一个数列满足递推关系 对 n=1,2,3,…n = 1,2,3,\dots,有 Un+1−Un=2cos⁡((2n+1)x2)sin⁡x2U_{n+1}-U_n = 2\cos\left(\dfrac{(2n+1)x}{2}\right)\sin\dfrac{x}{2},且 U1=sin⁡xU_1 = \sin x。 利用数学归纳法证明对所有正整数 nn,均有 Un=sin⁡(nx)U_n = \sin(nx)。

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完整解法

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1. State the proposition and verify the base case for $n=1$.

Let PnP_n be the statement that Un=sin⁡(nx)U_n = \sin(nx).
When n=1n=1, U1=sin⁡(1⋅x)=sin⁡xU_1 = \sin(1\cdot x) = \sin x.
This matches the given information that U1=sin⁡xU_1 = \sin x, so P1P_1 is true.

2. State the inductive hypothesis.

Assume PkP_k is true for some positive integer kk, which means Uk=sin⁡(kx)U_k = \sin(kx).

3. Prove that $P_{k+1}$ is true using the recurrence relation and trigonometric identities.

For n=k+1n=k+1, we use the given recurrence relation:
Uk+1−Uk=2cos⁡((2k+1)x2)sin⁡x2U_{k+1} - U_k = 2\cos\left(\frac{(2k+1)x}{2}\right)\sin\frac{x}{2}
Substituting Uk=sin⁡(kx)U_k = \sin(kx):
Uk+1=sin⁡(kx)+2cos⁡((2k+1)x2)sin⁡x2U_{k+1} = \sin(kx) + 2\cos\left(\frac{(2k+1)x}{2}\right)\sin\frac{x}{2}
Using the factor formula 2cos⁡Asin⁡B=sin⁡(A+B)−sin⁡(A−B)2\cos A\sin B = \sin(A+B) - \sin(A-B) where A=2kx+x2A = \frac{2kx+x}{2} and B=x2B = \frac{x}{2}:
2cos⁡((2k+1)x2)sin⁡x2=sin⁡(2kx+x+x2)−sin⁡(2kx+x−x2)2\cos\left(\frac{(2k+1)x}{2}\right)\sin\frac{x}{2} = \sin\left(\frac{2kx+x+x}{2}\right) - \sin\left(\frac{2kx+x-x}{2}\right)
=sin⁡(2(k+1)x2)−sin⁡(2kx2)= \sin\left(\frac{2(k+1)x}{2}\right) - \sin\left(\frac{2kx}{2}\right)
=sin⁡((k+1)x)−sin⁡(kx)= \sin((k+1)x) - \sin(kx)
Substituting this back into our equation for Uk+1U_{k+1}:
Uk+1=sin⁡(kx)+sin⁡((k+1)x)−sin⁡(kx)=sin⁡((k+1)x)U_{k+1} = \sin(kx) + \sin((k+1)x) - \sin(kx) = \sin((k+1)x)
Thus, Pk+1P_{k+1} is true.

4. State the conclusion of the induction.

Since P1P_1 is true, and PkP_k being true implies that Pk+1P_{k+1} is true for any positive integer kk, by the Principle of Mathematical Induction, PnP_n is true for all positive integers nn.

答案

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