如何證明對正整數n,cos 2 n 為有理數當且僅當n為1,2,3,4,6?

時間 2021-06-12 02:14:12

1樓:

給個初等證明。

首先給出引理:

引理:如果多項式 有有理根 ,其中 互素,那麼 。

我們要用到關係式 ,這個關係式使用和差化積即可證明。

我們要證明的命題是:設 ,那麼存在乙個 次首一多項式 使得 ,再結合引理,推出 是整數,於是只能取值 ,因此可以直接驗證 的值。

首先,如果 滿足命題,那麼 也滿足,這是由 。其次,由關係式可知,如果 都滿足命題,那麼 也滿足。

我們對 的 使用歸納法。設當 時命題成立,那麼可知對於 到 的偶數都成立。因此,由關係式可知,對於奇數也成立。於是對於一切整數都證明了命題。

2樓:

考慮n次單位根ξ_n=cos(2π/n)+i*sin(2π/n)。

如果cos(2π/n)是有理數,那麼sin(2π/n)最多在有理數的二次擴域裡,於是ξ_n在Q上的極小多項式的次數φ(n)≤2。由簡單的計算知道這樣的n只有1,2,3,4,6時滿足。再把這幾個情況算一遍就知道它們對應的cos(2π/n)確實都是有理數。

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