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第4题

证明:对任意自然数 nn 及使所有分母都不为零的实数 xx(即对 t=0,1,…,nt=0,1,\dots,n 及整数 kk 都有 x≠kπ2tx\ne \frac{k\pi}{2^t}),下式成立: 1sin⁡2x+1sin⁡4x+1sin⁡8x+⋯+1sin⁡2nx=cot⁡x−cot⁡2nx.\frac{1}{\sin 2x}+\frac{1}{\sin 4x}+\frac{1}{\sin 8x}+\cdots+\frac{1}{\sin 2^nx} = \cot x - \cot 2^nx.
第 1/5 步:证明关键引理
通俗地说

只需这一个恒等式,令 y=2k−1xy=2^{k-1}x,就能为题目中每一项生成裂项所需的形式。

cot⁡y−cot⁡2y=1sin⁡2y\cot y - \cot 2y = \frac{1}{\sin 2y}
详细分析

利用 cos⁡2y=2cos⁡2y−1\cos 2y=2\cos^2y-1 及 sin⁡2y=2sin⁡ycos⁡y\sin 2y=2\sin y\cos y,可得 cot⁡y−cot⁡2y=cos⁡ysin⁡y−cos⁡2ysin⁡2y=cos⁡ysin⁡y−2cos⁡2y−12sin⁡ycos⁡y=2cos⁡2y−(2cos⁡2y−1)2sin⁡ycos⁡y=12sin⁡ycos⁡y=1sin⁡2y\cot y-\cot 2y=\frac{\cos y}{\sin y}-\frac{\cos 2y}{\sin 2y}=\frac{\cos y}{\sin y}-\frac{2\cos^2y-1}{2\sin y\cos y}=\frac{2\cos^2y-(2\cos^2y-1)}{2\sin y\cos y}=\frac{1}{2\sin y\cos y}=\frac{1}{\sin 2y}。