2005 AIME II 第 9 题

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9.

有多少个正整数 nn 不超过 10001000,使得 (sin⁡t+icos⁡t)n=sin⁡nt+icos⁡nt \begin{aligned} &(\sin t + i \cos t)^n \\ &= \sin nt + i \cos nt \end{aligned} 对所有实数 tt 都成立?
For how many positive integers nn less than or equal to 10001000 is (sin⁡t+icos⁡t)n=sin⁡nt+icos⁡nt \begin{aligned} &(\sin t + i \cos t)^n \\ &= \sin nt + i \cos nt \end{aligned} true for all real t?t?
答案:250
知识点:棣莫弗定理复数三角恒等式
小提示:
写成 sin⁡t+icos⁡t=i(cos⁡t−isin⁡t)\sin t + i\cos t = i(\cos t - i\sin t) 且 sin⁡nt+icos⁡nt\sin nt + i\cos nt =i(cos⁡nt−isin⁡nt)= i(\cos nt - i\sin nt)。
Write sin⁡t+icos⁡t=i(cos⁡t−isin⁡t)\sin t + i\cos t = i(\cos t - i\sin t) and sin⁡nt+icos⁡nt\sin nt + i\cos nt =i(cos⁡nt−isin⁡nt)= i(\cos nt - i\sin nt)
大提示:
由棣莫弗定理,方程化为 in=ii^n = i,因此 nn 必须比 44 的某个倍数大 11。
By de Moivre the equation reduces to in=i,i^n = i, so nn must be 11 more than a multiple of 44
解答:
因为 sin⁡t+icos⁡t=i(cos⁡t−isin⁡t)\sin t + i\cos t = i(\cos t - i \sin t) 且 sin⁡nt+icos⁡nt\sin nt + i\cos nt =i(cos⁡nt−isin⁡nt)= i(\cos nt - i\sin nt),由棣莫弗定理(应用于角 −t-t)可得 (sin⁡t+icos⁡t)n=in(cos⁡t−isin⁡t)n=in(cos⁡nt−isin⁡nt)。 \begin{aligned} &(\sin t + i \cos t)^n \\ &= i^n(\cos t - i\sin t)^n \\ &= i^n(\cos nt - i \sin nt) \end{aligned}\text{。}
所以该等式对所有实数 tt 成立,当且仅当 in=ii^n = i,也就是 n≡1(mod4)n \equiv 1 \pmod 4。数值 n=1,5,9,…,997n = 1, 5, 9, \ldots, 997 给出不超过 10001000 的 250250 个正整数。
Since sin⁡t+icos⁡t=i(cos⁡t−isin⁡t)\sin t + i\cos t = i(\cos t - i \sin t) and sin⁡nt+icos⁡nt\sin nt + i\cos nt =i(cos⁡nt−isin⁡nt),= i(\cos nt - i\sin nt), de Moivre’s theorem (applied to angle −t-t) gives (sin⁡t+icos⁡t)n=in(cos⁡t−isin⁡t)n=in(cos⁡nt−isin⁡nt). \begin{aligned} &(\sin t + i \cos t)^n \\ &= i^n(\cos t - i\sin t)^n \\ &= i^n(\cos nt - i \sin nt). \end{aligned}
So the equation holds for all real tt exactly when in=i,i^n = i, that is, when n≡1(mod4).n \equiv 1 \pmod 4. The values n=1,5,9,…,997n = 1, 5, 9, \ldots, 997 give exactly 250250 positive integers up to 1000.1000.
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