n=0,1,2,⋯に対し{an}と{bn}を次のように定義する。
an=1π∫−π2π2(1+sinx)ndxbn=an+1−an
この時次の問いに答えよ
(1)anをnを用いて表せ。(2)bnをnを用いて表せ。(3)Sn=∑k=0n12k2kCk+1をnを用いて表せ。
解答(1)In=∫−π2π2(1+sinx)ndxとすると
In=∫−π2π2(1+sinx)(1+sinx)n−1dx=∫−π2π2(1+sinx)n−1dx+∫−π2π2sinx(1+sinx)n−1dx
ここで∫−π2π2sinx(1+sinx)n−1dx=Jn−1とすれば
In=In−1+Jn−1⋯①
またJn−1を部分積分することで
Jn−1=[−cosx(1+sinx)n−1]−π2π2−∫−π2π2−cosx{(1+sinx)n−1}′dx=(n−1)∫−π2π2cos2x(1+sinx)n−2dx=(n−1)∫−π2π2(1−sin2x)(1+sinx)n−2dx=(n−1)∫−π2π2(1−sinx)(1+sinx)(1+sinx)n−2dx=(n−1)∫−π2π2(1−sinx)(1+sin)n−1dx=(n−1)(In−1−Jn−1)⋯②
②よりJn−1=n−1nIn−1⋯③
①に③を代入することで
In=2n−1nIn−1⋯④
④を繰り返し用いることで
In=2n−1n⋅2n−3n−1⋯32⋅11⋅I0
ここでI0=∫−π2π2dx=πより
In=(2n−1)!!n!π=(2n−1)!2n−1(n−1)!n!π=12n−12n−1Cn−1π
an=1πInより
an=12n−12n−1Cn−1
(2)bn=an+1−anより
bn=12n2nCn+1
(3)(2)よりSn=∑k=0nbk=(an+1−an)+(an−an−1)+⋯+(a1−a0)=an+1−a0=12n2n+1Cn−1
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