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《数学女孩》3.3 ω

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“接下来,再给你出道题。”米尔嘉说。

问题 3-3

将以下数列的通项 cnn 来表示。

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“这个数列是什么?”我问道。

“嗯?你还不知道啊?”在说这话时,她带着一种轻视嘲讽的语气。她直白地表露出,她实在是太吃惊了。她那种口气就仿佛在说:“你连自己的右手上有 5 个手指头都不知道吗?”

看到她这么吃惊,我感到很丢脸,但我也顾不上这些了,忍着将话题重新拉回到数学上。

“1, , 这 3 项循环出现——这样回答是不是很没意思啊?”我注视着米尔嘉的面部表情。

“确实是没有意思。你没能解开谜底,没看透其背后的结构,根本就没有抓住问题的本质。”她泼了我一盆冷水。

“那么,这个数列的本质到底是什么呀?”我问道。

“本质当然就是看 1, , 这 3 项到底有什么规律喽。但你并没有发现。这样,我们用观察数列的常用方法来做做看。”米尔嘉说。

“观察数列的常用方法……先来看看阶差数列吧。”我在练习本上算起来。

对于数列 ,我们可以考虑以下数列 。

按照 的顺序依次计算,求出 。

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嗯,我现在一点都不知道呢。

“怎么样?”米尔嘉穷追不舍。如果马上就能求出解,胜利的曙光就在眼前的话,我会急于往下算。但我现在还正值摸索阶段,不能着急不能慌张。

“我还是不明白。”我老老实实地回答。

“那是因为你观察数列时只会运用阶差数列这个常用方法吧。”她笑着对我说。

“要是不求两项的差,剩下的只有求两项的比这个方法了吧?”我问。

“那你快做啊。”

好吧好吧……对于 这个数列,因为 cn 不可能为 0,所以不用担心分母为 0 时分式无意义的情况。计算后得……

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“啊 !”整个 数列全都是 这一项,我不禁大吃一惊。

“有什么好吃惊的?”她问。

“你看,取了前后两个数的比后得到的商是相同的。”

“这倒是。数列 是首项 c0 为 1、公比为 的等比数列。其实就是 这 3 项中任意一项的 3 次方都是 1。也就是说,这 3 项都满足一元三次方程式 x3 = 1。”

“满足方程 x3 = 1 啊?”

“是啊。x3 = 1 是个一元三次方程,满足此方程的复数有 3 个。你知道怎么解这个方程吗?”米尔嘉问我。

“嗯,我想我应该会。因为我知道 x = 1 是这个方程的一个解,然后提取(x - 1)这个公因式就可以了。”

“接着呢?”米尔嘉问。

“接下来要解 x2 + x +1 = 0 这个方程式。一元二次方程 ax2 + bx + c = 0 的求解公式为 ,使用这个求解公式就可以了。”我边说边计算着。

听了我的解释,米尔嘉点了点头。

“是啊。那现在先将 定义为 ω。”

ω2 和 相等。”

“1 连续和几个 ω 相乘后,就形成以下数列。”

“因为 ω3 = 1,所以这个数列又可以写成以下形式。”

“也就是说, 这个数列就恰巧是数列 ,那么将 这 3 个数在复数平面上表示看看。快快快 !”米尔嘉好像很兴奋。

“哇 ! 这图是不是正三角形啊?”我问。

“从数列的周期性联想到圆是很自然的,根据循环重复的道理求出图形是圆也是很自然的。那些把这组数列看成是实数轴上的数字的人会认为这些数字只是在‘振动’,但如果能把这组数列看成是复数平面上的点的话,就会发现这些数字是在‘旋转’,进而能够发现这个图形的结构。对吧?”她问。

解答 3-3

这里令

米尔嘉的脸颊有点微微泛红,舌头也开始打结:“到现在为止,我们讨论了 4 等分点和正方形、3 等分点和正三角形。如果将其一般化,也就是关于 n 等分点和正 n 边形的问题。这就和棣莫弗定理息息相关了。”

棣莫弗定理

“棣莫弗定理的主要内容就是‘复数 cosθ + i sinθn 次方是 cos θ + i sin ’。从图形的角度来说,棣莫弗定理主要说的就是‘单位圆上的角 θ 反复旋转 n 次后其实就是转了 ’。透过数学公式,我们应该能够看到单位圆上点的旋转。”米尔嘉看着我,用手指画了个圆。

“在棣莫弗定理中,如果 n = 2,立刻就能推导出倍角公式。”

“接下来只需将两边的实部和虚部分别画上等号即可。”米尔嘉继续说。

“好了,这就是倍角公式了。”米尔嘉说。

“你不是玩过 θ 在矩阵中的旋转变化吗?反正是玩,不如将旋转的点画成图形,当作三角函数看,或者再到复数数列里变化看看,这样更好玩吧 !”她说。

我完全败在了米尔嘉的手下,什么话都说不出来。

“你从 ω3 = 1 这一点就能看出这是单位圆的三等分点了吧;你也能看出 这个偏角、复数平面上的正三角形,以及由 ω 产生的三拍转一圈的旋转了吧;你还能看到 1, ω, ω2 这三个小人在复数平面中舞蹈了吧。”米尔嘉一口气说完。

“你看到 ω 跳的华尔兹了吗?”她嫣然一笑。