Mostrando que $\sum_{k=0}^{\infty} a^{k} \cos(kx) = \frac{1- a \cos x}{1-2a \cos x + a^{2}}$ sin el uso de variables complejas

Question

La identidad de $$\sum_{k=0}^{\infty} a^{k} \cos(kx) = \frac{1- a \cos x}{1-2a \cos x + a^{2}} \ , \ |a| <1$$

pueden ser obtenidos mediante el hecho de que $ \displaystyle \sum_{k=0}^{\infty} a^{k} \cos(kx) = \text{Re} \sum_{k=0}^{\infty} (ae^{ix})^{k}$.

Pero puede ser derivadas sin el uso de variables complejas?

Answer 1

Aquí es muy poco elegante de la prueba: \begin{eqnarray} (1-2a\cos x+a^2)&\times&\sum_{k=0}^\infty a^k\cos(kx) \\&=&\sum_{k=0}^\infty a^k\cos(kx)-2\sum_{k=1}^\infty a^k\cos((k-1)x)\cos x+\sum_{k=2}^\infty a^k\cos((k-2)x)\\ &=&1-a\cos x+\sum_{k=2}^\infty a^k\left[\cos(kx)-2\cos((k-1)x)\cos x+\cos(k-2)x) \right]\\ &=&1-a\cos x\, . \end{eqnarray}

Edit. Me doy cuenta de que esto es LutzL la respuesta

Answer 2

El uso de la identidad,

$$\cos{\left(nx\right)}=\sum_{k=0}^{\lfloor\frac{n}{2}\rfloor}(-1)^k\binom{n}{2k}\sin^{2k}{\left(x\right)}\cos^{n-2k}{\left(x\right)},$$

la serie infinita en cuestión puede ser reescrita como una doble serie infinita sobre un triángulo. Cambiar el orden de la suma de (si eres como yo y la transformación de gimnasia con los índices múltiples hace que usted se sienta mareado, he aquí una útil hoja de trampas), nos quedamos con bastante elemental sumatorias:

$$\begin{align} \sum_{n=0}^{\infty}a^{n}\cos{\left(nx\right)} &=\sum_{n=0}^{\infty}a^{n}\sum_{k=0}^{\lfloor\frac{n}{2}\rfloor}(-1)^k\binom{n}{2k}\sin^{2k}{\left(x\right)}\cos^{n-2k}{\left(x\right)}\\ &=\sum_{n=0}^{\infty}\sum_{k=0}^{\lfloor\frac{n}{2}\rfloor}(-1)^k\binom{n}{2k}a^{n}\sin^{2k}{\left(x\right)}\cos^{n-2k}{\left(x\right)}\\ &=\sum_{n=0}^{\infty}\sum_{k=0}^{\infty}(-1)^k\binom{2k+n}{2k}a^{2k+n}\sin^{2k}{\left(x\right)}\cos^{n}{\left(x\right)}\\ &=\sum_{k=0}^{\infty}(-1)^ka^{2k}\sin^{2k}{\left(x\right)}\sum_{n=0}^{\infty}\binom{2k+n}{2k}\left[a\cos{\left(x\right)}\right]^n\\ &=\sum_{k=0}^{\infty}(-1)^ka^{2k}\sin^{2k}{\left(x\right)}\frac{1}{\left(1-a\cos{\left(x\right)}\right)^{2k+1}}\\ &=\frac{1}{1-a\cos{\left(x\right)}}\sum_{k=0}^{\infty}(-1)^k\left[\frac{a\sin{\left(x\right)}}{1-a\cos{\left(x\right)}}\right]^{2k}\\ &=\frac{1}{1-a\cos{\left(x\right)}}\cdot\frac{1}{1+\left[\frac{a\sin{\left(x\right)}}{1-a\cos{\left(x\right)}}\right]^{2}}\\ &=\frac{1}{1-a\cos{\left(x\right)}}\cdot\frac{\left(1-a\cos{\left(x\right)}\right)^2}{\left(1-a\cos{\left(x\right)}\right)^2+a^2\sin^2{\left(x\right)}}\\ &=\frac{1-a\cos{\left(x\right)}}{1-2a\cos{\left(x\right)}+a^2\cos^2{\left(x\right)}+a^2\sin^2{\left(x\right)}}\\ &=\frac{1-a\cos{\left(x\right)}}{1-2a\cos{\left(x\right)}+a^2}.~~\blacksquare\\ \end{align}$$

Felices fiestas!

Answer 3

Este tiene un enfoque estándar: Se multiplica el denominador de la derecha fracción, ordenar el producto con la serie de la izquierda por los poderes de $a$ y aplicar identidades trigonométricas a la resultante de los coeficientes de $a^n$. Todo debe cancelar a excepción de la orden más baja de los términos que constituyen el numerador del lado derecho.

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También hay que destacar que este es el núcleo de Poisson de Abel método de la sumación de series de Fourier, véase, por ejemplo, Carl Offner: "Un poco de análisis armónico" (Online artículo en PDF)