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第2問

P1(x)=x2−2P_1(x) = x^2 - 2 とし、Pj(x)=P1(Pj−1(x))P_j(x) = P_1(P_{j-1}(x))(j=2,3,…j = 2, 3, \ldots)と定める。任意の正の整数nnについて、方程式Pn(x)=xP_n(x) = xの根がすべて実数で、互いに異なることを証明せよ。
ステップ 1/6: 置換して倍角公式を適用する
ざっくり言うと

写像x↦x2−2x\mapsto x^2-2は、実はコサインの倍角公式が姿を変えたものである。この隠れた三角関数的構造に気づくことが、P1P_1の反復合成を扱いやすくする鍵となる。

x=2cos⁡θ  ⟹  P1(x)=4cos⁡2θ−2=2cos⁡(2θ)x = 2\cos\theta \implies P_1(x) = 4\cos^2\theta - 2 = 2\cos(2\theta)
単位円上の角 θ\theta に対応する点。その横座標は cos⁡θ\cos\theta である
正の $x$ 軸から角 $\theta$ をなす半径を描いた単位円。倍角写像を線形化するための置換 $x=2\cos\theta$ を示している。
詳しい解説

x=2cos⁡θx=2\cos\thetaと置く。すると、倍角公式P1(x)=x2−2=4cos⁡2θ−2=2(2cos⁡2θ−1)=2cos⁡(2θ)P_1(x)=x^2-2=4\cos^2\theta-2=2(2\cos^2\theta-1)=2\cos(2\theta)により、cos⁡(2θ)=2cos⁡2θ−1\cos(2\theta)=2\cos^2\theta-1となる。