## 1. 問題の内容

解析学極限複素数複素数平面ド・モアブルの定理偏角無限級数
2025/8/4
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1. 問題の内容

画像に記載された数学の問題を解きます。具体的には以下の7問です。

1. 極限 $\lim_{x \to \frac{\pi}{6}} \frac{\sin x - \frac{1}{2}}{x - \frac{\pi}{6}}$ を求める。

2. 複素数平面上の3点O(0), A(2+$\sqrt{3}i$), Bがあり、$\angle AOB = \frac{\pi}{6}$ かつ OA = 2OBを満たしているとき、点Bを表す複素数を求める。

3. $i$を虚数単位とするとき、$(\frac{1+\sqrt{3}i}{1+i})^{12}=a+bi$を満たす実数$a, b$を求める。

4. 複素数$\frac{5-2i}{7+3i}$の偏角を$\theta$とするとき、$\theta$を求める(ただし、$i=\sqrt{-1}$, $0\le\theta<2\pi$)。

5. $z=1+2i$のとき、$z^5$を求める。また、複素数平面上の3点O(0), A(z), B($z^3$)に対して, $\sin \angle AOB$の値を求める(ただし、$i=\sqrt{-1}$)。

6. $\alpha=1+i, \beta=(1-\sqrt{2})+(1+\sqrt{2})i$とし、複素数平面上の3点O(0), A($\alpha$), B($\beta$)を考える。このとき、$\frac{\beta}{\alpha}$を計算し、三角形OABの面積を求める(ただし、$i=\sqrt{-1}$)。

7. 等比数列 $\{a_n\}$ が $a_1 = \sqrt{3}-1, a_2 = 4-2\sqrt{3}$ を満たすとき、無限級数 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ の和を求める。

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2. 解き方の手順

1. **極限**

* ロピタルの定理を用いる。limxaf(x)g(x)=limxaf(x)g(x)\lim_{x \to a} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x \to a} \frac{f'(x)}{g'(x)}
* f(x)=sinx12f(x) = \sin x - \frac{1}{2}, g(x)=xπ6g(x) = x - \frac{\pi}{6}
* f(x)=cosxf'(x) = \cos x, g(x)=1g'(x) = 1
* limxπ6cosx1=cosπ6=32\lim_{x \to \frac{\pi}{6}} \frac{\cos x}{1} = \cos \frac{\pi}{6} = \frac{\sqrt{3}}{2}

2. **複素数平面**

* OA=2+3i=22+(3)2=4+3=7OA = |2 + \sqrt{3}i| = \sqrt{2^2 + (\sqrt{3})^2} = \sqrt{4+3} = \sqrt{7}
* OB=OA2=72OB = \frac{OA}{2} = \frac{\sqrt{7}}{2}
* 点Bを表す複素数をzzとおくと、z=OB(cos(π6+θ)+isin(π6+θ))z = OB(\cos(\frac{\pi}{6}+\theta) + i \sin(\frac{\pi}{6}+\theta))。ここでθ\thetaはOAが実軸となす角であり、A(2+3i2+\sqrt{3}i)よりcosθ=27,sinθ=37\cos\theta = \frac{2}{\sqrt{7}}, \sin \theta = \frac{\sqrt{3}}{\sqrt{7}}
* cos(π6+θ)=cosπ6cosθsinπ6sinθ=32271237=327\cos(\frac{\pi}{6}+\theta) = \cos\frac{\pi}{6}\cos\theta - \sin\frac{\pi}{6}\sin\theta = \frac{\sqrt{3}}{2}\frac{2}{\sqrt{7}} - \frac{1}{2}\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{7}} = \frac{\sqrt{3}}{2\sqrt{7}}
* sin(π6+θ)=sinπ6cosθ+cosπ6sinθ=1227+3237=2+327=527\sin(\frac{\pi}{6}+\theta) = \sin\frac{\pi}{6}\cos\theta + \cos\frac{\pi}{6}\sin\theta = \frac{1}{2}\frac{2}{\sqrt{7}} + \frac{\sqrt{3}}{2}\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{7}} = \frac{2+3}{2\sqrt{7}} = \frac{5}{2\sqrt{7}}
* z=72(327+i527)=34+i54z = \frac{\sqrt{7}}{2}(\frac{\sqrt{3}}{2\sqrt{7}} + i\frac{5}{2\sqrt{7}}) = \frac{\sqrt{3}}{4} + i\frac{5}{4}

3. **複素数計算**

* 1+3i1+i=(1+3i)(1i)(1+i)(1i)=1i+3i3i21i2=1i+3i+32=1+32+312i\frac{1+\sqrt{3}i}{1+i} = \frac{(1+\sqrt{3}i)(1-i)}{(1+i)(1-i)} = \frac{1 - i + \sqrt{3}i - \sqrt{3}i^2}{1-i^2} = \frac{1 - i + \sqrt{3}i + \sqrt{3}}{2} = \frac{1+\sqrt{3}}{2} + \frac{\sqrt{3}-1}{2}i
* z=1+32+312i=r(cosθ+isinθ)z = \frac{1+\sqrt{3}}{2} + \frac{\sqrt{3}-1}{2}i = r (\cos\theta + i\sin\theta)とおく
* r=(1+32)2+(312)2=1+23+3+323+14=84=2r = \sqrt{(\frac{1+\sqrt{3}}{2})^2 + (\frac{\sqrt{3}-1}{2})^2} = \sqrt{\frac{1 + 2\sqrt{3} + 3 + 3 - 2\sqrt{3} + 1}{4}} = \sqrt{\frac{8}{4}} = \sqrt{2}
* θ=arctan(311+3)=arctan((31)(31)31)=arctan(323+12)=arctan(23)=π12\theta = \arctan(\frac{\sqrt{3}-1}{1+\sqrt{3}}) = \arctan(\frac{(\sqrt{3}-1)(\sqrt{3}-1)}{3-1}) = \arctan(\frac{3-2\sqrt{3}+1}{2}) = \arctan(2-\sqrt{3})=\frac{\pi}{12}
* z=2(cosπ12+isinπ12)z = \sqrt{2}(\cos\frac{\pi}{12} + i\sin\frac{\pi}{12})
* z12=(2)12(cosπ+isinπ)=26(1+0i)=64z^{12} = (\sqrt{2})^{12} (\cos\pi + i\sin\pi) = 2^6 (-1 + 0i) = -64
* したがって、a=64,b=0a = -64, b = 0

4. **複素数の偏角**

* 52i7+3i=(52i)(73i)(7+3i)(73i)=3515i14i+6i2499i2=3529i649+9=2929i58=1212i\frac{5-2i}{7+3i} = \frac{(5-2i)(7-3i)}{(7+3i)(7-3i)} = \frac{35 - 15i - 14i + 6i^2}{49 - 9i^2} = \frac{35 - 29i - 6}{49 + 9} = \frac{29 - 29i}{58} = \frac{1}{2} - \frac{1}{2}i
* 偏角θ\thetatanθ=1212=1\tan\theta = \frac{-\frac{1}{2}}{\frac{1}{2}} = -1 を満たす。0θ<2π0 \le \theta < 2\piより、θ=7π4\theta = \frac{7\pi}{4}

5. **複素数計算とsin**

* z=1+2iz = 1 + 2i
* z2=(1+2i)2=1+4i+4i2=1+4i4=3+4iz^2 = (1+2i)^2 = 1 + 4i + 4i^2 = 1 + 4i - 4 = -3 + 4i
* z3=z2z=(3+4i)(1+2i)=36i+4i+8i2=32i8=112iz^3 = z^2 \cdot z = (-3+4i)(1+2i) = -3 - 6i + 4i + 8i^2 = -3 - 2i - 8 = -11 - 2i
* z5=z2z3=(3+4i)(112i)=33+6i44i8i2=3338i+8=4138iz^5 = z^2 \cdot z^3 = (-3+4i)(-11-2i) = 33 + 6i - 44i - 8i^2 = 33 - 38i + 8 = 41 - 38i
* OA=(1,2)\overrightarrow{OA} = (1,2), OB=(11,2)\overrightarrow{OB} = (-11, -2)
* cosAOB=OAOBOAOB=(1)(11)+(2)(2)12+22(11)2+(2)2=1145125=15625=1525=35\cos \angle AOB = \frac{\overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB}}{|\overrightarrow{OA}||\overrightarrow{OB}|} = \frac{(1)(-11) + (2)(-2)}{\sqrt{1^2+2^2} \sqrt{(-11)^2+(-2)^2}} = \frac{-11-4}{\sqrt{5}\sqrt{125}} = \frac{-15}{\sqrt{625}} = \frac{-15}{25} = -\frac{3}{5}
* sin2AOB+cos2AOB=1\sin^2 \angle AOB + \cos^2 \angle AOB = 1, sinAOB=±1cos2AOB=±1(35)2=±1925=±1625=±45\sin \angle AOB = \pm\sqrt{1 - \cos^2 \angle AOB} = \pm\sqrt{1 - (-\frac{3}{5})^2} = \pm\sqrt{1 - \frac{9}{25}} = \pm\sqrt{\frac{16}{25}} = \pm\frac{4}{5}
* AOB\angle AOB は 0 から π\pi の間の角なのでsinAOB\sin \angle AOBは正の値をとる。したがって、sinAOB=45\sin \angle AOB = \frac{4}{5}

6. **複素数の商と三角形の面積**

* α=1+i,β=(12)+(1+2)i\alpha = 1+i, \beta = (1-\sqrt{2}) + (1+\sqrt{2})i
* βα=(12)+(1+2)i1+i=((12)+(1+2)i)(1i)(1+i)(1i)=(12)(12)i+(1+2)i(1+2)i22=12+1+2+i(1+2+1+2)2=2+22i2=1+2i\frac{\beta}{\alpha} = \frac{(1-\sqrt{2}) + (1+\sqrt{2})i}{1+i} = \frac{((1-\sqrt{2}) + (1+\sqrt{2})i)(1-i)}{(1+i)(1-i)} = \frac{(1-\sqrt{2}) - (1-\sqrt{2})i + (1+\sqrt{2})i - (1+\sqrt{2})i^2}{2} = \frac{1-\sqrt{2} + 1 + \sqrt{2} + i(-1+\sqrt{2}+1+\sqrt{2})}{2} = \frac{2 + 2\sqrt{2}i}{2} = 1+\sqrt{2}i
* O(0,0),A(1,1),B(12,1+2)O(0,0), A(1,1), B(1-\sqrt{2}, 1+\sqrt{2})
* 三角形OABの面積 = 12x1y2x2y1\frac{1}{2} |x_1y_2 - x_2y_1| = 121(1+2)1(12)\frac{1}{2} |1(1+\sqrt{2}) - 1(1-\sqrt{2})| = 121+21+2=1222=2\frac{1}{2}|1+\sqrt{2}-1+\sqrt{2}| = \frac{1}{2}|2\sqrt{2}| = \sqrt{2}

7. **無限級数**

* a1=31,a2=423a_1 = \sqrt{3} - 1, a_2 = 4 - 2\sqrt{3}
* 公比 r=a2a1=42331=2(23)31=2(23)(3+1)(31)(3+1)=2(23+233)31=2(31)2=31r = \frac{a_2}{a_1} = \frac{4-2\sqrt{3}}{\sqrt{3}-1} = \frac{2(2-\sqrt{3})}{\sqrt{3}-1} = \frac{2(2-\sqrt{3})(\sqrt{3}+1)}{(\sqrt{3}-1)(\sqrt{3}+1)} = \frac{2(2\sqrt{3}+2-3-\sqrt{3})}{3-1} = \frac{2(\sqrt{3}-1)}{2} = \sqrt{3}-1
* 無限級数の和 S=a11r=311(31)=3123=(31)(2+3)(23)(2+3)=23+32343=3+11=3+1S = \frac{a_1}{1-r} = \frac{\sqrt{3}-1}{1-(\sqrt{3}-1)} = \frac{\sqrt{3}-1}{2-\sqrt{3}} = \frac{(\sqrt{3}-1)(2+\sqrt{3})}{(2-\sqrt{3})(2+\sqrt{3})} = \frac{2\sqrt{3}+3-2-\sqrt{3}}{4-3} = \frac{\sqrt{3}+1}{1} = \sqrt{3}+1
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3. 最終的な答え

1. $\frac{\sqrt{3}}{2}$

2. $\frac{\sqrt{3}}{4} + \frac{5}{4}i$

3. $a = -64, b=0$

4. $\theta = \frac{7\pi}{4}$

5. $z^5 = 41-38i$, $\sin\angle AOB = \frac{4}{5}$

6. $\frac{\beta}{\alpha} = 1+\sqrt{2}i$, 三角形OABの面積は$\sqrt{2}$

7. $\sqrt{3} + 1$

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