医科歯科大2008:第2問


以下の各問いに答えよ. ただし \(t\) は \(0 \lt t \lt \pi\) を満たす実数とする.

  1. (1) 次の等式を証明せよ. \[ \left( \cos \dfrac{t}{2} \right) \left( \cos \dfrac{t}{4} \right) \left( \cos \dfrac{t}{8} \right) = \dfrac{\sin t}{8 \sin \dfrac{t}{8}} \]

  2. (2) 次のように定義される数列 \(\{ a _ n \}\) の極限値 \(\displaystyle\lim _ {n \rightarrow \infty} a _ n\) を \(t\) を用いて表せ. \[ a _ 1 = \cos \dfrac{t}{2} , \ a _ n = a _ {n-1} \left( \cos \dfrac{t}{2^n} \right) \quad ( n =2, 3, \cdots ) \]

  3. (3) 数列 \(\{ b _ n \} , \{ c _ n \}\) を次のように定義する. \[\begin{align} b _ 1 & = \sqrt{\dfrac{1}{2}} , \ b _ n = \sqrt{\dfrac{1 +b _ {n-1}}{2}} \quad ( n = 2, 3, \cdots ) \\ c _ 1 & = \sqrt{\dfrac{1}{2}} , \ c _ n = c _ {n-1} b _ n \quad ( n = 2, 3, \cdots ) \end{align}\] このとき \(\displaystyle\lim _ {n \rightarrow \infty} c _ n\) を求めよ.


【 解 答 】

(1)

\(2\) 倍角の公式を用いれば \[\begin{align} 8 \left( \cos \dfrac{t}{2} \right) & \left( \cos \dfrac{t}{4} \right) \left( \cos \dfrac{t}{8} \right) \left( \sin \dfrac{t}{8} \right) \\ & = 4 \left( \cos \dfrac{t}{2} \right) \left( \cos \dfrac{t}{4} \right) \left( \sin \dfrac{t}{4} \right) \\ & = 2 \left( \cos \dfrac{t}{2} \right) \left( \sin \dfrac{t}{2} \right) \\ & = \sin t \end{align}\] よって, 題意は示された.

(2)

条件より \[ a _ n =\left( \cos \dfrac{t}{2^n} \right) \left( \cos \dfrac{t}{2^{n-1}} \right) \cdots \left( \cos \dfrac{t}{2} \right) \] (1) と同様にすれば, \[ a _ n =\dfrac{\sin t}{2^n \sin \dfrac{t}{2^n}} \] よって, 求める値は \[\begin{align} \displaystyle\lim _ {n \rightarrow \infty} a _ n & = \displaystyle\lim _ {n \rightarrow \infty} \dfrac{\sin t}{t \left( \dfrac{2^n}{t} \sin \dfrac{t}{2^n}\right)} \\ & = \dfrac{\sin t}{t \cdot 1} \quad \left( \ \text{∵} \ n \rightarrow \infty \text{のとき,} \ \dfrac{t}{2^n} \rightarrow 0 \ \right) \\ & = \underline{\dfrac{\sin t}{t}} \end{align}\]

(3)

まず \[ b _ n = \cos \dfrac{\pi}{2^{n+1}} \quad ... [\text{A}] \] となることを数学的帰納法を用いて示す.

  1. 1* \(n = 1\) のとき \[ b _ 1 = \sqrt{\dfrac{1}{2}} = \cos \dfrac{\pi}{4} \] なので, [A] は成立する.

  2. 2* \(n = k-1 \ ( k \geqq 2 )\) のとき
    [A] が成立すると仮定すると \[ a _ {k} = \sqrt{\dfrac{1 +\cos \dfrac{\pi}{2^k}}{2}} = \cos \dfrac{\pi}{2^{k+1}} \] なので, \(n = k\) のときも, [A] は成立する.

よって, すべての自然数 \(n\) について, [A] が成立する. ここで \[ c _ 1 = \sqrt{\dfrac{1}{2}} = \cos \dfrac{\pi}{4} \] であり \[ c _ n = c _ {n-1} \left( \cos \dfrac{\pi}{2^{n+1}} \right) \] なので, 数列 \(\{ c _ n \}\) は, \(t = \dfrac{\pi}{2}\) とおいた数列 \(\{ a _ n \}\) である.
よって, 求める値は \[ \displaystyle\lim _ {n \rightarrow \infty} c _ n = \dfrac{\sin \dfrac{\pi}{2}}{\dfrac{\pi}{2}} = \underline{\dfrac{2}{\pi}} \]

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