京大理系2021:第3問


無限級数 \(\textstyle\sum\limits _ {n=0}^{\infty} \left( \dfrac{1}{2} \right)^n \cos \dfrac{n \pi}{6}\) の和を求めよ.


【 解 答 】

\(\alpha = \cos \dfrac{\pi}{6} +i \sin \dfrac{\pi}{6} = \dfrac{\sqrt{3}}{2} +\dfrac{i}{2}\) とおくと
\(\alpha^n = \cos \dfrac{n \pi}{6} +i \sin \dfrac{n \pi}{6}\) なので \[ \left( \dfrac{1}{2} \right)^n \cos \dfrac{n \pi}{6} = \dfrac{1}{2} \left\{ \left( \dfrac{\alpha}{2} \right)^n +\left( \dfrac{\overline{\alpha}}{2} \right)^n \right\} \] したがって, 求める和 \(S\) は \[ S = \displaystyle\lim _ {n \rightarrow \infty} \dfrac{1}{2} \left\{ \dfrac{1 -\left( \dfrac{\alpha}{2} \right)^{n+1}}{1 -\dfrac{\alpha}{2}} +\dfrac{1 -\left( \dfrac{\overline{\alpha}}{2} \right)^{n+1}}{1 -\dfrac{\overline{\alpha}}{2}} \right\} \] \(\left| \dfrac{\alpha}{2} \right| = \left| \dfrac{\overline{\alpha}}{2} \right| = \dfrac{1}{2}\) なので \[ \displaystyle\lim _ {n \rightarrow \infty} \left| \dfrac{\alpha}{2} \right|^{n+1} = \displaystyle\lim _ {n \rightarrow \infty} \left| \dfrac{\overline{\alpha}}{2} \right|^{n+1} = 0 \] ゆえに \[ \displaystyle\lim _ {n \rightarrow \infty} \left( \dfrac{\alpha}{2} \right)^{n+1} = \displaystyle\lim _ {n \rightarrow \infty} \left( \dfrac{\overline{\alpha}}{2} \right)^{n+1} = 0 \] したがって \[\begin{align} S & = \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{1}{1 -\dfrac{\alpha}{2}} +\dfrac{1}{1 -\dfrac{\overline{\alpha}}{2}} \right) \\ & = \dfrac{1}{2 -\alpha} +\dfrac{1}{2 -\overline{\alpha}} \\ & = \dfrac{4 -\alpha -\overline{\alpha}}{| 2 -\alpha |^2} \end{align}\] ここで \[\begin{align} | 2 -\alpha |^2 & = \left( 2 -\dfrac{\sqrt{3}}{2} \right)^2 +\left( \dfrac{1}{2} \right)^2 \\ & = 4 +\dfrac{3}{4} -2\sqrt{3} +\dfrac{1}{4} \\ & = 5 -2 \sqrt{3} \ , \\ 4 -\alpha -\overline{\alpha} & = 4 -\sqrt{3} \end{align}\] なので \[\begin{align} S & = \dfrac{4 -\sqrt{3}}{5 -2 \sqrt{3}} \\ & = \dfrac{\left( 4 -\sqrt{3} \right) \left( 5 +2 \sqrt{3} \right)}{13} \\ & = \underline{\dfrac{14 +3 \sqrt{3}}{13}} \end{align}\]

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