【附】为方便编辑,特附“纯文本”如下。另外,文末提供有PPT照片版。

跃峰奥数PPT1代数组合1-6(研究特例特征迁移之函数结构)

【代数1-6】给定n∈N+,k∈Z,令x=kπ/2n,Xn={cos2x,cos22x,cos23x,…,cos2nx}。对Xn的任何非空子集A,令T(A)是A中所有数之积,求S=Σ┬(A⊆X_n )⁡〖T(A)〗。(冯跃峰编题)

【题感】从目标看,一般情形难于计算,“求和”很复杂,也不易理解,不妨从特例开始。这既有助于理解题意,也能帮助我们发现规律。

【研究特例】先考虑n=3的情形,此时X3={ cos2x,cos22x,cos23x}的所有子集为:{ cos2x},{ cos22x},{ cos23x},{ cos2x,cos22x},{ cos2x,cos23x},{ cos22x,cos23x},{ cos2x,cos22x,cos23x}。于是,

S=Σ┬(A⊆X_3 )⁡〖T(A)〗=cos2x+cos22x+cos23x+cos2xcos23x+ cos2xcos23x+ cos22xcos23x+ cos2xcos22xcos23x。

具体数字有时反而会干扰思维,将其用字母表示更能显露一般性。

这里,可用a、b、c分别代替cos2x、cos22x、cos23x。

【同构问题】考察S=Σ┬(A⊆X_3 )⁡〖T(A)〗=a+b+c+a×b+a×c+b×c+a×b×c。

如果你熟悉多项式运算,则马上发现它是我们的老朋友。即使一下没有发现,将每一项配齐为“三个因子之积”后,即可发现特殊的运算结构。

【配齐】S=1×1×a+1×1×b+1×1×c+1×a×b+1×a×c+1×b×c+a×b×c。

由此,你发现了什么?

【结构联想】由多项式乘法法则,容易发现:S=(1+a)(1+b)(1+c)-1。

多个多项式,不能采用中学介绍的逐一相乘方式,而要采用“代表项”求和的方式。

一般地,(a1+b1)(a2+b2)…(an+bn)=Σ代表项(f1f2…fn)=Σ┬(f_i∈{a_i,b_i}@1≤i≤n)⁡〖f_1 f_2…f_n 〗。(*)

在(*)式中令bi=1,得(a1+1)(a2+1)…(an+1)=Σ┬(f_i∈{a_i,1}@1≤i≤n)⁡〖f_1 f_2…f_n 〗。

现在只需建立当前“求和”代表项:f1f2…fn与题目中“求和”代表项:T(A)(A⊆X_n)之间的联系。

(1)当所有fi=1时,f1f2…fn=1;

(2)当所有t(1≤t≤n)个i,使fi=ai时,

Σ┬(〖t个i使f〗_i=a_i@1≤i≤n)⁡〖f_1 f_2…f_n 〗=Σ┬(1≤i_1

Σ┬(A⊆X_n )⁡〖T(A)〗=∑_(t=1)^nΣ┬(|A|=t,A⊆X_n )⁡〖T(A)〗 =(a1+1)(a2+1)…(an+1)-1。

上面的表述比较繁琐,引入辅助函数,则可使表述简单规范。先从n=3入手。

基本想法:将运算结果“(1+a)(1+b)(1+c)-1”看成是某个函数在x=1时的函数值,想到构造相应的多项式函数f(x)。进而通过函数运算,建立f(x)与S=Σ┬(A⊆X_n )⁡〖T(A)〗的联系。

【函数观点】构造多项式函数:f(x)=(x+a)(x+b)(x+c)-1。

为建立f(x)与S=Σ┬(A⊆X_3 )⁡〖T(A)〗的联系,先将多项式展开,产生所需要的T(A)(A⊆X_3)。

展开,得

f(x)=x3+(a+b+c)x2+(a×b+a×c+b×c)x+ a×b×c-1。

其中a+b+c= T(A)(|A|=1,A⊆X_3),

a×b+a×c+b×c= T(A)(|A|=2,A⊆X_3),

a×b×c= T(A)(|A|=3,A⊆X_3),于是,

f(x)=x3+Σ┬(|A|=1,A⊆X_3 )⁡〖T(A)〗x3-|A|+Σ┬(|A|=2,A⊆X_3 )⁡〖T(A)〗x3-|A|+Σ┬(|A|=3,A⊆X_3 )⁡〖T(A)〗x3-|A|-1

=x3-1+Σ┬(A⊆X_3 )⁡〖T(A)〗x3-|A|。

令x=1,得(1+a)(1+b)(1+c)-1=Σ┬(A⊆X_3 )⁡〖T(A)〗。

将之直接推广到一般情形,便得原题解答(平凡推广)。

【结构特征迁移】对Xn={a1,a2,…,an},

令f(x)=(xn-1) +Σ┬(A⊆X_n )⁡〖T(A)〗xn-|A|。

为建立f(x)与S=Σ┬(A⊆X_n )⁡〖T(A)〗的联系,先将多项式展开,产生所需要的T(A)(A⊆X_n)。

【化简】按|A|的取值分类展开,得

f(x)=(xn-1)+(a1+a2+…+an)xn-1+xn-2Σ┬(1≤i

+xn-3Σ┬(1≤i

由多项式乘法法则,得

f(x)=(x+a1)(x+a2)(x+a3)…(x+an)-1。

以上实际上就是我们在初中阶段就“烂熟于心”的代数变形:先化简,后求值。

【解答原题】取ai= cos2ix,则S=Σ┬(A⊆X_n )⁡〖T(A)〗= f(1)

=(1+a1)(1+a2)(1+a3)…(1+an)-1= ∏_(i=1)^n〖(1+cos2^i x)〗-1

= ∏_(i=1)^n〖2cos^2 〖(2〗^(i-1) x)〗-1(倍角公式)=2n(∏_(i=1)^n〖cos2^(i-1) x〗)2-1(分离常数)。

对于∏_(i=1)^n〖cos2^(i-1) x〗,是典型的计算问题,采用“倍角配偶”即可。

【倍角配偶】cosxcos2xcos22xcos23x…cos2n-1x

= (sinxcosxcos2xcos2^2 xcos2^3 x…cos2^(n-1) x)/sinx 。

以上运算“合法”吗?注意x=kπ/2n,sinx可能为0,先应处理这一特款,代数变形中要特别注意出现“0”,切忌“先斩后凑”。

当sinx=0时,kπ/2n=x=tπ,此时k/2n=t,即2n|k,以此为标准分类讨论。

(1)当2n|k时,令k=2nt,则x=kπ/2n=tπ,cos2i-1x=±1,(∏_(i=1)^n〖cos2^(i-1) x〗)2=1,此时S=2n-1;

(2)当2n∤k时,S=2n((2^n sinx∏_(i=1)^n〖cos2^(i-1) x〗)/(2^n sinx))2-1=2n((sin2^n x)/(2^n sinx))2-1= ((sin2^n x)^2)/(2^n 〖sin〗^2 x)-1=-1。

【注】上述母函数f(x)=(xn-1) +Σ┬(A⊆X_n )⁡〖T(A)〗xn-|A|中,若将“减数1”换成xn,结论同样成立,此时母函数的表现形式更简单:

f(x)=(x+a1)(x+a2)(x+a3)…(x+an)-xn =Σ┬(A⊆X_n )⁡〖T(A)〗 xn-|A|。

【新写】对Xn={a1,a2,…,an},令f(x)=(xn-1) +Σ┬(A⊆X_n )⁡〖T(A)〗xn-|A|

= (xn-1)+(a1+a2+…+an)xn-1+xn-2Σ┬(1≤i

+xn-3Σ┬(1≤i

=(x+a1)(x+a2)(x+a3)…(x+an)-1,

取ai= cos2ix,则S=Σ┬(A⊆X_n )⁡〖T(A)〗= f(1)

=(1+a1)(1+a2)(1+a3)…(1+an)-1= ∏_(i=1)^n〖(1+cos2^i x)〗-1

= ∏_(i=1)^n〖2cos^2 〖(2〗^(i-1) x)〗-1=2n(∏_(i=1)^n〖cos2^(i-1) x〗)2-1。

当2n|k时,令k=2nt,则x=kπ/2n=tπ,cos2i-1x=±1,此时S=2n-1;

当2n∤k时,S=2n((2^n sinx∏_(i=1)^n〖cos2^(i-1) x〗)/(2^n sinx))2-1=2n((sin2^n x)/(2^n sinx))2-1= ((sin2^n x)^2)/(2^n 〖sin〗^2 x)-1=-1。

注:上述母函数中将“减数1”换成xn,结论同样成立,此时母函数的表现形式更简单:

f(x)=(x+a1)(x+a2)(x+a3)…(x+an)-xn =Σ┬(A⊆X_n )⁡〖T(A)〗 xn-|A|。