作者znmkhxrw (QQ)
看板Math
标题[中学] 请问一个化简为常数函数
时间Sat Apr 29 07:54:21 2023
如题, 我观察到对任何正整数p, 任何正整数N>=(p+1), 都会有:
N-1 nπ
Σ (cos(x-──))^(2p) = constant, denpending on p and N
n=0 N
如图
https://www.desmos.com/calculator/var1czvemp
我想知道这个常数是什麽
自己化简时如果把cos(x-(nπ)/N)拆成cos*cos+sin*sin, 之後光是2p次方就很头痛
而如果把(cos(x-(nπ)/N))^(2p)写成(1-(sin(x-(nπ)/N))^2)^p, 好像也没啥帮助
而如果用e^ix取等比级数再取实部这招, 只能适用於p=0.5
我猜motivation应就是从p=1中, sin^2+cos^2=1 而来的
完全不知道怎麽化简...
谢谢帮忙~
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这个问题的一般式就是
Σ_{n=0~N-1} (cos(a+nd))^q, d!=0, q正整数, a,d任意实数
我尝试用cos^q(x) = ((1/2)*(e^(ix)+e^(-ix)))^q 然後做二项式定理
然後再用级数交换与等比级数, 最後导到:
https://www.desmos.com/calculator/horz48lm0b
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※ 编辑: znmkhxrw (59.102.225.191 台湾), 04/29/2023 08:18:14
※ 编辑: znmkhxrw (59.102.225.191 台湾), 04/29/2023 08:24:07
※ 编辑: znmkhxrw (59.102.225.191 台湾), 04/29/2023 09:21:25
1F:推 LPH66 : 叫 Mathematica 直接对小的 N p 展开的结果是 04/29 11:28
3F:→ LPH66 : 下面那条是我观察结果猜的通式, 不知道对不对就是 04/29 11:29
4F:→ LPH66 : (k!! 是跳 2 的阶乘, 也就是那个乘项其实是 04/29 11:29
5F:→ LPH66 : (1/2)(3/4)(5/6)...((2p-1)/(2p)) 这个连乘积 04/29 11:30
6F:→ LPH66 : 或者另一个长相是这样 04/29 11:33
嗨L大, 我之後也是用猜的哈哈, 我上面的连结中q偶数的话, m=q/2会有这一项跑出来
https://i.imgur.com/aJje1ZQ.jpg
而当时我就是不会化简前面, 果断猜测他会自己左右消掉, 果然模拟起来这个常数
就是 N*C(q,q/2)*(1/2^q)
8F:推 Vulpix : 应该没错吧,我晚点回家查查「神奇的复数」XD然後 04/29 12:42
9F:→ Vulpix : 我不是wayne…… 04/29 12:42
10F:→ musicbox810 : 他好久没出现了 04/29 12:48
11F:推 Vulpix : 证明大概是要用分部和分。可是真的好容易算错。 04/29 17:23
我没找到左右相消的契机...好难算QQ
12F:推 LimSinE : 先证答案与x无关,原式对x积分[0,2pi]即可求值 04/29 18:59
这很酷欸!! 单纯要找值的话
我一开始是想说我只要找x=0就可以知道常数, 可是x=0跟general x卡的点根本一样XD
因为难处就是那个次方QQ
13F:推 Vulpix : 推楼上,这样舒服多了。不过我还是想尝试硬爆! 04/29 20:37
14F:→ Vulpix : 就是完全模仿那个分部积分的过程来算。 04/29 20:38
15F:→ musicbox810 : 怎麽证答案与x无关? 04/29 22:00
要证明微分等於0就遇到更恐怖的次方相加, 我也没试这条路了XD
还是硬着头皮化简感觉比较有机会
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谢谢大家讨论, 我目前更general的模拟结果是:
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令 S_c = Σ_{n=0~N-1} (cos(a+nd))^q
S_s = Σ_{n=0~N-1} (sin(a+nd))^q
则 对於任何实数a, 偶数q, 正整数N, d = kπ/N, 且k是不被N/2整除的整数
我们都有 S_c = S_s = (N/2^q)*C(q, q/2)
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也就是说只有特殊的d跟q才可以让 m<q/2 跟 m>q/2 那两坨相消
而这个结果应该可以仿造下篇H大的方式证出来, 只是要多处理k
(原本问题相当於k=1, 总不被N/2整除)
等哪天闲闲的再去搞那坨分式吧XDDD
不过这结果好像也有点合理, 因为k=1的话刚好让(cos(x))^2p刚好加满一个周期π
其他的d值感觉就有但书了, 会多其他项不意外(?
谢谢大家~
※ 编辑: znmkhxrw (59.102.225.191 台湾), 04/30/2023 13:45:41
16F:推 Vulpix : 次方相加无所谓,你做一下傅立叶级数就知道他们和 04/30 13:52
17F:→ Vulpix : 还是0。 04/30 13:52
18F:→ znmkhxrw : 了解~谢谢V大 05/02 11:01