2022 年国庆小记

前言

这篇文章最初写于 2022 年 10 月 1 日。2023 年 9 月 24 日初次改写为博文。

过程不太严谨,但一定程度上反映了我的思考。只进行了部分格式修正以适应博文格式,未进行内容的修改。

VSCode 正则表达式正向转换数学分隔符
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一道取巧的三角函数题

3tan⁡2θ+2tan⁡3θ=tan⁡5θ3 \tan 2 \theta + 2 \tan 3 \theta = \tan 5 \theta,求 tan⁡θ\tan \theta

这个题是在上物理课时想出来的。

首先 tan⁡θ1=0\tan\theta_1 = 0 时成立。接下来讨论 tan⁡θ≠0\tan\theta \ne 0 的情况

记 m=tan⁡2θ, n=tan⁡3θ, t=tan⁡θm = \tan 2 \theta,\,n = \tan 3 \theta,\,t = \tan \theta,根据三角恒等变换有

{m=2t1−t2n=m+t1−mt3m+2n=m+n1−mn\begin{cases} m = \dfrac{2t}{1-t^2}\\ n = \dfrac{m + t}{1-mt}\\ 3m + 2n = \dfrac{m + n}{1 - mn} \end{cases}

消去 m, nm,\,n 有 7t8−116t6+266t4−116t2+7=07t^8 -116t^6 + 266t^4 - 116t^2 + 7 = 0

记 k=t2>0k = t^2 > 0,原式   ⟺  \iff

(k−7−43)(k−7+43)(7k−9−42)(7k−9+42)=0\bcancel{\left(k - 7 - 4 \sqrt{3}\right)\left(k - 7 + 4 \sqrt{3}\right)\left(7k - 9 -4 \sqrt{2}\right)\left(7k - 9 + 4 \sqrt{2}\right) = 0}

其实这个因式分解我是靠猜根 + 计算器验证弄出来的。首先因为这是我在物理课想出来的,因此肯定是个特殊角,我们熟知 tan⁡75°=2+3, tan⁡30°=33, tan⁡45°=1\tan 75 \degree = 2 + \sqrt{3},\,\tan 30 \degree = \dfrac{\sqrt{3}}{3},\,\tan 45 \degree = 1,因此有 2tan⁡45°+3tan⁡30°=tan⁡75°2 \tan 45 \degree + 3 \tan 30 \degree = \tan 75 \degree ,那么其中一解为 tan⁡15°=2−3\tan 15 \degree = 2 - \sqrt{3},再大胆猜测结论反推得出共轭根式也满足,剩下两部分就是普通的二次方程,凑系数即可(但我还是靠计算器猜根了)

综上,所有的解为

{tan⁡θ1=0tan⁡θ2=2−3tan⁡θ3=2+3tan⁡θ4=214−77tan⁡θ5=214+77tan⁡θ6=−2+3tan⁡θ7=−2−3tan⁡θ8=−214+77tan⁡θ9=−214−77\begin{cases} \tan \theta_1 &= 0\\ \tan \theta_2 &= 2 - \sqrt{3}\\ \tan \theta_3 &= 2 + \sqrt{3}\\ \tan \theta_4 &= \dfrac{2 \sqrt{14} - \sqrt{7}}{7}\\ \tan \theta_5 &= \dfrac{2 \sqrt{14} + \sqrt{7}}{7}\\ \tan \theta_6 &= -2 + \sqrt{3}\\ \tan \theta_7 &= -2 - \sqrt{3}\\ \tan \theta_8 &= \dfrac{-2 \sqrt{14} + \sqrt{7}}{7}\\ \tan \theta_9 &= \dfrac{-2 \sqrt{14} - \sqrt{7}}{7}\\ \end{cases}

共 99 个解,其中五个特殊角。

然而此题意义不大,旨在娱乐。

曲率半径

在此之前,先求一下圆标准方程的一阶导与二阶导。

x2+y2=r2  ⟹  x+y ⁣dy ⁣dx=0  ⟹   ⁣dy ⁣dx=−xy\begin{aligned} x^2 + y^2 = r^2 &\implies x + y \dfrac{\d y}{\d x} = 0\\ &\implies \dfrac{\d y}{\d x} = -\dfrac{x}{y} \end{aligned}

 ⁣d2y ⁣dx2= ⁣d ⁣dy ⁣dx ⁣dx=− ⁣dxy ⁣dx=− ⁣dxy+x ⁣d1y ⁣dy ⁣dy ⁣dx=−(1y+x2y3)=−x2+y2y3\begin{aligned} \dfrac{\d^2 y}{\d x^2} &= \dfrac{\d \frac{\d y}{\d x}}{\d x}\\ &= -\dfrac{\d \frac{x}{y}}{\d x}\\ &= -\dfrac{\frac{\d x}{y} + x \frac{\d \frac{1}{y}}{\d y}\d y}{\d x}\\ &= -\left(\dfrac{1}{y} + \dfrac{x^2}{y^3}\right)\\ &= -\dfrac{x^2 + y^2}{y^3} \end{aligned}

上面的 x2+y2x^2 + y^2 不化简是为了下面过程的方便。

对于函数 f(x)f(x),定义 (m, f(m))\left(m,\,f(m)\right) 处的曲率圆 C: (x−a)2+(y−b)2=r2C:\:\left(x-a\right)^{2} + \left(y-b\right)^{2} = r^2 满足

{(m−a)2+(f(m)−b)2=r2−m−af(m)−b=f′(m)−(m−a)2+(f(m)−b)2(f(m)−b)3=f′′(m)\begin{cases} (m - a)^{2} + (f(m) - b)^{2} = r^2\\ -\dfrac{m - a}{f(m) - b}= f'(m)\\ -\dfrac{(m-a)^{2} + (f(m) - b)^{2}}{(f(m) - b)^{3}}=f''(m) \end{cases}

可见即为曲率圆在该点的函数值、一阶导数值、二阶导数值均相等(无法再高阶是因为这三个方程足以确定一个曲率圆,第一个方程确定曲率圆必过此点,第二个方程确定圆心的位置在一条直线上,第三个方程正式确定这个圆心的位置及半径),这个思想倒有点像泰勒展开,只不过只进行了二阶近似。

将第二个方程代入第三个方程有

f′2(m)+1f(m)−b=−f′′(m)\dfrac{f'^{2}(m) + 1}{f(m) - b} = - f''(m)

得 b=f′2(m)+1f′′(m)+f(m)b = \dfrac{f'^{2}(m) + 1}{f''(m)} + f(m)

第一个方程代入第三个方程有

r=f′′(m)(b−f(m))3=(f′2(m)+1)32∣f′′(m)∣\begin{aligned} r &= \sqrt{f''(m)\left(b - f(m)\right)^{3}}\\ &= \dfrac{\left(f'^2(m) + 1\right)^{\frac{3}{2}}}{\left\lvert f''(m)\right\rvert} \end{aligned}

可简记为 r=(y′2+1)32∣y′′∣r = \dfrac{\left(y'^2 + 1\right)^{\frac{3}{2}}}{\left\lvert y''\right\rvert}

再定义曲率 ρ=1r=∣y′′∣(y′2+1)32\rho = \dfrac{1}{r} = \dfrac{\left\lvert y''\right\rvert}{\left(y'^2 + 1\right)^{\frac{3}{2}}}

也可得知,直线曲率半径无穷大,曲率为 00;圆的曲率半径就是它的半径。

不等式

证明:圆内接多边形中,正多边形面积、周长均最大。

即证 0<θi<π, ∑i=1nθi=π, ∑i=1nsin⁡θi⩽nsin⁡πn0 < \theta_i < \pi,\,\displaystyle \sum_{i=1}^{n}\theta_i = \pi,\,\sum_{i=1}^{n}\sin \theta_i \le n \sin \dfrac{\pi}{n}

先证对 0⩽a⩽b⩽c⩽d⩽π, a+d=b+c0 \le a \le b \le c \le d \le \pi,\,a+d=b+c,有 sin⁡a+sin⁡d⩽sin⁡b+sin⁡c\sin a + \sin d \le \sin b + \sin c

记 a+d=b+c=2k, a=k−p, d=k+p, b=k−q, c=k+qa + d = b + c = 2k,\,a=k-p,\,d=k+p,\,b=k-q,\,c=k+q,则 π⩾p⩾q⩾0, 0⩽k⩽π\pi \ge p \ge q \ge 0,\,0 \le k \le \pi

即证

sin⁡(k−p)+sin⁡(k+p)⩽sin⁡(k−q)+sin⁡(k+q)  ⟺  sin⁡kcos⁡p⩽sin⁡kcos⁡q  ⟺  cos⁡p⩽cos⁡q\begin{aligned} \sin(k - p) + \sin(k + p) \le \sin(k-q) + \sin(k + q) &\iff\\ \sin k \cos p \le \sin k \cos q &\iff \cos p \le \cos q \end{aligned}

成立,得证。

那么,对数组 A=(θ1, θ2, …, θn)A = (\theta_1,\,\theta_2,\, \dots,\,\theta_n) 中 θmin⁡, θmax⁡\theta_{\min},\,\theta_{\max},有

sin⁡θmin⁡+sin⁡θmax⁡⩽sin⁡πn+sin⁡(θmin⁡+θmax⁡−πn)\sin \theta_{\min} + \sin \theta_{\max} \le \sin \dfrac{\pi}{n} + \sin\left(\theta_{\min} + \theta_{\max} - \dfrac{\pi}{n}\right)

将 AA 中 θmin⁡, θmax⁡\theta_{\min},\,\theta_{\max} 替换为 πn, θmin⁡+θmax⁡−πn\dfrac{\pi}{n},\,\theta_{\min} + \theta_{\max} - \dfrac{\pi}{n},记新数组为 A1A_1,并定义 ∑A\displaystyle \sum A 为 AA 中全部元素之和,∑sin⁡A\displaystyle \sum \sin A 为 ∑θi∈Asin⁡θi\displaystyle \sum_{\theta_i \in A}\sin \theta_i

可见 ∑A1=π\displaystyle \sum A_1 = \pi 仍成立,而 ∑sin⁡A⩽∑sin⁡A1\displaystyle \sum \sin A \le \sum \sin A_1

重复对 A1A_1 进行这样的抽取、替换、定义新数组,可知至多到 An−1A_{n-1} 有 ∀θi∈An−1,θi=πn\forall_{\theta_i \in A_{n-1}},\theta_i = \dfrac{\pi}{n}

而又有 ∑sin⁡A⩽∑sin⁡A1⩽⋯⩽∑sin⁡An−1\displaystyle \sum \sin A \le \sum \sin A_1 \le \cdots \le \sum \sin A_{n-1}

故有 ∑A⩽∑sin⁡An−1\displaystyle \sum A \le \sum \sin A_{n-1},原不等式得证。

推广一下,对于连续定义域 DD 上的 f(x)f(x),∀xi∈D,∑i=1nf(xi)⩽nf(∑i=1nxin)\displaystyle \forall_{x_i \in D},\sum_{i=1}^{n}f(x_i) \le nf\left(\dfrac{\sum_{i=1}^{n}x_i}{n}\right) 的充要条件是什么呢?

同理,先证 DD 中 a⩽b⩽c⩽d, a+d=b+ca \le b \le c \le d,\,a+d=b+c 有 f(a)+f(d)⩽f(b)+f(c)f(a) + f(d) \le f(b) + f(c)

同样地,记 a+d=b+c=2k,a=k−p, d=k+p, b=k−q, c=k+qa + d = b + c = 2k, a=k-p,\,d=k+p,\,b=k-q,\,c=k+q,则 p⩾q⩾0p \ge q \ge 0

即证 f(k+p)+f(k−p)⩽f(k+q)+f(k−q)f(k + p) + f(k - p) \le f(k + q) + f(k - q)

记 g(x)=f(k+x)+f(k−x), x⩾0g(x) = f(k + x) + f(k - x),\,x \ge 0

则 g′(x)=f′(k+x)−f′(k−x)g'(x) = f'(k + x) - f'(k - x)

若有 f′′(x)⩽0f''(x) \le 0 对 ∀x∈D\forall_{x \in D} 成立,则有,g′(x)⩽0g'(x) \le 0,即得 g(p)⩽g(q)g(p) \le g(q),原式得证。

因此此不等式的充分条件是 f′′(x)⩽0f''(x) \le 0,应该也是必要的,但我不会证。

同理知 f′′(x)⩾0f''(x) \ge 0 时不等号反向。

然后发现这是琴生不等式的简单形式,算是一个意外之喜吧。

这个证明的方法我最早写在「信息熵最大值的证明」,当时的证明是借鉴网上的做法,而今天这个则是学以致用的过程,倒是有所收获。