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コサインの和は、複素数に直すと等比数列になる

を直接足す手はありません。 どうしに足し算の公式がないためです。

の和を虚部として抱き合わせると、等比数列に化けます[1]。

とおいた形です。右辺は公比 の等比数列の和になります。

抱き合わせると足せる

と は、別々に見ると規則のない数の列です。

組にして にすると、ド・モアブルの定理から と書けます。 が増えるたびに が 1 つ掛かる。

等比数列なので和の公式が使えます[2]。 のとき、次の形です。

あとは実部と虚部に分ければ、 と が同時に出ます。1 回の計算で 2 つの和が片づく。

の和を虚部として足す

ド・モアブルで に直す

等比の和の公式を当てる

例: の倍数だけを足す

で和の公式を当てます。分子と分母を整理すると、きれいな形になります。

と書け、括弧の中は です。

分子と分母で同じ変形をすると、 が約分されます。

実部と虚部を読みます。

が の整数倍だと分母が になります。そのときは全部の項が なので、、 です。

例:数値で確かめる

、 とします。直接足すと 。

公式に入れます。、、 です。

合いました。 のほうは で、 と一致します。

公比が付いても同じ手が効く

のように係数が等比で減る場合も、抱き合わせれば片づきます[1]。

公比が に変わるだけ。 なので、 なら を無限に飛ばせます[3]。

例:無限に足す

とします。 で なので、和は に落ちます[2]。

分母の共役を掛けて実部と虚部に分けます。 です。

の無限和と の無限和が、1 つの分数から同時に出ました。

例:、

分母を計算します。 です。

分子は 。

の側は になりました。 の側は です。

項を書き出すと と続き、 に寄っていきます。

例: が特別な値のとき

なら です。 は 、 が交互に並びます。

で、 が偶数なら 、奇数なら になります。公式の分母 で計算しても同じ値が出る。

だけが分母を にする例外です。この場合は場合分けして扱います。

組にする
公比
有限和
無限和、
例外 が の整数倍

で のときの値はどれですか。

__RESULT__

なので分子は 、分母は です。よって になります。項を並べると で、確かに より少し小さい値に寄ります。

つまずきやすいところ

だけを足そうとする。 を虚部として抱き合わせます。
公比を そのものにする。公比は です。
が の整数倍の場合を忘れる。分母が になるので別扱いにします。
実部と虚部に分ける前に答えを書く。 は実部だけです。
無限和で を確かめない。 以上なら収束しません。
項数を とする。 から始めると項数は です。

の和は の和と組にすると等比数列になる。単独では手が出ない和が、抱き合わせた瞬間に公式の届く形へ変わります。

出典

Marc Deisenroth. *Complex Numbers*. Revision Notes, Imperial College London, Department of Computing, 2017.
Geometric Series. Wolfram MathWorld.
Jörn Dunkel, Jeremy Orloff. *18.04 Complex Analysis with Applications*. MIT, Spring 2019.
$\cos$ どうしに足し算の公式はありませんが、$\sin$ の和を虚部として抱き合わせると $C+iS = \sum z^k$ という等比数列に化けます。$z = \cos\theta+i\sin\theta$ が公比で、和の公式を当てて実部と虚部に分ければ 2 つの和が同時に出る。有限和は $\frac{\sin\frac{(n+1)\theta}{2}\cos\frac{n\theta}{2}}{\sin\frac{\theta}{2}}$、係数が等比で減る無限和は $\frac{1-a\cos\theta}{1-2a\cos\theta+a^2}$ になります。$\theta$ が $360^\circ$ の整数倍のときだけ分母が $0$ になり、別扱いが要ります。