Articolul care urmează se adresează elevilor care iubesc matematica și tinerilor profesori care doresc să-și perfecționeze unele aspecte metodice ale predării matematicii.

 

Limita șirului xn=∑nk=11k2..

O demonstrație a acestei limite voi prezenta mai jos printr-o problemă care conține în enunțul său etapele acestei cerințe.

Considerăm următorul enunț :

           Fie polinoamele P=(X+i)2n+1−(X−i )
2n+1
și Q=C12n+1x2n−C32n+1X2n−2+C52n+1X2n−4−… unde n∈N

a)Demonstrați că grad.(P)=2n.
b)Demonstrați că P(X)=2iQ(X2).
            c)   Demonstrați că P(ctg.kπ2n+1..)=0,∀k∈Z,(2n+1)∤k.
d)Determinați rădăcinile polinomului g.
e)Calculați ∑nk=1ctg2.kπ2n+1...
f)Demonstrați inegalitățile 1+ctg2.x>1x2..>ctg2.x,∀x∈(0;π2..).
g)Demonstrați că limn→∞∑nk=11k2..=π26...

.

Soluție

a)Folosind formula binomului lui Newton obținem:

P=C0n+1X2n+1+C1n+1X2ni+C22n+1X2n−1i2+C3n+1X2n−2i3+…+C2n+12n+1i2n+1−

–(C02n+1X2n+1 +C12n+1X2ni+C22n+1X2n−1i2−C32n+1X2n−2i3+⋯−C2n+12n+1i2n+1)=

2C12n+1X2ni+2C32n+1X2n−2i3+…+2C2n+1n+1i2n+1

=2i(C12n+1X2n−C32n+1X2n−2+…+(−1)nC2n+12n+1). De aici obținem că grad.(P)=2n.

.

b)Rescriem ultima egalitate demonstrată în a) avem

P(X)=2i(C12n+1(X2)n−C32n+1(X2)n−1+C52n+1(X2)n−22…+(−1)nC2n+12n+1)=2iQ(X2)

.

c)Avem P(ctg.kπ2n+1..)=(ctg.kπ2n+1..+i)2n+1−(ctg.kπ2n+1..−i)2n+1=(cos.kπ2n+1..+isin.kπ2n+1..)2n+1−(cos.kπ2n+1..−isin.kπ2n+1..)2n+1cos2n+1.kπ2n+1....=
=cos.kπ+isin.kπ−cos.kπ+˙isin.kπcos2k+1.kπ2n+1....=0

Așadar P(ctg.kπ2n+1..)=0,∀k∈Z,(2n+1)∤k.

.

d)Din b) și c) avem Q(ctg2.kπ2n+1..)=12i..P(ctg.kπ2n+1..)=0, ∀k∈Z7(2n+1)∤k.

Fie xk=ctg2.kπ2n+1..k∈−1,n.

Avem 0<π2n+1..<2π2n+1..<…<nπ2n+1..<π2..⇒ctg.π2n+1..>ctg.2π2n+1..>⋯>ctg.nπ2n+1..>0⇒x1>x2>…>xn>0.

Deoarece Q(xk)=0,∀k∈−1,n, și grad.(Q)=n, atunci Q are rădăcinile x1,x2,x3,…,xn.

.

e)Din relațiile lui Viète avem:

∑nk=1ctg2.kπ2n+1..=∑nk=1xk=C32n+1C12n+1..=(2n+1)2n(2n−1)6(2n+1)..=2n(2n−1)6...

Deci, ∑nk=1ctg2.kπ2n+1..=2n(2n−1)6...

f)Sunt cunoscute inegalitățile sin.x<x<tgx, ∀x∈(0;π2..), rezultă că sin2.x<x2<tg2.x⇔1sin2.x..>1x2..>1tg2.x..⇔sin2.x+cos2.xsin2.x..>1x2..>1tg2.x..⇔1+ctg2.x>1x2..>ctg2.x.

.

g)Deoarece kπ2n+1..∈(0;π2..), ∀k∈−1,n, din f) rezultă

.

1+ctg2.kπ2n+1..>1(kπ2n+1..)2..>ctg2.kπ2n+1.., ∀k∈−1,n

Adunând inegalitățile precedente obținem:

n+∑nk=1ctg2.kπ2n+1..>∑nk=11(kπ2n+1..)2..>∑nk=1ctg2.kπ2n+1..

Folosim e) și deducem că n+2n(2n−1)6..>(2n+1)2π2..∑nk=11k2..>2n(2n−1)6.. ⇔ π2(n(2n+1)2..+2n(2n−1)6(2n+1)2..)>∑nk=11k2..>2n(2n−1)π26(2n+1)2...

Deoarece există limn→∞π2(n(2n+1)2..+2n(2n−1)6(2n+7)2..)=π26.. și limn→∞2n(2n−1)π26(2n+1)2..=π26.., din criteriul cleștelui și inegalitățile precedente rezultă că există limn→∞∑nk=11k2..=π26...