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serie finita trigonométrica es igual a la función polinomial

Estoy de interés para probar la siguiente ecuación : $$ \sum_{k=1}^m \tan^2\left(\frac{k\pi}{2m+1}\right) = m(2m+1) $$ se puede entender mejor el primer miembro de la ecuación:

WolframAlpha

(marca de toda la dirección url con el ratón, porque no sé por qué el enlace no es el azul en todas) lo siento, pero no estoy familiarizado escribir ecuaciones aquí . espero que entiendan. así que ¿cuál es el problema en la fórmula, no puedo eliminar las funciones trigonométricas para demostrar que esta serie es un polinomio . alguna idea de cómo manipular la fórmula ?

3voto

user30382 Puntos 48

Esta respuesta es una copia casi idéntica de falagar hermoso respuesta aquí, todo el mérito para él.


En aras de la legibilidad deje $x_k:=\tfrac{k\pi}{2m+1}$$k=1,\ldots,m$. Por la fórmula de Euler tenemos la identidad $$(\cos x_k+i\sin x_k)^{2m+1}=(-1)^k,$$ para cada una de las $k$. El binomio de expansión de la izquierda nos da $$\sum_{j=0}^{2m+1}\binom{2m+1}{j}(i\sin x_k)^j(\cos x_k)^{2m+1-j}=(-1)^k.$$ Tomando el imaginario de las piezas de ambos lados muestra que los términos con los impares $j$ suma cero: $$\sum_{j=0}^m\binom{2m+1}{2j+1}(-1)^j(\sin x_k)^{2j+1}(\cos x_k)^{2m-2j}=0.$$ Dividir ambos lados por $(\sin x_k)(\cos x_k)^{2m}$ nos encontramos con que $$\sum_{j=0}^m\binom{2m+1}{2j+1}(-1)^j(\tan x_k)^{2j}=\sum_{j=0}^m\binom{2m+1}{2j+1}\left(-(\tan x_k)^2\right)^j=0,$$ Esto significa que $-(\tan x_k)^2$ es una raíz del polinomio $$\sum_{j=0}^m\binom{2m+1}{2j+1}X^j=0,$$ para $k=1,\ldots,m$, y los valores de $-(\tan x_k)^2$ son distintos para los distintos valores de $k$. Por lo tanto estas son todas las raíces del polinomio anterior, y por Vieta de las fórmulas de sus raíces suma a $$-\frac{\tbinom{2m+1}{2m-1}}{\tbinom{2m+1}{2m+1}}=-\binom{2m+1}{2m-1}=-m(2m+1).$$

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