$n$ が自然数のとき、$(\frac{1+i}{\sqrt{2}})^n - (\frac{1-i}{\sqrt{2}})^n$ の値を求める。

代数学複素数ド・モアブルの定理三角関数極形式
2025/4/4

1. 問題の内容

nn が自然数のとき、(1+i2)n(1i2)n(\frac{1+i}{\sqrt{2}})^n - (\frac{1-i}{\sqrt{2}})^n の値を求める。

2. 解き方の手順

まず、1+i1+i1i1-i を極形式で表す。
1+i=2(cos(π4)+isin(π4))1+i = \sqrt{2}(\cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4}))
1i=2(cos(π4)+isin(π4))1-i = \sqrt{2}(\cos(-\frac{\pi}{4}) + i\sin(-\frac{\pi}{4}))
したがって、
1+i2=cos(π4)+isin(π4)\frac{1+i}{\sqrt{2}} = \cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4})
1i2=cos(π4)+isin(π4)\frac{1-i}{\sqrt{2}} = \cos(-\frac{\pi}{4}) + i\sin(-\frac{\pi}{4})
ド・モアブルの定理より、
(1+i2)n=(cos(π4)+isin(π4))n=cos(nπ4)+isin(nπ4)(\frac{1+i}{\sqrt{2}})^n = (\cos(\frac{\pi}{4}) + i\sin(\frac{\pi}{4}))^n = \cos(\frac{n\pi}{4}) + i\sin(\frac{n\pi}{4})
(1i2)n=(cos(π4)+isin(π4))n=cos(nπ4)+isin(nπ4)=cos(nπ4)isin(nπ4)(\frac{1-i}{\sqrt{2}})^n = (\cos(-\frac{\pi}{4}) + i\sin(-\frac{\pi}{4}))^n = \cos(-\frac{n\pi}{4}) + i\sin(-\frac{n\pi}{4}) = \cos(\frac{n\pi}{4}) - i\sin(\frac{n\pi}{4})
(1+i2)n(1i2)n=(cos(nπ4)+isin(nπ4))(cos(nπ4)isin(nπ4))(\frac{1+i}{\sqrt{2}})^n - (\frac{1-i}{\sqrt{2}})^n = (\cos(\frac{n\pi}{4}) + i\sin(\frac{n\pi}{4})) - (\cos(\frac{n\pi}{4}) - i\sin(\frac{n\pi}{4}))
=2isin(nπ4)= 2i\sin(\frac{n\pi}{4})

3. 最終的な答え

2isin(nπ4)2i\sin(\frac{n\pi}{4})

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