実数 $u, \theta$ は $0 < u < \frac{\pi}{4}, 0 < \theta < \frac{\pi}{2}$ を満たす定数とする。 (1) $t = \tan u$ とおくとき、$\frac{\tan u}{\tan 2u}$ を $t$ を用いて表す。 (2) 無限級数 $\sum_{n=1}^{\infty} \log(1 - \tan^2 \frac{\theta}{2^n})$ の和を求める。

解析学三角関数無限級数極限対数関数
2025/6/5

1. 問題の内容

実数 u,θu, \theta0<u<π4,0<θ<π20 < u < \frac{\pi}{4}, 0 < \theta < \frac{\pi}{2} を満たす定数とする。
(1) t=tanut = \tan u とおくとき、tanutan2u\frac{\tan u}{\tan 2u}tt を用いて表す。
(2) 無限級数 n=1log(1tan2θ2n)\sum_{n=1}^{\infty} \log(1 - \tan^2 \frac{\theta}{2^n}) の和を求める。

2. 解き方の手順

(1) tan2u=2tanu1tan2u\tan 2u = \frac{2\tan u}{1 - \tan^2 u} なので、
tanutan2u=tanu2tanu1tan2u=1tan2u2=1t22\frac{\tan u}{\tan 2u} = \frac{\tan u}{\frac{2\tan u}{1 - \tan^2 u}} = \frac{1 - \tan^2 u}{2} = \frac{1 - t^2}{2}
(2)
SN=n=1Nlog(1tan2θ2n)S_N = \sum_{n=1}^{N} \log(1 - \tan^2 \frac{\theta}{2^n}) とする。
log(1tan2θ2n)=log(cos2θ2nsin2θ2ncos2θ2n)=log(cosθ2n1cos2θ2n)\log(1 - \tan^2 \frac{\theta}{2^n}) = \log(\frac{\cos^2 \frac{\theta}{2^n} - \sin^2 \frac{\theta}{2^n}}{\cos^2 \frac{\theta}{2^n}}) = \log(\frac{\cos \frac{\theta}{2^{n-1}}}{\cos^2 \frac{\theta}{2^n}})
したがって、
SN=n=1Nlog(cosθ2n1cos2θ2n)=n=1N(log(cosθ2n1)2log(cosθ2n))S_N = \sum_{n=1}^{N} \log(\frac{\cos \frac{\theta}{2^{n-1}}}{\cos^2 \frac{\theta}{2^n}}) = \sum_{n=1}^{N} (\log(\cos \frac{\theta}{2^{n-1}}) - 2\log(\cos \frac{\theta}{2^n}))
SN=(log(cosθ)2log(cosθ2))+(log(cosθ2)2log(cosθ4))++(log(cosθ2N1)2log(cosθ2N))S_N = (\log(\cos \theta) - 2\log(\cos \frac{\theta}{2})) + (\log(\cos \frac{\theta}{2}) - 2\log(\cos \frac{\theta}{4})) + \dots + (\log(\cos \frac{\theta}{2^{N-1}}) - 2\log(\cos \frac{\theta}{2^N}))
SN=log(cosθ)log(cosθ2)log(cosθ4)log(cosθ2N)log(cosθ2N)S_N = \log(\cos \theta) - \log(\cos \frac{\theta}{2}) - \log(\cos \frac{\theta}{4}) - \dots - \log(\cos \frac{\theta}{2^N}) - \log(\cos \frac{\theta}{2^N})
SN=log(cosθ)n=1Nlog(cosθ2n)log(cosθ2N)S_N = \log(\cos \theta) - \sum_{n=1}^{N} \log(\cos \frac{\theta}{2^n}) - \log(\cos \frac{\theta}{2^N})
SN=logcosθlog(n=1Ncosθ2n)log(cosθ2N)S_N = \log \cos \theta - \log (\prod_{n=1}^N \cos \frac{\theta}{2^n}) - \log (\cos \frac{\theta}{2^N})
n=1Ncosθ2n=cosθ2cosθ4cosθ2N=sinθ2Nsinθ2N\prod_{n=1}^N \cos \frac{\theta}{2^n} = \cos \frac{\theta}{2} \cos \frac{\theta}{4} \dots \cos \frac{\theta}{2^N} = \frac{\sin \theta}{2^N \sin \frac{\theta}{2^N}} より
SN=logcosθlog(sinθ2Nsinθ2N)log(cosθ2N)=log(cosθ2Nsinθ2Nsinθ1cosθ2N)=log(cosθsinθ2Nsinθ2Ncosθ2N)S_N = \log \cos \theta - \log(\frac{\sin \theta}{2^N \sin \frac{\theta}{2^N}}) - \log (\cos \frac{\theta}{2^N}) = \log (\cos \theta \cdot \frac{2^N \sin \frac{\theta}{2^N}}{\sin \theta} \cdot \frac{1}{\cos \frac{\theta}{2^N}}) = \log(\frac{\cos \theta}{\sin \theta} \cdot \frac{2^N \sin \frac{\theta}{2^N}}{\cos \frac{\theta}{2^N}})
limN2Nsinθ2N=θ\lim_{N \to \infty} 2^N \sin \frac{\theta}{2^N} = \theta かつ limNcosθ2N=1\lim_{N \to \infty} \cos \frac{\theta}{2^N} = 1 なので、
limNSN=log(θcosθsinθ)=log(θcotθ)\lim_{N \to \infty} S_N = \log (\frac{\theta \cos \theta}{\sin \theta}) = \log (\theta \cot \theta)

3. 最終的な答え

(1) tanutan2u=1t22\frac{\tan u}{\tan 2u} = \frac{1 - t^2}{2}
(2) n=1log(1tan2θ2n)=log(θcotθ)\sum_{n=1}^{\infty} \log(1 - \tan^2 \frac{\theta}{2^n}) = \log (\theta \cot \theta)

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