棣莫佛公式和一道高考数学题的求解

今天翻看《什么是数学》,第111页提到棣莫佛公式“是初等数学中最引人注目并且最有用的关系式”,突然想到其实可以用它来证明2010年江苏高考数学卷最后一题。

这道高考题是令人闻风丧胆的葛军出的,题目如下:

已知\triangle ABC的三边长都是有理数。

1.求证:\cos A是有理数。

2.求证:对于任意正整数n,\cos nA是有理数。

第1问用余弦定理可轻松得证。
第2问按出题意图不难想到可以用数学归纳法来做。利用和角公式以及积化和差公式,将\cos A写成\cos (n-1)A的有理运算结果,注意这里有一个小障碍,会出现 \cos (n-2)A的项,但\cos 2A也是有理数是很容易证明的。

以上是高考生比较标准的解法。下面利用棣莫佛公式来直接证明第2问。

由公式:
(\cos A + i\sin A)^n=\cos nA + i\sin nA

考察n=3的情况,利用二项式公式展开左边,可以得到关系式:
\cos 3A + i\sin 3A = \cos^3 A - 3\cos \sin^2 A + i(3\cos^2 A \sin^3 A)

两个复数之间这样的等式相当于实数之间的一对等式,因此有:
\cos 3A=\cos^3 A - 3\cos \sin^2 A

又根据:
\sin^2 A + \cos^2 A = 1
可以消去\sin^2A,得到:
\cos 3A=4\cos^3 A - 3\cos A

右边是\cos A经过有理运算得到的结果,当\cos A是有理数时,它还是有理数。因此可知\cos 3A也是有理数。

不难看出,对于任意n,把二项式展开后,所有带有 \sin A的项,如果系数是偶数,则会成为实部的子项,如果是奇数,则会成为虚部的子项。因为\sin^{2m} A=(1-\cos^2 A)^m,因此,实部 \cos nA总能写成\cos^2 A有理运算的式子,即\cos nA为有理数。

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