第(i, j)项为cos( (j-1) * x_i )的n阶行列式的求解

本文详细介绍了如何利用欧拉公式和De Moivre公式来化简一个特殊的n阶行列式,该行列式的第(i, j)项为cos((j-1) * x_i),通过行列式的列变换逐步简化,最终得到了表达式的结果。" 83998501,7826333,公路村村通 - 最低成本算法分析,"['数据结构', '图算法', 'kruskal', '算法应用']

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待求解的行列式

∣ A n × n ∣ = ∣ 1 cos ⁡ θ 1 cos ⁡ 2 θ 1 ⋯ cos ⁡ ( n − 1 ) θ 1 1 cos ⁡ θ 2 cos ⁡ 2 θ 2 ⋯ cos ⁡ ( n − 1 ) θ 2 1 cos ⁡ θ 3 cos ⁡ 2 θ 3 ⋯ cos ⁡ ( n − 1 ) θ 3 ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 1 cos ⁡ θ n cos ⁡ 2 θ n ⋯ cos ⁡ ( n − 1 ) θ n ∣ \left| { {A}_{n\times n}} \right|=\left| \begin{matrix} 1 & \cos { {\theta }_{1}} & \cos 2{ {\theta }_{1}} & \cdots & \cos \left( n-1 \right){ {\theta }_{1}} \\ 1 & \cos { {\theta }_{2}} & \cos 2{ {\theta }_{2}} & \cdots & \cos \left( n-1 \right){ {\theta }_{2}} \\ 1 & \cos { {\theta }_{3}} & \cos 2{ {\theta }_{3}} & \cdots & \cos \left( n-1 \right){ {\theta }_{3}} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & \cos { {\theta }_{n}} & \cos 2{ {\theta }_{n}} & \cdots & \cos \left( n-1 \right){ {\theta }_{n}} \\ \end{matrix} \right| An×n=1111cosθ1cosθ2cosθ3cosθncos2θ1cos2θ2cos2θ3cos2θncos(n1)θ1cos(n1)θ2cos(n1)θ3cos(n1)θn

求解过程

直接在 ∣ A ∣ \left| A \right| A上运用Laplace定理展开计算是不现实的,为了方便计算,我们寻求 A A A中不同行或者不同列之间是否存在某种线性关系,以便对原行列式进行化简。
由欧拉公式 e i θ = cos ⁡ θ + i sin ⁡ θ { {e}^{i\theta }}=\cos \theta +i\sin \theta eiθ=cosθ+isinθ可推导出De Moivre公式
cos ⁡ k θ + i sin ⁡ k θ = e i ( k θ ) = ( e i θ ) k = ( cos ⁡ θ + i sin ⁡ θ ) k ,   k = 1 , 2 , ⋯   . (1) \cos k\theta +i\sin k\theta ={ {e}^{i\left( k\theta \right)}}={ {\left( { {e}^{i\theta }} \right)}^{k}}={ {\left( \cos \theta +i\sin \theta \right)}^{k}},\text{ }k=1,2,\cdots . \tag{1} coskθ+isinkθ=ei(kθ)=(eiθ)k=(cosθ+isinθ)k, k=1,2,.(1)
对式(1)的右边进行二项式展开,得到
j j ( cos ⁡ θ + i sin ⁡ θ ) k = ∑ p = 0 k C k p cos ⁡ k − p θ ⋅ ( i sin ⁡ θ ) p = ( ∑ 0 ≤ 4 q ≤ k C k 4 q cos ⁡ k − 4 q θ ⋅ sin ⁡ 4 q θ − ∑ 0 ≤ 4 q + 2 ≤ k C k 4 q + 2 cos ⁡ k − ( 4 q + 2 ) θ ⋅ sin ⁡ 4 q + 2 θ ) + i ( ∑ 0 ≤ 4 q + 1 ≤ k C k 4 q + 1 cos ⁡ k − ( 4 q + 1 ) θ ⋅ sin ⁡ 4 q + 1 θ − ∑ 0 ≤ 4 q + 3 ≤ k C k 4 q + 3 cos ⁡ k − ( 4 q + 3 ) θ ⋅ sin ⁡ 4 q + 3 θ ) . (2) \begin{aligned} & \phantom{jj}{ {\left( \cos \theta +i\sin \theta \right)}^{k}} \\ & =\sum\limits_{p=0}^{k}{C_{k}^{p}{ {\cos }^{k-p}}\theta \centerdot { {\left( i\sin \theta \right)}^{p}}} \\ & =\left( \sum\limits_{0\le 4q\le k}^{ {}}{C_{k}^{4q}{ {\cos }^{k-4q}}\theta \centerdot { {\sin }^{4q}}\theta }-\sum\limits_{0\le 4q+2\le k}^{ {}}{C_{k}^{4q+2}{ {\cos }^{k-\left( 4q+2 \right)}}\theta \centerdot { {\sin }^{4q+2}}\theta } \right) \\ & +i\left( \sum\limits_{0\le 4q+1\le k}^{ {}}{C_{k}^{4q+1}{ {\cos }^{k-\left( 4q+1 \right)}}\theta \centerdot { {\sin }^{4q+1}}\theta }-\sum\limits_{0\le 4q+3\le k}^{ {}}{C_{k}^{4q+3}{ {\cos }^{k-\left( 4q+3 \right)}}\theta \centerdot { {\sin }^{4q+3}}\theta } \right). \\ \tag{2} \end{aligned} jj(cosθ+isinθ)k=p=0kCkpcoskpθ(isinθ)p=04qkCk4qcosk4qθsin4qθ04q+2kCk4q+2cosk(4q+2)θsin4q+2θ+i04q+1kCk4q+1cosk(4q+1)θsin4q+1θ04q+3kCk4q+3cosk(4q+3)θsin4q+3θ.(2)
对比式(1)等号左边和式(2)等号右边的实部和虚部,可得
cos ⁡ k θ = ∑ 0 ≤ 4 q ≤ k C k 4 q cos ⁡ k − 4 q θ ⋅ sin ⁡ 4 q θ − ∑ 0 ≤ 4 q + 2 ≤ k C k 4 q + 2 cos ⁡ k − ( 4 q + 2 ) θ ⋅ sin ⁡ 4 q + 2 θ = ∑ 0 ≤ 4 q ≤ k C k 4 q cos ⁡ k − 4 q θ ⋅ ( 1 − cos ⁡ 2 θ ) 2 q − ∑ 0 ≤ 4 q + 2 ≤ k C k 4 q + 2 cos ⁡ k − ( 4 q + 2 ) θ ⋅ ( 1 − cos ⁡ 2 θ ) 2 q + 1 = ∑ p = 0 k d k , p cos ⁡ p θ , (3) \begin{aligned} & \cos k\theta =\sum\limits_{0\le 4q\le k}^{ {}}{C_{k}^{4q}{ {\cos }^{k-4q}}\theta \centerdot { {\sin }^{4q}}\theta }-\sum\limits_{0\le 4q+2\le k}^{ {}}{C_{k}^{4q+2}{ {\cos }^{k-\left( 4q+2 \right)}}\theta \centerdot { {\sin }^{4q+2}}\theta } \\ & =\sum\limits_{0\le 4q\le k}^{ {}}{C_{k}^{4q}{ {\cos }^{k-4q}}\theta \centerdot { {\left( 1-{ {\cos }^{2}}\theta \right)}^{2q}}}-\sum\limits_{0\le 4q+2\le k}^{ {}}{C_{k}^{4q+2}{ {\cos }^{k-\left( 4q+2 \right)}}\theta \centerdot { {\left( 1-{ {\cos }^{2}}\theta \right)}^{2q+1}}} \\ & =\sum\limits_{p=0}^{k}{ { {d}_{k,p}}{ {\cos }^{p}}\theta }, \\ \tag{3} \end{aligned}

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