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如何证明sin x < x?

不等式:

\sin x < x,\quad \left(0 < x < \frac{\pi}{2}\right)

这是微积分中非常重要的一个不等式,从它出发,推动逻辑齿轮,可以得到很多结论:

\sin x < x\implies \lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1\implies (\sin x)'=\cos x\implies\cdots

下面介绍该不等式的两种证明方式:

  • 一种出自同济大学的《高等数学》第七版,该书偏于应用,证明比较直觉
  • 另外一种参考自陶哲轩的《实分析》,该书数学味道更浓,证明比较严格

本文之所以要介绍这两种证明方法,是因为它们是旧时代数学和新时代数学的代表。

1 《高等数学》中的证明

同济大学的《高等数学》第七版:

马同学高等数学

虽然之前我们对它的可读性有一些批评,但作为广为使用的教材,在严谨性和教学性上,还是必须承认它是不错的。

1.1 证明

在同济大学的《高等数学》第七版中,该证明在第一章第六节,书上大概是这么写的,在单位圆上,设圆心角\angle AOB=x\left(0 < x < \frac{\pi}{2}\right),作BC\perp OA,容易知道:

\sin x=CB,\quad x=\overparen{AB}

画在图上就是:

马同学高等数学

从图中可以看出:

\triangle AOB的面积 < 扇形AOB的面积

很显然,在x\in\left(0,\frac{\pi}{2}\right)时,上述面积关系一直存在:

因此,算出面积后,可推出目标不等式:

\frac{1}{2}\sin x < \frac{1}{2}x\implies \sin x < x,\quad \left(0 < x < \frac{\pi}{2}\right)

1.2 缺陷

上述几何证明的理论基础来自于2000年前的《几何原本》以及后人对它的一些增补,可能你会觉得已经挺严格了,但在数学家眼里,满满都是缺陷,比如面积、弧长、弧度都没有明确定义:

马同学高等数学

上述说的数学家就是希尔伯特、布尔巴基等人,他们认为在《几何原本》已经千疮百孔,没有办法修补了,就在集合论基础上用公理的方法重新构造了整个现代数学,下面要介绍的《陶哲轩实分析》就是重新构造后的数学教科书。

2 《陶哲轩实分析》中的证明

大神陶哲轩:

马同学高等数学

写了一本《陶哲轩实分析》,这本书在豆瓣上面评分9.4。第一次看到的时候惊为天人,刷新了我对数学的认知。下面一起看看该书是怎么来证明的。

2.1 前置定义

《陶哲轩实分析》总共19章,该证明所需要的信息在15章的最后才出现,那么前面到底写了些什么?当然就是把刚才数学家认为的“缺陷”给定义出来:

        (1)定义了实数。过程大概是这样的,首先通过皮亚诺公理定义了自然数\mathbb{N},然后通过加减定义了整数\mathbb{Z},再然后通过乘除得到了有理数\mathbb{Q},最后通过柯西数列完成了对实数\mathbb{R}的定义:

\mathbb{N}\xrightarrow{\quad\large +/- \quad}\mathbb{Z}\xrightarrow{\quad\large \times/\div \quad}\mathbb{Q}\xrightarrow{\quad\large 柯西数列\quad}\mathbb{R}

        (2)定义了极限。顺便将无穷小、连续、各种中值定理给定义或者证明了。

        (3)定义了微积分。在极限的基础上,定义了导数、微分、积分等。

        (4)定义了什么是长度、什么是面积。这些定义在书中称为度量空间。比如,根据定义,(x_1,x_2)(y_1,y_2)之间的距离为:

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再通过定积分定义了面积和弧长:

马同学高等数学

        (5)定义了幂级数。

至此,完成了弧长、面积的定义,弧度在下面会给出定义。

2.2 不等式的证明

前置准备完成后,书中通过幂级数定义了正弦函数、余弦函数(在这里,作者顺便定义了\pi,就是使\sin(x)=0成立的最小正实数):


\begin{aligned}
    \sin x
        &=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n+1)!}}x^{2n+1}&&=x-{\frac {x^{3}}{3!}}+{\frac {x^{5}}{5!}}-\cdots \\
    \cos x
        &=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n)!}}x^{2n}&&=1-{\frac {x^{2}}{2!}}+{\frac {x^{4}}{4!}}-\cdots 
\end{aligned}

对上述定义两侧求导,可得:

(\sin x)'=\cos x,\quad (\cos x)'=-\sin x

接着定义函数f(x)=\sin^2 x+\cos^2 x,通过链式法则求导可得:

f'(x)=2\sin x\cos x-2\cos x\sin x=0

因为导数为0,所以可知f(x)的值为常数。又容易算出f(0)=1,所以有:

f(x)=\sin^2 x+\cos^2 x=1

上面这个式子说明|\sin x| < 1,从而可得:

\sin x < x,\quad (x > 1)

那剩下来只需证明0 < x\le 1的情况,在这个区间内,根据幂级数的性质容易得出(这里不再赘述,毕竟不是本文的重点):

\sin x=x-\underbrace{{\frac {x^{3}}{3!}}+{\frac {x^{5}}{5!}}-\cdots}_{\large 大于零},\quad (0 < x\le 1)

减去一个大于零的数,这说明:

\sin x < x,\quad (0 < x\le 1)

最终得到了目标不等式(从上述证明看,实际上这个不等式在整个正实数范围都是成立的):

\sin x < x,\quad \left(0 < x < \frac{\pi}{2}\right)

2.3 几何意义

几何中\sin\theta的定义是这样的,首先对直角三角形的各边进行命名:

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得到正弦的定义为:

\sin\theta=\frac{对边}{斜边}

那么在《陶哲轩实分析》中定义的\sin x几何意义也一样吗?我们来看看,先构造参数方程:


\begin{cases}
    x=\cos t\\
    y=\sin t
\end{cases}

根据之前得到的f(x)=\sin^2 x+\cos^2 x=1,结合距离的定义,上述参数方程描述的就是中心点在圆心的单位圆:

如果B点坐标为(\cos\theta,\sin\theta),定义圆心角\angle AOB的角度为\theta(弧度的定义也有了),作BC\perp OA,容易知道OB=1以及BC=\sin\theta

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那么有:

\theta的正弦=\frac{对边}{斜边}=\frac{BC}{OB}=\sin\theta

因此,这样定义的\sin x也具有同样的几何意义。

3 总结

在初中介绍三角函数的时候。如果老师告诉你,正弦函数的定义如下,要这样都不弃学,我给你点个赞:

\sin x=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n+1)!}}x^{2n+1}=x-{\frac {x^{3}}{3!}}+{\frac {x^{5}}{5!}}-\cdots

现代数学的公理化构造方式,搭建了牢不可破的数学大厦,但确实造成了理解上的障碍。所以,我们还是应该选择循序渐进的学习方式,从一些几何直观出发,逐步去拥抱数学。

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