Question Number 144000 by bluberry508 last updated on 20/Jun/21
$$\mathrm{prove}\:\mathrm{that}\: \\ $$$$ \\ $$$$\forall_{{m}} \in\mathbb{N}\:,\:{a}_{{k}} ,{b}_{{k}} \in\mathbb{R} \\ $$$$\mathrm{cos}\:^{\mathrm{2}{m}} {x}\:=\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{m}} {\sum}}{a}_{{k}} \mathrm{cos}\:\mathrm{2}{kx} \\ $$$$\mathrm{cos}\:^{\mathrm{2}{m}−\mathrm{1}} {x}=\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{m}} {\sum}}{b}_{{k}} \mathrm{cos}\:\left(\mathrm{2}{k}−\mathrm{1}\right){x} \\ $$$$ \\ $$$$\mathrm{and}\:\:\mathrm{find}\:\mathrm{expr}\:\:\mathrm{of}\:\:{a}_{{k}} \:,{b}_{{k}} \:\mathrm{in}\:\mathrm{terms}\:\mathrm{of}\:\mathrm{k}. \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 20/Jun/21
$$\mathrm{cos}^{\mathrm{2m}} \mathrm{x}\:=\left(\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{ix}} +\mathrm{e}^{−\mathrm{ix}} }{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2m}} \:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{2m}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{k}} \:\left(\mathrm{e}^{\mathrm{ix}} \right)^{\mathrm{k}} \left(\mathrm{e}^{−\mathrm{ix}} \right)^{\mathrm{2m}−\mathrm{k}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{2m}} \:\mathrm{e}^{\mathrm{ikx}} .\mathrm{e}^{−\mathrm{i}\left(\mathrm{2m}−\mathrm{k}\right)\mathrm{x}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{2m}} \mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{k}} \:\mathrm{e}^{\mathrm{i}\left(\mathrm{2k}−\mathrm{2m}\right)\mathrm{x}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{2m}} \mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{k}} \:\mathrm{e}^{\mathrm{2i}\left(\mathrm{k}−\mathrm{m}\right)\mathrm{x}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{2m}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{k}} \:\mathrm{cos2}\left(\mathrm{k}−\mathrm{m}\right)\mathrm{x}\:+\frac{\mathrm{i}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\sum_{\mathrm{k0}} ^{\mathrm{2m}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{k}} \:\mathrm{sin2}\left(\mathrm{k}−\mathrm{m}\right)\mathrm{x} \\ $$$$\mathrm{but}\:\mathrm{cos}^{\mathrm{2m}} \mathrm{x}\:\mathrm{is}\:\mathrm{real}\:\Rightarrow\mathrm{cos}^{\mathrm{2m}} \mathrm{x}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{2m}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{k}} \:\mathrm{cos2}\left(\mathrm{k}−\mathrm{m}\right)\mathrm{x} \\ $$$$=_{\mathrm{k}−\mathrm{m}=\mathrm{j}} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\sum_{\mathrm{j}=−\mathrm{m}} ^{\mathrm{m}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{m}+\mathrm{j}} \:\mathrm{cos2jx} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\sum_{\mathrm{j}=−\mathrm{m}} ^{−\mathrm{1}} \mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{m}+\mathrm{j}} \mathrm{cos}\left(\mathrm{2jx}\right)\:+\frac{\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{m}} }{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\:+\sum_{\mathrm{j}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{m}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{m}+\mathrm{j}} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{2jx}\right) \\ $$$$=_{\mathrm{j}=−\mathrm{k}} \:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{m}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{m}−\mathrm{k}} \mathrm{cos}\left(\mathrm{2kx}\right)\:+\frac{\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{m}} }{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{m}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{m}−\mathrm{k}} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{2kx}\right) \\ $$$$=\mathrm{1}+\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{m}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{m}−\mathrm{k}} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{2kx}\right)\:=\frac{\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{m}} }{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}−\mathrm{1}} }\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{m}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{m}−\mathrm{k}} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{2kx}\right) \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{a}_{\mathrm{k}} =\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{m}} \:\frac{\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{m}−\mathrm{k}} }{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}−\mathrm{1}} }\:\:\mathrm{for}\:\mathrm{k}\geqslant\mathrm{1}\:\mathrm{and}\:\mathrm{a}_{\mathrm{0}} =\frac{\mathrm{C}_{\mathrm{2m}} ^{\mathrm{m}} }{\mathrm{2}^{\mathrm{2m}} } \\ $$$$\mathrm{cos}^{\mathrm{2m}} \mathrm{x}=\mathrm{a}_{\mathrm{0}} +\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{m}} \:\mathrm{a}_{\mathrm{k}} \mathrm{cos}\left(\mathrm{2kx}\right) \\ $$
Commented by bluberry508 last updated on 20/Jun/21
$$\mathrm{wow}…\:\:\mathrm{I}\:\mathrm{haven}'\mathrm{t}\:\mathrm{ever}\:\mathrm{expected}\:\mathrm{this}\:\mathrm{view} \\ $$$$\mathrm{thank}\:\mathrm{you}\:\mathrm{sir} \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$
Commented by Dwaipayan Shikari last updated on 20/Jun/21
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Commented by Rasheed.Sindhi last updated on 20/Jun/21
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Commented by Dwaipayan Shikari last updated on 20/Jun/21
$${Thanks}\:{sir} \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 20/Jun/21
$$\mathrm{you}\:\mathrm{are}\:\mathrm{welcome} \\ $$