Question Number 30743 by abdo imad last updated on 25/Feb/18
$${decompose}\:{inside}\:{R}\left[{x}\right]\:\:{p}\left({x}\right)={x}^{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} \:−\mathrm{1}\:{then}\:{find} \\ $$$$\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:{sin}\left(\:\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\:. \\ $$
Commented by abdo imad last updated on 02/Mar/18
$${the}\:{roots}\:{of}\:{p}\left({x}\right)\:?\:\:{z}^{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} −\mathrm{1}=\mathrm{0}\:\Leftrightarrow\:{z}^{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}} ={e}^{{i}\left(\mathrm{2}{k}\pi\right)} \\ $$$${so}\:{the}\:{roots}\:{are}\:{z}_{{k}} =\:{e}^{{i}\frac{\mathrm{2}{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}} \:\:{with}\:{k}\in\:\left[\left[\mathrm{0},\mathrm{2}{n}\right]\right]\:\Rightarrow \\ $$$${p}\left({x}\right)=\prod_{{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}{n}} \:\left({x}−{z}_{{k}} \right)=\left({x}−\mathrm{1}\right)\:\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}{n}} \left({x}−\:{e}^{{i}\frac{\mathrm{2}{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}} \right)\:\Rightarrow \\ $$$$\frac{{p}\left({x}\right)}{{x}−\mathrm{1}}\:=\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}{n}} \:\left({x}−{e}^{{i}\frac{\mathrm{2}{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}} \right)\:\Rightarrow{lim}_{{x}\rightarrow\mathrm{1}} \:\:\frac{{p}\left({x}\right)}{{x}−\mathrm{1}}\:=\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}{n}} \left(\mathrm{1}−{e}^{{i}\frac{\mathrm{2}{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}} \right) \\ $$$$\Rightarrow\:\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)=\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}{n}} \left(\mathrm{1}−{cos}\left(\frac{\mathrm{2}{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\:−{isin}\left(\frac{\mathrm{2}{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\right) \\ $$$$=\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}{n}} \:\left(\mathrm{2}{sin}^{\mathrm{2}} \left(\:\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\:−\mathrm{2}{i}\:{sin}\left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right){cos}\left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\right) \\ $$$$=\mathrm{2}^{\mathrm{2}{n}} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \:\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}{n}} \:{sin}\left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\:{e}^{{i}\left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)} \\ $$$$=\mathrm{2}^{\mathrm{2}{n}} \left(−{i}\right)^{{n}} \left(\:\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}{n}} \:{sin}\left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\right)\:{e}^{{i}\frac{\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\frac{\mathrm{2}{n}\left(\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}\right)}{\mathrm{2}}} \\ $$$$=\mathrm{2}^{\mathrm{2}{n}} \:\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}{n}} \:{sin}\left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\:{but} \\ $$$$\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}{n}} \:{sin}\left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)=\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:{sin}\left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\:\prod_{{k}={n}+\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}{n}} {sin}\left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right){the} \\ $$$${ch}.{k}−{n}={j}\:{give} \\ $$$$\prod_{{k}={n}+\mathrm{1}} ^{\mathrm{2}{n}} \:{sin}\left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\:=\prod_{{j}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:{sin}\left(\:\frac{\left({n}+{j}\right)\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right) \\ $$$$=\prod_{{j}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:{sin}\left(\pi\:−\frac{{n}\pi\:+{j}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)=\prod_{{j}=\mathrm{1}} ^{{n}} {sin}\left(\frac{\mathrm{2}{n}\pi\:+\pi\:−{n}\pi\:−{j}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right) \\ $$$$=\prod_{{j}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:{sin}\:\left(\frac{\left({n}+\mathrm{1}−{j}\right)\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)=\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:{sin}\left(\:\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\:\right)\:{by}\:{ch}.{n}+\mathrm{1}−{j}={k}\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}=\left(\mathrm{2}^{{n}} \right)^{\mathrm{2}\:} \:\:\left(\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:{sin}\left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\right)^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow \\ $$$$\prod_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\:\:{sin}\left(\frac{{k}\pi}{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}\right)\:=\frac{\sqrt{\mathrm{2}{n}+\mathrm{1}}}{\mathrm{2}^{{n}} }\:. \\ $$$$ \\ $$