一道有趣的美國高中數學競賽題

原題如下:

一道有趣的美國高中數學競賽題

這是一個關於複數k的連乘。

首先,分析一下k。k是一個複數,是方程x^8-1=0的單位根。表達式中,k的冪次:k,k^2,k^3,...,k^7均位於單位圓上,間隔45°均勻分佈:

一道有趣的美國高中數學競賽題

馬上可以知道,當m+n=8時,k^m與k^n關於實軸x軸對稱,互為共軛。也就是:

一道有趣的美國高中數學競賽題

這是一個重大發現!想想高斯小朋友計算1+2+3+...+100=?的清奇思路,首尾相加等於常數101,這裡首尾相乘會出現常數1,心潮澎湃的你馬上就知道解題的第一步應該怎麼搞了:

一道有趣的美國高中數學競賽題

中括號裡面複數虛部抵消,這樣每一項都是實數,然而,問題似乎並沒有變簡單,還是七個式子連乘,怎麼破?

這條路看起來時走不通了。換個思路。

分析一下表達式。表達式看起來像什麼?什麼式子中會出現連乘的表達呢?因式分解!!!如果能找到被因式分解的原表達式,而這個表達式計算起來又非常簡單,那這個問題也就解決了。

不妨一試。

注意到k是x^8-1=0的根,這是一個8次方程,在複數域上應該有8個根。顯然

一道有趣的美國高中數學競賽題

所以k,k^2,k^3,...,k^7都是方程x^8-1=0的根。別忘了還有一個x=1(有人問,x=-1顯然也是根啊,怎麼沒有?怎麼沒有,在這兒:k^4=-1)

回憶一元二次方程基於根的因式分解,類似地,有下面的恆等式:

一道有趣的美國高中數學競賽題

左邊,一個極其簡單的表達式,右邊,一個非常複雜的連乘形式。(插個題外話,上面的因式分解很有內涵,Kummer據此創建了理想數理論,直接證明了費馬大定理x^n+y^n=z^n無正整數解,對一大批n都成立)。

和原題比較一下,勝利在望~

令x=-3,得

一道有趣的美國高中數學競賽題

右邊,提取8個(-1)以去掉負號,立得

一道有趣的美國高中數學競賽題

柳暗花明又一村。

老美的數學競賽還是蠻簡單的,加上原題其實是選擇題,選項本身就是一種提示,能讓你從第一個思路的死衚衕裡飛出來。難怪聽朋友說,他參加州競賽,拿前三的基本都是亞裔黃種人。


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