IMO 1966 · Problem 4
Prove that for every natural number \(n\), and for every real number \(x \ne k\pi/2^t\) (\(t = 0, 1, \ldots, n;\ k\) any integer) \[ \frac{1}{\sin 2x}+\frac{1}{\sin 4x}+\cdots+\frac{1}{\sin 2^n x} =\cot x-\cot 2^n x. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
The hypothesis ensures that \(\sin(2^j x)\ne0\) for every \(j=0,1,\ldots,n\), since otherwise \(x=k\pi/2^j\) for some integer \(k\).
Whenever \(\sin y\) and \(\sin 2y\) are nonzero, the sine subtraction formula gives \[ \begin{aligned} \cot y-\cot 2y &=\frac{\cos y\sin 2y-\sin y\cos 2y}{\sin y\sin 2y}\\ &=\frac{\sin(2y-y)}{\sin y\sin 2y} =\frac{1}{\sin 2y}. \end{aligned} \] Apply this identity with \(y=2^{j-1}x\), for \(j=1,\ldots,n\), and sum. All intermediate cotangent terms cancel: \[ \begin{aligned} \sum_{j=1}^{n}\frac{1}{\sin(2^j x)} &=\sum_{j=1}^{n} \left(\cot(2^{j-1}x)-\cot(2^j x)\right)\\ &=\cot x-\cot(2^n x). \end{aligned} \] This is the required identity. If \(0\) is included among the natural numbers, the case \(n=0\) also holds under the empty-sum convention, since both sides are zero.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1966 · Aufgabe 4
Man beweise, dass für jede natürliche Zahl \(n\) und jede reelle Zahl \(x \ne k\pi/2^t\) (\(t = 0, 1, \ldots, n;\ k\) eine beliebige ganze Zahl) die folgende Gleichung gilt: \[ \frac{1}{\sin 2x}+\frac{1}{\sin 4x}+\cdots+\frac{1}{\sin 2^n x} =\cot x-\cot 2^n x. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Die Voraussetzung stellt sicher, dass \(\sin(2^j x)\ne0\) für jedes \(j=0,1,\ldots,n\) gilt, da andernfalls \(x=k\pi/2^j\) für eine ganze Zahl \(k\) wäre.
Sind \(\sin y\) und \(\sin 2y\) beide von null verschieden, so ergibt das Subtraktionstheorem für den Sinus \[ \begin{aligned} \cot y-\cot 2y &=\frac{\cos y\sin 2y-\sin y\cos 2y}{\sin y\sin 2y}\\ &=\frac{\sin(2y-y)}{\sin y\sin 2y} =\frac{1}{\sin 2y}. \end{aligned} \] Wir wenden diese Identität mit \(y=2^{j-1}x\) für \(j=1,\ldots,n\) an und summieren. Alle dazwischenliegenden Kotangensterme heben sich auf: \[ \begin{aligned} \sum_{j=1}^{n}\frac{1}{\sin(2^j x)} &=\sum_{j=1}^{n} \left(\cot(2^{j-1}x)-\cot(2^j x)\right)\\ &=\cot x-\cot(2^n x). \end{aligned} \] Dies ist die gesuchte Identität. Zählt man \(0\) zu den natürlichen Zahlen, so gilt auch der Fall \(n=0\) unter der Konvention für die leere Summe, da beide Seiten null sind.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1966 · Soru 4
Her \(n\) doğal sayısı ve \(x \ne k\pi/2^t\) (\(t = 0, 1, \ldots, n;\ k\) herhangi bir tam sayı) koşulunu sağlayan her gerçel sayı için \[ \frac{1}{\sin 2x}+\frac{1}{\sin 4x}+\cdots+\frac{1}{\sin 2^n x} =\cot x-\cot 2^n x \] olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Verilen koşul, her \(j=0,1,\ldots,n\) için \(\sin(2^j x)\ne0\) olmasını sağlar; aksi hâlde bir \(k\) tam sayısı için \(x=k\pi/2^j\) olurdu.
\(\sin y\) ve \(\sin 2y\) sıfırdan farklı olduğunda, sinüsün fark formülü ile \[ \begin{aligned} \cot y-\cot 2y &=\frac{\cos y\sin 2y-\sin y\cos 2y}{\sin y\sin 2y}\\ &=\frac{\sin(2y-y)}{\sin y\sin 2y} =\frac{1}{\sin 2y} \end{aligned} \] elde edilir. Bu özdeşliği \(j=1,\ldots,n\) için \(y=2^{j-1}x\) alarak uygulayıp toplayalım. Aradaki tüm kotanjant terimleri birbirini götürür: \[ \begin{aligned} \sum_{j=1}^{n}\frac{1}{\sin(2^j x)} &=\sum_{j=1}^{n} \left(\cot(2^{j-1}x)-\cot(2^j x)\right)\\ &=\cot x-\cot(2^n x). \end{aligned} \] Bu, istenen özdeşliktir. \(0\) doğal sayılara dâhil edilirse, her iki taraf da sıfır olduğundan, boş toplamın sıfır kabul edilmesiyle \(n=0\) durumu da sağlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1966 · Problema 4
Demostrar que, para todo número natural \(n\) y todo número real \(x \ne k\pi/2^t\) (\(t = 0, 1, \ldots, n;\ k\) un entero cualquiera), \[ \frac{1}{\sin 2x}+\frac{1}{\sin 4x}+\cdots+\frac{1}{\sin 2^n x} =\cot x-\cot 2^n x. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
La hipótesis garantiza que \(\sin(2^j x)\ne0\) para todo \(j=0,1,\ldots,n\), pues, de lo contrario, \(x=k\pi/2^j\) para algún entero \(k\).
Siempre que \(\sin y\) y \(\sin 2y\) sean distintos de cero, la fórmula del seno de una diferencia da \[ \begin{aligned} \cot y-\cot 2y &=\frac{\cos y\sin 2y-\sin y\cos 2y}{\sin y\sin 2y}\\ &=\frac{\sin(2y-y)}{\sin y\sin 2y} =\frac{1}{\sin 2y}. \end{aligned} \] Apliquemos esta identidad con \(y=2^{j-1}x\), para \(j=1,\ldots,n\), y sumemos. Todos los términos intermedios de cotangentes se cancelan: \[ \begin{aligned} \sum_{j=1}^{n}\frac{1}{\sin(2^j x)} &=\sum_{j=1}^{n} \left(\cot(2^{j-1}x)-\cot(2^j x)\right)\\ &=\cot x-\cot(2^n x). \end{aligned} \] Esta es la identidad que se quería demostrar. Si se incluye el \(0\) entre los números naturales, el caso \(n=0\) también se cumple con la convención de que una suma vacía vale cero, pues ambos miembros son cero.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1966 · 问题 4
证明:对于每个自然数 \(n\) 以及每个实数 \(x \ne k\pi/2^t\)(\(t = 0, 1, \ldots, n;\ k\) 为任意整数),都有 \[ \frac{1}{\sin 2x}+\frac{1}{\sin 4x}+\cdots+\frac{1}{\sin 2^n x} =\cot x-\cot 2^n x. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
题设保证对每个 \(j=0,1,\ldots,n\),都有 \(\sin(2^j x)\ne0\),否则就有 \(x=k\pi/2^j\),其中 \(k\) 为某个整数。
只要 \(\sin y\) 和 \(\sin 2y\) 都不为零,由两角差的正弦公式便得 \[ \begin{aligned} \cot y-\cot 2y &=\frac{\cos y\sin 2y-\sin y\cos 2y}{\sin y\sin 2y}\\ &=\frac{\sin(2y-y)}{\sin y\sin 2y} =\frac{1}{\sin 2y}. \end{aligned} \] 对 \(j=1,\ldots,n\),在此恒等式中取 \(y=2^{j-1}x\),然后求和。所有中间的余切项都相互抵消: \[ \begin{aligned} \sum_{j=1}^{n}\frac{1}{\sin(2^j x)} &=\sum_{j=1}^{n} \left(\cot(2^{j-1}x)-\cot(2^j x)\right)\\ &=\cot x-\cot(2^n x). \end{aligned} \] 这就是所要证明的恒等式。如果自然数包含 \(0\),那么按照空和为零的约定,\(n=0\) 的情形也成立,因为两边都为零。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1966 · Задача 4
Докажите, что для любого натурального числа \(n\) и любого действительного числа \(x \ne k\pi/2^t\) (\(t = 0, 1, \ldots, n;\ k\) — любое целое число) \[ \frac{1}{\sin 2x}+\frac{1}{\sin 4x}+\cdots+\frac{1}{\sin 2^n x} =\cot x-\cot 2^n x. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Из условия следует, что \(\sin(2^j x)\ne0\) для каждого \(j=0,1,\ldots,n\), поскольку в противном случае \(x=k\pi/2^j\) для некоторого целого \(k\).
Если \(\sin y\) и \(\sin 2y\) отличны от нуля, то по формуле синуса разности получаем \[ \begin{aligned} \cot y-\cot 2y &=\frac{\cos y\sin 2y-\sin y\cos 2y}{\sin y\sin 2y}\\ &=\frac{\sin(2y-y)}{\sin y\sin 2y} =\frac{1}{\sin 2y}. \end{aligned} \] Применим это тождество при \(y=2^{j-1}x\) для \(j=1,\ldots,n\) и просуммируем. Все промежуточные слагаемые с котангенсами сокращаются: \[ \begin{aligned} \sum_{j=1}^{n}\frac{1}{\sin(2^j x)} &=\sum_{j=1}^{n} \left(\cot(2^{j-1}x)-\cot(2^j x)\right)\\ &=\cot x-\cot(2^n x). \end{aligned} \] Это и есть требуемое тождество. Если \(0\) включается в число натуральных чисел, то случай \(n=0\) также верен при соглашении, что пустая сумма равна нулю, поскольку обе части равны нулю.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1966 · المسألة 4
أثبت أنه لكل عدد طبيعي \(n\)، ولكل عدد حقيقي \(x \ne k\pi/2^t\) (حيث \(t = 0, 1, \ldots, n;\ k\) أي عدد صحيح)، \[ \frac{1}{\sin 2x}+\frac{1}{\sin 4x}+\cdots+\frac{1}{\sin 2^n x} =\cot x-\cot 2^n x. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
يضمن الفرض أن \(\sin(2^j x)\ne0\) لكل \(j=0,1,\ldots,n\)، وإلا لكان \(x=k\pi/2^j\) لعدد صحيح ما \(k\).
كلما كان \(\sin y\) و\(\sin 2y\) غير صفريين، أعطت صيغة جيب الفرق \[ \begin{aligned} \cot y-\cot 2y &=\frac{\cos y\sin 2y-\sin y\cos 2y}{\sin y\sin 2y}\\ &=\frac{\sin(2y-y)}{\sin y\sin 2y} =\frac{1}{\sin 2y}. \end{aligned} \] نطبّق هذه المتطابقة مع \(y=2^{j-1}x\)، لكل \(j=1,\ldots,n\)، ثم نجمع. تُلغى جميع حدود ظل التمام الوسيطة: \[ \begin{aligned} \sum_{j=1}^{n}\frac{1}{\sin(2^j x)} &=\sum_{j=1}^{n} \left(\cot(2^{j-1}x)-\cot(2^j x)\right)\\ &=\cot x-\cot(2^n x). \end{aligned} \] وهذه هي المتطابقة المطلوبة. وإذا عُدّ \(0\) من الأعداد الطبيعية، فإن الحالة \(n=0\) تصح أيضًا وفق الاصطلاح القاضي بأن المجموع الخالي يساوي صفرًا، إذ إن كلا الطرفين يساوي صفرًا.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).