n}+\frac{i}{n}x^{n} \right]\\ &=(1-x)^{n}\left[a_{0}+\sum_{a_{i}<0}\left(1-\frac{i}{n}\right)C_{n}^{i}a_{i}\right]+x^{n}\left[a_{n}+\sum_{a_{i}<0}C_{n}^{i}\cdot\frac{i}{n}\cdot a_{i}\right]\\ &>0 \end{align*} \end{Proof}

Vo Quoc Ba Can的一个漂亮的引理:


\begin{Example} For all postive real numbers $a_{1},a_{2},\cdots,a_{n}$,the following inequality holds \[ \sum_{k=1}^{n}{a^{\frac{k}{k+1}}_{k}}\leq \sum_{k=1}^{n}{a_{k}}+\sqrt{\frac{2(\pi^2-3)}{9}\sum_{k=1}^{n}{a_{k}}} \] \end{Example}
\begin{Proof} We begin with a preliminary result.\\ \textbf{Lemma}.If \[ m_{k}=\left\{ \begin{array}{ll} 1, & \hbox{if \ $k=1$;} \\ 2\sqrt{\frac{(k-1)^{k-1}}{(k+1)^{k+1}}}, & \hbox{if \ $k>1$ .} \end{array} \right. \] then \[ a_{k}^{\frac{k}{k+1}}\leq a_{k}+m_{k}\sqrt{a_{k}} \] Proof,If $k=1$,this is trivially true.Otherwise,if $k>1$,the inequality can be written as \[ a_{k}^{\frac{k}{k+1}}\left(1-a^{\frac{1}{k+1}}_{k} \right)\leq m_{k}\sqrt{a_{k}} \] For the nontrivial case $0<a_{k}<1$,this inequality is equivalent to \[ a^{\frac{k-1}{k+1}}_{k}\left(1-a^{\frac{1}{k+1}}_{k} \right)^{2}\leq m^{2}_{k} \] To prove it,we use the AM-GM Inequality,as follows\\ \begin{align*} a^{\frac{k-1}{k+1}}_{k}\left(1-a^{\frac{1}{k+1}}_{k}\right)^{2} &=4(k-1)^{k-1}\left(\frac{a^{\frac{1}{k+1}}_{k}}{k-1}\right)^{k-1}\left(\frac{1-a^{\frac{1}{k+1}}_{k}}{2}\right)^{2}\\ &\leq4(k-1)^{k-1}\left[\frac{(k-1)\left(\frac{a^{\frac{1}{k+1}}_{k}}{k-1}\right)+2\left(\frac{1-a^{\frac{1}{k+1}}_{k}}{2}\right)}{k+1}\right]^{k+1}\\ &=\frac{4(k-1)^{k-1}}{(k+1)^{k+1}}\\ &=m^{2}_{k} \end{align*} and so the lemma is proved.\\ Returning to our problem,we see that it suffices to show that \[ \sum_{k=1}^{n}{m_{k}\sqrt{a_{k}}}\leq \sqrt{\frac{2(\pi^2-3)}{9}\sum_{k=1}^{n}{a_{k}}}\] But the \emph{Cauchy-Schwarz} Inequality gives us that \[ \sum_{k=1}^{n}{m_{k}\sqrt{a_{k}}}\leq \sqrt{\left(\sum_{k=1}^{n}{m^{2}_{k}}\right)\left(\sum_{k=1}^{n}a_{k}\right)}\] So,it remains to prove that \[ \sum_{k=1}^{n}{m^{2}_{k}}\leq \frac{2(\pi^2-3)}{9}\] or \[ \frac{1}{4}+\sum_{k=2}^{n}{\frac{(k-1)^{k-1}}{(k+1)^{k+1}}}\leq \frac{\pi^2}{18}-\frac{1}{6}\] Now,because \[ \frac{(k+1)^{k+1}}{(k-1)^{k-1}}=(k+1)^{2}\left(\frac{k+1}{k-1}\right)^{k-1}=(k+1)^2\left(1+\frac{2}{k-1}\right)^{k-1}\] \emph{Bernoulli's} Inequality yields \[ \frac{(k+1)^{k+1}}{(k-1)^{k-1}}\geq 3(k+1)^{2} \] and thus \[ \frac{1}{4}+\sum_{k=2}^{n}{\frac{(k-1)^{k-1}}{(k+1)^{k+1}}}\leq \frac{1}{4}+\frac{1}{3}\sum_{k=2}^{n}{\frac{1}{(k+1)^{2}}}=\frac{1}{3}\sum_{k=1}^{n+1}{\frac{1}{k^2}}-\frac{1}{6}\] On the other hand \[ \lim_{n\rightarrow \infty}{\left(1+\frac{1}{2^2}+\cdots+\frac{1}{n^2}\right)}=\zeta{(2)}=\frac{\pi^2}{6}\] and therefore it follows that \[ \frac{1}{4}+\sum_{k=2}^{n}{\frac{(k-1)^{k-1}}{(k+1)^{k+1}}}\leq \frac{\pi^2}{18}-\frac{1}{6}\] which finishes our proof.Notice also that equality does not occur. \end{Proof}

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