方針
(1) は積和公式 を使い、 から まで足すと中間項が消えることを示す。(2)では が解でないことを先に除外し、(1)の恒等式に を代入する。あとは の一般解を2種類に分け、最初の種類では を除外する。
解答
(1)
積和公式よりである。これを について足すと、右辺の中間項が打ち消し合い、を得る。両辺に を加えるとである。よって示された等式が成り立つ。
(2) のとき、 だから となり、解ではない。したがって以下では としてよい。 とすると、(1)より である。 の一般解を用いると、 または である。前者から を得る。ただし が の倍数のときは となり解ではない。
後者からは なので を得る。こちらは にはならない。
以上より、求める解はである。
別解
解法2(余弦の和の公式で因数分解する)
方針
余弦の等差数列の和を と表す。(1)を導いた後、(2)は分子の2因子をそれぞれ0とし、分母が0になる値だけを除く。
解答
(1)
のとき、余弦の和の公式からしたがって の場合も両辺は0なので、等式はすべての実数 で成り立つ。
(2)
では和が となるため解ではない。したがって としてよい。和の公式から第1因子が0ならただし が の倍数なら となるので除く。第2因子が0ならゆえに
総評
難度5、目安時間16分。三角関数の和を積和公式で望遠和にする標準問題である。(2)では の場合を先に除外しないと、(1)からの変形で余計な解を含めやすい。 の一般解は2系列あり、 の系列だけ が の倍数でないという除外条件が必要になる。