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東北大学 2012年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第5問

以下の問いに答えよ。

(1) 実数θに対し,α=cos⁡θ+isin⁡θ,β=cos⁡θ−isin⁡θとおく。すべての自然数nに対して,αn=cos⁡nθ+isin⁡nθ,βn=cos⁡nθ−isin⁡nθが成り立つことを示せ。ただし,iは虚数単位を表す。

(2) θ=2π7とし,
(1)で定めたα,βを考える。
α7=1を示せ。
また,k,lは自然数でk+lが7の倍数のとき,αk=βlとなることを示せ。

(3) θ=2π7とし,
(1)で定めたα,βを考える。A=α+α2+α4,B=β+β2+β4とおいたとき,A+B,ABの値を求めよ。

(4) θ=2π7のとき,
sin⁡θ+sin⁡2θ+sin⁡4θの値を求めよ。

難易度6/ 10計算量5/ 10目安28分

複素数平面、三角関数 複素数の極形式、数学的帰納法、実部虚部比較

方針

(1) は加法定理を用いた帰納法でド・モアブル型の公式を示す。(2)では θ=2π/7 から α7=1 と β=α−1 を使う。(3)は B を α の負の指数、つまり α6+α5+α3 と見直し、7乗根の和 1+α+⋯+α6=0 で A+B、AB を求める。(4)は A の虚部を求める問題に変換する。

解答

(1) n=1 では定義そのものである。ある自然数 n で αn=cos⁡nθ+isin⁡nθ が成り立つと仮定する。このとき αn+1=(cos⁡nθ+isin⁡nθ)(cos⁡θ+isin⁡θ) である。加法定理を用いると αn+1=cos⁡(n+1)θ+isin⁡(n+1)θ となる。したがって帰納法により、すべての自然数 n で成り立つ。β についても同様に、または i を −i に置き換えて同じ議論により βn=cos⁡nθ−isin⁡nθ が成り立つ。

(2) θ=2π/7 であるから、(1)より α7=cos⁡2π+isin⁡2π=1 である。また αβ=(cos⁡θ+isin⁡θ)(cos⁡θ−isin⁡θ)=1 なので β=α−1 である。 k+l が7の倍数であるとする。このとき k+l=7r と書ける。α7=1 より αk+l=1 であるから αk=α−l である。さらに α−1=β なので αk=βl である。

(3) β=α−1、α7=1 より β=α6,β2=α5,β4=α3 である。したがって B=α6+α5+α3 である。 α≠1 で α7=1 だから 1+α+α2+⋯+α6=0 である。よって A+B=α+α2+α3+α4+α5+α6=−1 であり、A+B=−1 である。

次に AB を計算する。積の各項の指数を7で割った余りで見ると、{1,2,4}+{6,5,3} から、指数0になる項が3個あり、指数1から6までの項がそれぞれ1個ずつ現れる。したがって AB=3+(α+α2+⋯+α6)=3−1=2 である。よって AB=2 である。

(4) B は A の共役複素数である。したがって A=u+iv とおくと A+B=2u,AB=u2+v2 である。(3)より 2u=−1 なので u=−12 である。また u2+v2=2 だから 14+v2=2 であり、v2=74 である。

ここで v は v=sin⁡θ+sin⁡2θ+sin⁡4θ である。θ=2π/7 では sin⁡θ>0、sin⁡2θ>0、sin⁡4θ=−sin⁡(π/7) であり、sin⁡2θ>sin⁡(π/7) だから和は正である。よって sin⁡θ+sin⁡2θ+sin⁡4θ=72 である。

総評

難度6、目安時間28分。7乗根の性質を三角関数の和に結びつける問題である。(3)では B を α6+α5+α3 と書き換えると、A+B と AB の計算が一気に見通せる。(4)は A の虚部が求める和であること、符号が正であることを最後に確認するのが重要である。

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出典: 東北大学 2012年度 後期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。