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CIE 9231 2022 November Paper 21 Q7

A Level / CIE / FP2

CIE 9231 2022 Nov Paper 21 Paper · Question 7

题目

Problem

(a) State the sum of the series 1+w+w2+w3+…+wn−11+w+w^2+w^3+\ldots+w^{n-1}, for w≠1w\ne1.

(1)

(b) Show that (1+itan⁡θ)k=sec⁡kθ(cos⁡kθ+isin⁡kθ)(1+\mathrm{i}\tan\theta)^k=\sec^k\theta(\cos k\theta+\mathrm{i}\sin k\theta), where θ\theta is not an integer multiple of 12π\frac{1}{2}\pi.

(2)

(c) By considering ∑k=0n−1(1+itan⁡θ)k\displaystyle\sum_{k=0}^{n-1}(1+\mathrm{i}\tan\theta)^k, show that

∑k=0n−1sec⁡kθsin⁡kθ=cot⁡θ(1−sec⁡nθcos⁡nθ),\sum_{k=0}^{n-1}\sec^k\theta\sin k\theta=\cot\theta(1-\sec^n\theta\cos n\theta),

provided θ\theta is not an integer multiple of 12π\frac{1}{2}\pi.

(5)

(d) Hence find ∑k=06m−12ksin⁡(13kπ)\displaystyle\sum_{k=0}^{6m-1}2^k\sin\big(\frac{1}{3}k\pi\big) in terms of mm.

(2)
题目中文翻译

(a) 写出级数 1+w+w2+w3+…+wn−11+w+w^2+w^3+\ldots+w^{n-1} 的和,其中 w≠1w\ne1。

(1)

(b) 证明 (1+itan⁡θ)k=sec⁡kθ(cos⁡kθ+isin⁡kθ)(1+\mathrm{i}\tan\theta)^k=\sec^k\theta(\cos k\theta+\mathrm{i}\sin k\theta),其中 θ\theta 不是 12π\frac{1}{2}\pi 的整数倍。

(2)

(c) 通过考虑 ∑k=0n−1(1+itan⁡θ)k\displaystyle\sum_{k=0}^{n-1}(1+\mathrm{i}\tan\theta)^k,证明

∑k=0n−1sec⁡kθsin⁡kθ=cot⁡θ(1−sec⁡nθcos⁡nθ),\sum_{k=0}^{n-1}\sec^k\theta\sin k\theta=\cot\theta(1-\sec^n\theta\cos n\theta),

其中 θ\theta 不是 12π\frac{1}{2}\pi 的整数倍。

(5)

(d) 由此求 ∑k=06m−12ksin⁡(13kπ)\displaystyle\sum_{k=0}^{6m-1}2^k\sin\big(\frac{1}{3}k\pi\big),用含 mm 的式子表示。

(2)
原卷通用作答要求

Answer all questions. You should use a calculator where appropriate.

You must show all necessary working clearly; no marks will be given for unsupported answers from a calculator.

Give non-exact numerical answers correct to 3 significant figures, or 1 decimal place for angles in degrees, unless a different level of accuracy is specified in the question.

请回答所有题目。适当时应使用计算器。必须清楚展示所有必要的计算过程;仅给出计算器答案而没有过程,不予评分。除非题目另有精度要求,非精确数值答案保留 3 位有效数字,以度为单位的角度保留 1 位小数。

解答

(a)

解法一

思路

展开

用首项为 11、公比为 ww 的有限等比和公式。

答题过程

展开

For w≠1w\ne1, the sum is (wn−1)/(w−1)\boxed{(w^n-1)/(w-1)}.

(b)

解法一

思路

展开

先把 1+itan⁡θ1+\mathrm{i}\tan\theta 提出 sec⁡θ\sec\theta,括号内就可用 de Moivre 定理。

答题过程

展开

Since 1+itan⁡θ=sec⁡θ(cos⁡θ+isin⁡θ)1+\mathrm{i}\tan\theta=\sec\theta(\cos\theta+\mathrm{i}\sin\theta), de Moivre’s theorem gives

(1+itan⁡θ)k=sec⁡kθ(cos⁡kθ+isin⁡kθ).(1+\mathrm{i}\tan\theta)^k=\sec^k\theta(\cos k\theta+\mathrm{i}\sin k\theta).

(c)

解法一

思路

展开

对 w=1+itan⁡θw=1+\mathrm{i}\tan\theta 用 (a),其分母是纯虚数。将它改写为乘 −icot⁡θ-\mathrm{i}\cot\theta,再取虚部。

答题过程

展开

Let w=1+itan⁡θw=1+\mathrm{i}\tan\theta. By the condition on θ\theta, we have w≠1w\ne1 and

∑k=0n−1wk= wn−1w−1= wn−1itan⁡θ= −icot⁡θ (wn−1).\begin{align*} \sum_{k=0}^{n-1}w^k =&\,\frac{w^n-1}{w-1}\\ =&\,\frac{w^n-1}{\mathrm{i}\tan\theta}\\ =&\,-\mathrm{i}\cot\theta\,(w^n-1). \end{align*}

By (b), the imaginary part of wkw^k is sec⁡kθsin⁡kθ\sec^k\theta\sin k\theta. Using (b), the right-hand side expands as

 −icot⁡θ[sec⁡nθ(cos⁡nθ+isin⁡nθ)−1]= cot⁡θsec⁡nθsin⁡nθ +icot⁡θ(1−sec⁡nθcos⁡nθ).\begin{align*} &\,-\mathrm{i}\cot\theta\big[\sec^n\theta(\cos n\theta+\mathrm{i}\sin n\theta)-1\big]\\ =&\,\cot\theta\sec^n\theta\sin n\theta\\ &\,\hspace{2pt}+\mathrm{i}\cot\theta\big(1-\sec^n\theta\cos n\theta\big). \end{align*}

Equating imaginary parts gives

∑k=0n−1sec⁡kθsin⁡kθ=cot⁡θ(1−sec⁡nθcos⁡nθ).\sum_{k=0}^{n-1}\sec^k\theta\sin k\theta =\cot\theta(1-\sec^n\theta\cos n\theta).

(d)

解法一

思路

展开

在 (c) 中取 θ=π/3\theta=\pi/3、n=6mn=6m。此时 sec⁡θ=2\sec\theta=2,且 cos⁡(nθ)=1\cos(n\theta)=1。

答题过程

展开

With θ=π/3\theta=\pi/3 and n=6mn=6m, we have cot⁡θ=1/3\cot\theta=1/\sqrt3 and cos⁡(nθ)=cos⁡(2mπ)=1\cos(n\theta)=\cos(2m\pi)=1. Thus

∑k=06m−12ksin⁡(kπ/3)=1−26m3.\sum_{k=0}^{6m-1}2^k\sin(k\pi/3) =\boxed{\frac{1-2^{6m}}{\sqrt3}}.