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求解恒等式证明思路

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nttz Posted 2022-5-1 16:40 |Read mode
Last edited by nttz 2022-5-1 17:12\[(x+y)^3-x^3-y^3=3xy(x+y)\]
如果3改成高次的 n如何去证明呢,比如n=4,5,6,7,8等等,其中运算方面有什么技巧方法?

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hbghlyj Posted 2022-5-1 16:49
Last edited by hbghlyj 2022-5-1 18:40

本站支持LaTeX公式,建议使用,详情见置顶帖

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 Author| nttz Posted 2022-5-1 16:57
我是小白,啥都不会啊,哪儿可以学那个软件?好像是kruth搞的吧

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kuing Posted 2022-5-1 19:09
考察 `F=(x+y)^k-x^k-y^k` 的因式分解,其中 `k` 为大于 `1` 的正整数。

① 必有因式 `xy`,但不会有因式 `x^2` 或 `y^2`。

证明:当 `x` 或 `y` 为零时 `F=0`,所以有因式 `xy`。
对 `x` 求导有 `F'_x=k(x+y)^{k-1}-kx^{k-1}`,`x=0` 不会让 `F'_x` 恒为零,所以不会有因式 `x^2`,对 `y` 同理。
(其实直接二项式展开来看这点是显然的……



② 如果 `k` 为奇数,则必有因式 `(x+y)`,但不会有因式 `(x+y)^2`。

证明:类似地,当 `x=-y` 时 `F=0`,以及 `x=-y` 不会让 `F'_x` 恒为零,所以结论成立。



③ 如果 `k` 为素数,则因式分解的系数为 `k`。

证明:展开有 `F=\sum_{r=1}^{k-1}C_k^rx^{k-r}y^r`,对任意 `0<r<k`,由于 `C_k^r=\frac{k(k-1)\cdots(k-r+1)}{r(r-1)\cdots1}` 为整数,而 `k` 不被分母的任何一个因子整除(除了 `1`),也就是说分子的 `k` 不会被约掉,因此 `k\mid C_k^r`,所以 `k\mid F`,而且第一项的系数就是 `k`,所以结论成立。



④ 设 `a` 为正整数,则:
如果 `k=6a-1`,则必有因式 `(x^2+xy+y^2)`,但不会有因式 `(x^2+xy+y^2)^2`;
如果 `k=6a+1`,则必有因式 `(x^2+xy+y^2)^2`,但不会有因式 `(x^2+xy+y^2)^3`。

证明:记 `f(x)=(x+1)^k-x^k-1`, `\omega=\cos(2\pi/3)+i\sin(2\pi/3)`,则 `\omega^2+\omega+1=\omega^3-1=0`。

无论 `k=6a-1` 还是 `k=6a+1` 都有 `\omega^{2k}+\omega^k+1=\omega^{-2}+\omega^{-1}+1=\omega+\omega^2+1=0`,此时
\[f(\omega)=(\omega+1)^k-\omega^k-1=(-\omega^2)^k-\omega^k-1=-\omega^{2k}-\omega^k-1=0,\]
同理 `f(\bar\omega)=0`,所以 `f(x)` 有因式 `(x-\omega)(x-\bar\omega)`,即 `x^2+x+1`。

求导有
\[f'(\omega)=k(\omega+1)^{k-1}-k\omega^{k-1}=k(-\omega^2)^{k-1}-k\omega^{k-1},\]
当 `k=6a-1` 时化为 `f'(\omega)=k\omega^{-4}-k\omega^{-2}\ne0`,所以 `f(x)` 不会有因式 `(x^2+x+1)^2`;

当 `k=6a+1` 时化为 `f'(\omega)=k-k=0`,同理 `f'(\bar\omega)=0`,即 `f'(x)` 有因式 `x^2+x+1`,所以 `f(x)` 有因式 `(x^2+x+1)^2`。
继续求导有
\[f''(\omega)=k(k-1)(\omega+1)^{k-2}-k(k-1)\omega^{k-2}=k(k-1)[(-\omega^2)^{k-2}-\omega^{k-2}],\]
`k=6a+1` 时化为 `f''(\omega)=k(k-1)(-\omega^{-2}-\omega^{-1})\ne0`,所以 `f(x)` 不会有因式 `(x^2+x+1)^3`。

综上作置换 `x\to x/y` 去分母即得结论。



⑤ 待发现……



根据以上结论,可以立即肯定 `k=5` 和 `k=7` 的分解分别为 `5xy(x+y)(x^2+xy+y^2)` 和 `7xy(x+y)(x^2+xy+y^2)^2`,至于其他……还有待研究……

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hbghlyj Posted 2022-5-1 19:26
回复 1# nttz 本thread可以分类“数论”

下面证明这个因式分解的系数$\gcd\left(\binom{n}{1} , \binom{n}{2} , \binom{n}{3},\ldots,\binom{n}{\lfloor \frac n2 \rfloor}\right)$必为1或素数.
搬运自math.stackexchange.com/questions/2067235/gcd- … inomial-coefficients

$\newcommand{\Z}{\mathbb{Z}}$Suppose $n$ is not a prime-power, and let
$$n = \prod_{i=1}^{k} p_{i}^{e_{i}}$$
with $p_{i}$ distinct primes, $e_{i} > 0$ for each $i$.

Write
$$n_{j} = \prod_{i \ne j} p_{i}^{e_{i}}.$$

Then it is well known that
$$
\binom{n}{p_{i}^{e_{i}}} \equiv \binom{p_{i}^{e_{i}} n_{i}}{p_{i}^{e_{i}}} \equiv n_{i} \pmod{p},
$$
so that $\dbinom{n}{p_{i}^{e_{i}}}$ is not divisible by $p_{i}$. Since your gcd is a divisor of $n = \dbinom{n}{1}$, this shows that the gcd is $1$ in this case.

If $n = p^{e}$ is a power of the prime $p$, then the equation in $\Z/p\Z[x]$
$$
(1 + x)^{p^{e}} = 1 + x^{p^{e}}
$$
shows that all of your binomial coefficients are divisible by $p$, and their gcd divides $p^e = \dbinom{p^e} {1}$.

But by Kummer, the highest power of $p$ dividing
$$
\binom{p^{e}}{p^{e-1}}
$$
is $p$, as there is precisely one carry in the $p$-adic addition of $p^{e-1}$ and $p^{e} - p^{e-1} = (p-1) p^{e-1}$, so that your gcd is $p$.
所以只要$n$为素数幂,gcd是p,除此之外gcd是1,包含了kuing的③

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hbghlyj Posted 2022-5-1 19:27
为什么
Kummer
没有转换为链接?
@kuing 得改改Discuzcode那个函数, 现在情况是必须得手动uri encode, 有点麻烦
把 ' 改成%27以后效果:Kummer

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hbghlyj Posted 2022-5-1 19:48
上面用到结论$$p\nmid \binom{p^rm}{p^r}\text{ where }p\nmid m$$又见
math.stackexchange.com/questions/590885/provi … oredirect=1&lq=1

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 Author| nttz Posted 2022-5-1 20:07
回复 4# kuing

这个还有解决的空间

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 Author| nttz Posted 2022-5-1 20:21
Last edited by nttz 2022-5-1 20:35回复 4# kuing
第4点有点看不懂,能解释下么,为啥有一些的=,还有w上面的横代表啥,后面还有导数为0说明啥

仔细看了下,w上面是共轭关系吧?还有导数还有这个因式,为啥原函数就是含这个因式的平方呢,反过来看是对的,如何证明的?

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 Author| nttz Posted 2022-5-1 20:42
回复 7# hbghlyj
我是想问给出了恒等式,如果如何去操作证明这个恒等式,楼上的高人证明了含有某些因式,如何进行分解过程呢?总不至于都展开吧?

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kuing Posted 2022-5-1 22:07
回复 9# nttz

嗯,上面横线表示共轭。

次数不少于 2 的多项式 `f(x)` 满足 `f(c)=f'(c)=0`,则 `f(x)` 有因式 `(x-c)^2`。
由 `f(c)=0` 知 `f(x)=(x-c)g(x)`,求导 `f'(x)=g(x)+(x-c)g'(x)`,则 `0=f'(c)=g(c)`,所以 `g(x)` 有因式 `(x-c)`,即 `f(x)` 有因式 `(x-c)^2`。
更高阶的结论也一样。

PS、刚才讨论附件问题的回帖已分割到新帖当中:forum.php?mod=viewthread&tid=8964

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hbghlyj Posted 2022-5-2 01:53
  1. For[k = 1, k < 600, k++,
  2. If[! MatchQ[
  3.     Complement[
  4.      DeleteCases[
  5.       FactorList[(x + 1)^k - x^k - 1], {_Integer, _Integer}], {{x +
  6.         1, 1}, {x, 1}, {x^2 + x + 1, 1}, {x^2 + x + 1, 2}}], {} | {{_,
  7.         1}}], Print[k]]]
Copy the Code
搜索新的因式
输出:
(无输出)

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hbghlyj Posted 2022-5-2 02:15
假设$e^{2πi\over n}$是$(x+1)^k=x^k+1$的根,取模长得$$\left(\sin ^2\left(\frac{2 \pi }{n}\right)+\left(\cos \left(\frac{2 \pi }{n}\right)+1\right)^2\right)^k=\sin ^2\left(\frac{2 \pi  k}{n}\right)+\left(\cos \left(\frac{2 \pi  k}{n}\right)+1\right)^2$$即$$\left(2 \cos \left(\frac{2 \pi }{n}\right)+2\right)^k=2 \cos \left(\frac{2 \pi  k}{n}\right)+2$$当$n≥4$时,左边$≥2^k$,但右边$<4$,所以$k=1$.

所以$(x+1)^k-x^k-1$不被3次以上的分圆多项式整除.

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hbghlyj Posted 2022-5-2 02:30
$k=6a+1$
$$f''(\omega)=k(k-1) \left((\omega+1)^{k-2}-\omega^{k-2}\right)=k(k-1)≠0$$

所以$(x+1)^k-x^k-1$不被$(x^2+x+1)^3$整除

又见math.stackexchange.com/questions/1892857/fact … p-xp-yp?noredirect=1

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kuing Posted 2022-5-2 03:28
回复 14# hbghlyj

补充完整了。(其实当时就知道可以继续求导算下去,但时间紧没写……

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hbghlyj Posted 2022-5-2 03:29
回复 15# kuing
但是怎么证明剩下的因式不可约

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 Author| nttz Posted 2022-5-2 10:54
Last edited by nttz 2022-5-2 11:06回复 11# kuing

多项式 f(x) 满足(c)=f'(c)=0,那么f的n阶的$f^n(c)$ 都是0了?那么更高阶的结论啥意思?
比如f''(c) = 0, 根据 f’(x)=$(x-c)^2h(x)$,则f''(x) = $(x-c)^2h'(x)+2(x-c)h(x)$,这个f''(c)不肯定是0啊,不能证明h(c) =0;

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kuing Posted 2022-5-2 14:49
回复 17# nttz

我以为你能“合情推理”出来,就懒得写清楚
高阶时结论是次数不少于 n+1 次的多项式若 `f(c)=f'(c)=\cdots=f^{(n)}(c)=0` 就有因式 `(x-c)^{n+1}`……

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 Author| nttz Posted 2022-5-3 10:06
你看上面的不能证明二阶,h(c) =0 不能够说明

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 Author| nttz Posted 2022-5-3 10:07
回复 18# kuing

你看上面的不能证明二阶,h(c) =0 不能够说明

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