问题

如何证明:sinx,sin2x,sin3x线性无关?

回答
要证明函数 $ sin x, sin 2x, sin 3x $ 在实数域上线性无关,我们可以采用反证法或直接法。下面将详细介绍如何进行证明。

核心概念:线性无关

一组函数 $f_1(x), f_2(x), dots, f_n(x)$ 在某个区间(这里是实数域 $mathbb{R}$)上是线性无关的,如果存在唯一的常数 $c_1, c_2, dots, c_n$,使得对于区间内的所有 $x$,以下等式成立:

$c_1 f_1(x) + c_2 f_2(x) + dots + c_n f_n(x) = 0$

当且仅当 $c_1 = c_2 = dots = c_n = 0$ 时,这组函数才是线性无关的。

换句话说,如果我们可以找到不全为零的常数 $c_1, c_2, c_3$,使得对于所有的 $x$,下式都成立:

$c_1 sin x + c_2 sin 2x + c_3 sin 3x = 0$

那么这组函数就是线性相关的。反之,如果我们能证明只有当 $c_1 = c_2 = c_3 = 0$ 时,等式才能成立,那么它们就是线性无关的。

证明方法一:利用三角恒等式和代入特定值

这是最直观的方法之一。我们利用三角恒等式将 $sin 2x$ 和 $sin 3x$ 展开,然后通过选择特定的 $x$ 值,形成一个关于 $c_1, c_2, c_3$ 的线性方程组。

1. 展开三角函数:
$sin 2x = 2 sin x cos x$
$sin 3x = sin(2x+x) = sin 2x cos x + cos 2x sin x$
其中 $sin 2x = 2 sin x cos x$
而 $cos 2x = cos^2 x sin^2 x = 1 2 sin^2 x$
所以 $sin 3x = (2 sin x cos x) cos x + (1 2 sin^2 x) sin x$
$sin 3x = 2 sin x cos^2 x + sin x 2 sin^3 x$
$sin 3x = sin x (2 cos^2 x + 1 2 sin^2 x)$
$sin 3x = sin x (2(1sin^2 x) + 1 2 sin^2 x)$
$sin 3x = sin x (2 2 sin^2 x + 1 2 sin^2 x)$
$sin 3x = sin x (3 4 sin^2 x) = 3 sin x 4 sin^3 x$

将展开式代回原等式:
$c_1 sin x + c_2 (2 sin x cos x) + c_3 (3 sin x 4 sin^3 x) = 0$

虽然这个展开是有用的,但直接从这里推导出线性无关性并不直观,因为引入了 $cos x$ 和 $sin^3 x$ 等项。一个更直接的方法是直接代入特定点。

2. 假设存在常数 $c_1, c_2, c_3$ (不全为零)使得 $c_1 sin x + c_2 sin 2x + c_3 sin 3x = 0$ 对于所有 $x$ 成立。

3. 代入特殊值:
当 $x = frac{pi}{2}$ 时:
$sin(frac{pi}{2}) = 1$
$sin(2 cdot frac{pi}{2}) = sin(pi) = 0$
$sin(3 cdot frac{pi}{2}) = sin(frac{3pi}{2}) = 1$
代入等式:$c_1 (1) + c_2 (0) + c_3 (1) = 0 implies c_1 c_3 = 0 implies c_1 = c_3$ (方程 1)

当 $x = frac{pi}{6}$ 时:
$sin(frac{pi}{6}) = frac{1}{2}$
$sin(2 cdot frac{pi}{6}) = sin(frac{pi}{3}) = frac{sqrt{3}}{2}$
$sin(3 cdot frac{pi}{6}) = sin(frac{pi}{2}) = 1$
代入等式:$c_1 (frac{1}{2}) + c_2 (frac{sqrt{3}}{2}) + c_3 (1) = 0$
$frac{1}{2} c_1 + frac{sqrt{3}}{2} c_2 + c_3 = 0$ (方程 2)

当 $x = frac{pi}{3}$ 时:
$sin(frac{pi}{3}) = frac{sqrt{3}}{2}$
$sin(2 cdot frac{pi}{3}) = sin(frac{2pi}{3}) = frac{sqrt{3}}{2}$
$sin(3 cdot frac{pi}{3}) = sin(pi) = 0$
代入等式:$c_1 (frac{sqrt{3}}{2}) + c_2 (frac{sqrt{3}}{2}) + c_3 (0) = 0$
$frac{sqrt{3}}{2} c_1 + frac{sqrt{3}}{2} c_2 = 0$
$sqrt{3}(c_1 + c_2) = 0 implies c_1 + c_2 = 0 implies c_2 = c_1$ (方程 3)

4. 联立方程组求解:
我们得到了三个方程:
(1) $c_1 = c_3$
(2) $frac{1}{2} c_1 + frac{sqrt{3}}{2} c_2 + c_3 = 0$
(3) $c_2 = c_1$

将 (1) 和 (3) 代入 (2):
$frac{1}{2} c_1 + frac{sqrt{3}}{2} (c_1) + c_1 = 0$
$frac{1}{2} c_1 frac{sqrt{3}}{2} c_1 + c_1 = 0$
$c_1 (frac{1}{2} frac{sqrt{3}}{2} + 1) = 0$
$c_1 (frac{3 sqrt{3}}{2}) = 0$

由于 $frac{3 sqrt{3}}{2} eq 0$,所以必然有 $c_1 = 0$。
根据 (3),$c_2 = c_1 = 0$。
根据 (1),$c_3 = c_1 = 0$。

所以,唯一的解是 $c_1 = c_2 = c_3 = 0$。这证明了函数 $ sin x, sin 2x, sin 3x $ 线性无关。

证明方法二:利用Wronskian行列式

Wronskian 行列式是判断一组函数线性无关性的一个强大工具。对于一组可微函数 $f_1(x), f_2(x), dots, f_n(x)$,它们的 Wronskian 行列式定义为:

$W(f_1, dots, f_n)(x) = egin{vmatrix} f_1(x) & f_2(x) & dots & f_n(x) \ f_1'(x) & f_2'(x) & dots & f_n'(x) \ vdots & vdots & ddots & vdots \ f_1^{(n1)}(x) & f_2^{(n1)}(x) & dots & f_n^{(n1)}(x) end{vmatrix}$

如果 Wronskian 行列式在某个区间内不恒等于零,那么这组函数在该区间上就是线性无关的。

1. 定义函数:
$f_1(x) = sin x$
$f_2(x) = sin 2x$
$f_3(x) = sin 3x$

2. 计算导数:
$f_1'(x) = cos x$
$f_2'(x) = 2 cos 2x$
$f_3'(x) = 3 cos 3x$

$f_1''(x) = sin x$
$f_2''(x) = 4 sin 2x$
$f_3''(x) = 9 sin 3x$

3. 构建 Wronskian 行列式:
$W(x) = egin{vmatrix} sin x & sin 2x & sin 3x \ cos x & 2 cos 2x & 3 cos 3x \ sin x & 4 sin 2x & 9 sin 3x end{vmatrix}$

4. 计算行列式:
我们可以选择一个特定的点来计算 Wronskian 的值。例如,我们选择 $x = frac{pi}{2}$:

$sin(frac{pi}{2}) = 1$
$sin(2 cdot frac{pi}{2}) = sin(pi) = 0$
$sin(3 cdot frac{pi}{2}) = sin(frac{3pi}{2}) = 1$

$cos(frac{pi}{2}) = 0$
$cos(2 cdot frac{pi}{2}) = cos(pi) = 1$
$cos(3 cdot frac{pi}{2}) = cos(frac{3pi}{2}) = 0$

将这些值代入 Wronskian 行列式:
$W(frac{pi}{2}) = egin{vmatrix} 1 & 0 & 1 \ 0 & 2(1) & 3(0) \ 1 & 4(0) & 9(1) end{vmatrix} = egin{vmatrix} 1 & 0 & 1 \ 0 & 2 & 0 \ 1 & 0 & 9 end{vmatrix}$

计算这个三阶行列式:
$W(frac{pi}{2}) = 1 cdot egin{vmatrix} 2 & 0 \ 0 & 9 end{vmatrix} 0 cdot egin{vmatrix} 0 & 0 \ 1 & 9 end{vmatrix} + (1) cdot egin{vmatrix} 0 & 2 \ 1 & 0 end{vmatrix}$
$W(frac{pi}{2}) = 1 cdot ((2)(9) 0 cdot 0) 0 + (1) cdot (0 cdot 0 (2)(1))$
$W(frac{pi}{2}) = 1 cdot (18) 0 1 cdot (0 2)$
$W(frac{pi}{2}) = 18 1 cdot (2)$
$W(frac{pi}{2}) = 18 + 2 = 16$

由于 $W(frac{pi}{2}) = 16 eq 0$,所以函数 $ sin x, sin 2x, sin 3x $ 在实数域上是线性无关的。

更一般性的思考 (但不是严格的证明)

可以注意到,$sin x$, $sin 2x$, $sin 3x$ 是不同频率的三角函数。在许多情况下,不同频率的正弦和余弦函数(或者指数函数)是线性无关的。这是傅里叶分析中的一个重要概念,即不同频率的基函数是正交的,并且可以构成一个完备的基。

如果我们将这些函数看作是形如 $a sin(kx)$ 的函数,它们具有不同的频率 $k$ ($k=1, 2, 3$)。在很多数学场景下,具有不同频率的正弦(或余弦)函数是线性无关的。

总结与解释

两种方法都有效地证明了函数的线性无关性:

方法一(代入特定值):它通过将线性组合等于零的假设,代入几个精心选择的自变量值,得到一个关于待定系数的齐次线性方程组。当这个方程组只有零解时,就证明了函数的线性无关。这种方法直观且易于理解。关键在于选择能够使某些函数项消失或产生明显关系的特定值。

方法二(Wronskian 行列式):这是一个更系统和通用的方法。Wronskian 行列式的非零性直接保证了函数的线性无关。计算 Wronskian 行列式可能更复杂,但它提供了一个强大的理论工具。

无论哪种方法,核心思想都是要证明一个齐次线性方程组(或者其推广形式)只存在零解。通过这些方法,我们能够确切地证明 $ sin x, sin 2x, sin 3x $ 是线性无关的函数。

网友意见

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比较直观的证明方法是用泰勒级数将三者展开,那么问题就转化成了多项式之间的线性无关的问题。


此处我把三者系数以向量的形式写出,并忽略了偶次项系数(都是0);本题等价形式是,下列齐次线性方程有非零解(其实展开到第三项,就足以说明问题):


该齐次线性方程组若要有非零解,必须有det(A)=0,即A是退化,但容易验证A是满秩的,故方程无非零解。


顺便说一下,学习傅立叶级数的时候,那里也会有关于sin nx(n是自然数)在内积关系下的线性无关的问题(不光是线性无关,其实是希尔伯特空间的一组正交基)。

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