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关于“sin(10°)是无理数”的一个证明

关于“sin(10°)是无理数”的一个证明

因为某些特殊原因,突然想起这个或许出现在当年PKU自主招生的问题,瞎想了一个做法,算是对时光不再与自己长大的感慨吧。


证明:
利用三倍角公式有sin⁡(30°)=sin⁡(20°)cos⁡(10°)+sin⁡(10°)cos⁡(20°)=2sin⁡(10°)[1−sin⁡2(10°)]+sin⁡(10°)[1−2sin⁡2(10°)]=12\\sin(30°)=\\sin(20°)\\cos(10°)+\\sin(10°)\\cos(20°)=2\\sin(10°)[1-\\sin^2(10°)]+\\sin(10°)[1-2\\sin^2(10°)]=\\frac 1 2sin(30°)=sin(20°)cos(10°)+sin(10°)cos(20°)=2sin(10°)[1sin2(10°)]+sin(10°)[12sin2(10°)]=21

sin⁡(10°)=x\\sin(10°)=xsin(10°)=x,则有−4x3+3x+12=0-4x^3+3x+\\frac1 2 =04x3+3x+21=0

考虑反证法,假定sin⁡(10°)\\sin (10°)sin(10°)是有理数,则有x=pq(>0)x=\\frac p q(>0)x=qp(>0),其中p,qp,qp,q为互质的正整数,将其代入上述方程中,并在方程两边同时乘以q3q^3q3

−4p3+3pq2+q32=0-4p^3+3pq^2+\\cfrac {q^3}{2}=04p3+3pq2+2q3=0

由于方程左边前两项均是整数且右边是0,所以q32\\cfrac {q^3}{2}2q3一定是整数,也即qqq偶数,故可设q=2q′q=2q'q=2q,其中q′q'q为正整数,将其代入方程并在两边同除以4:

−p3+3p(q′)2+(q′)3=0-p^3+3p(q')^2+(q')^3=0p3+3p(q)2+(q)3=0

又因为qqq为偶数,p,qp,qp,q互质,所以ppp一定为奇数,进一步有−p3,3p-p^3,3pp3,3p均为奇数。下面考虑对q′q'q的奇偶进行分类讨论,若q′q'q为奇数,则方程左边就是“奇数+奇数+奇数”的形式,显然不可能等于0;若q′q'q为偶数,由于“奇数×偶数=偶数”,方程左边是“奇数+偶数+偶数”的形式,也不可能等于0,故假设不成立,sin⁡(10°)\\sin(10°)sin(10°)为无理数得证