题目
Problem
A sequence a1,a2,a3,… is defined by
an=cos2(3nπ)
Find the exact values of
(a) (i) a1
(ii) a2
(iii) a3
(3)
(b) Hence find the exact value of
∑n=150{n+cos2(3nπ)}
You must make your method clear.
(4)
解答
(a)
解法一
思路
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本题直接将项数 n=1,2,3 分别代入已知递推公式中,利用三角函数的特殊角值进行计算,并平方得到结果。
注意:这里的自变量是弧度制(radians)。
- 对于 n=1:cos(π/3)=21。
- 对于 n=2:cos(2π/3)=−21。
- 对于 n=3:cos(π)=−1。
答题过程
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(i) For n=1:
a1===cos2(3π)(21)241(or 0.25)
(ii) For n=2:
a2===cos2(32π)(−21)241(or 0.25)
(iii) For n=3:
a3====cos2(33π)cos2(π)(−1)21
(b)
解法一
思路
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根据求和性质,我们可以将原求和式拆分为两个独立的部分进行求和:
n=1∑50{n+cos2(3nπ)}=n=1∑50n+n=1∑50cos2(3nπ)
-
第一部分:∑n=150n
这是一个首项为 1、末项为 50、公差为 1 的等差数列(Arithmetic Progression)。
我们可以直接使用等差数列前 N 项和公式:
SN=2N(a+L)=250(1+50)=1275
-
第二部分:∑n=150cos2(3nπ)(即 ∑n=150an)
通过 (a) 中的计算,我们发现这个数列具有周期性(Periodic sequence),周期为 3。
其循环的数值序列为:41,41,1,41,41,1,…
每一周期(3 项)的和为:
41+41+1=23
求和区间从 n=1到 n=50,共有 50 项。因为 50=16×3+2,所以这 50 项包含 16 个完整的周期,外加最后余下的 2 项(这 2 项对应下一周期的前两项,即 a49=41,a50=41)。
所以第二部分的和为:
16×23+41+41=24+21=24.5=249
-
两部分相加得到最终答案。
答题过程
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We can split the summation into two parts:
n=1∑50{n+cos2(3nπ)}=n=1∑50n+n=1∑50cos2(3nπ)
Part 1: Evaluating ∑n=150n
This is the sum of an arithmetic progression with first term 1, last term 50, and 50 terms:
n=1∑50n===250(1+50)25×511275
Part 2: Evaluating ∑n=150cos2(3nπ)
Let an=cos2(3nπ). From part (a), the sequence is periodic with a period of 3:
a1=41,a2=41,a3=1,a4=41,a5=41,a6=1,…
The sum of terms in one complete cycle of 3 terms is:
Sum of one cycle===a1+a2+a341+41+123(or 1.5)
For 50 terms, we have:
50=16×3+2
This means there are 16 complete cycles and 2 extra terms (a49 and a50):
n=1∑50cos2(3nπ)====16×(Sum of one cycle)+a49+a5016×(23)+41+4124+2124.5(or 249)
Total Summation
Adding the two parts together:
n=1∑50{n+cos2(3nπ)}==1275+24.51299.5(or 22599)