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:
已知的三边长都是有理数。
1.求证:是有理数。
2.求证:对于任意正整数是有理数。
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,将写成的有理运算结果,注意这里有一个小障碍,会出现 的项,但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:
考察的情况,利用二项式公式展开左边,可以得到关系式:
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:
又根据:
可以消去,得到:
右边是经过有理运算得到的结果,当是有理数时,它还是有理数。因此可知也是有理数。
不难看出,对于任意,把二项式展开后,所有带有 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,因此,实部 总能写成有理运算的式子,即为有理数。
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