MathLabs

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 4/6: 三角方程式を解く
ざっくり言うと

コサインの等式に現れる符号±\pmの2通りの選び方こそが、2つの独立した等差数列的な角度の族を生み出し、それぞれ別々に数えられることになる。

θ=2kπ2n−1  or  θ=2lπ2n+1\theta = \frac{2k\pi}{2^n-1} \ \text{ or } \ \theta = \frac{2l\pi}{2^n+1}
詳しい解説

cos⁡A=cos⁡B\cos A=\cos Bが成り立つのは、ある整数A=±B+2kπA=\pm B+2k\piに対してkkとなるとき、かつそのときに限る。これをA=2nθA=2^n\theta、B=θB=\thetaに適用すると、2つの系列が得られる。すなわち、(2n−1)θ=2kπ(2^n-1)\theta=2k\pi、つまりθ=2kπ2n−1\theta=\dfrac{2k\pi}{2^n-1}、または(2n+1)θ=2lπ(2^n+1)\theta=2l\pi、つまりθ=2lπ2n+1\theta=\dfrac{2l\pi}{2^n+1}である。ここでk,lk,lは整数である。