Question Number 82520 by peter frank last updated on 22/Feb/20
Commented by mathmax by abdo last updated on 22/Feb/20
$${let}\:{S}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:\mathrm{2}^{{k}} \:{cos}\left(\mathrm{2}{k}\theta\right)\:\Rightarrow{S}_{{n}} ={Re}\left(\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:\mathrm{2}^{{k}} \:{e}^{{i}\mathrm{2}{k}\theta} \right) \\ $$$$={Re}\left(\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \left(\mathrm{2}\:{e}^{{i}\mathrm{2}\theta} \right)^{{k}} \right)\:\:{but}\:{we}\:{have} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \left(\mathrm{2}{e}^{\mathrm{2}{i}\theta} \right)^{{k}} \:=\frac{\mathrm{1}−\left(\mathrm{2}{e}^{\mathrm{2}{i}\theta} \right)^{{n}+\mathrm{1}} }{\mathrm{1}−\mathrm{2}{e}^{\mathrm{2}{i}\theta} }\:=\frac{\mathrm{1}−\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \:{e}^{\mathrm{2}\left({n}+\mathrm{1}\right){i}\theta} }{\mathrm{1}−\mathrm{2}{cos}\left(\mathrm{2}\theta\right)−\mathrm{2}{isin}\left(\mathrm{2}\theta\right)} \\ $$$$=\frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}{cos}\left(\mathrm{2}\theta\right)+\mathrm{2}{isin}\left(\mathrm{2}\theta\right)\right)\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} {e}^{\mathrm{2}\left({n}+\mathrm{1}\right){i}\theta} \right)}{\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}{cos}\left(\mathrm{2}\theta\right)\right)^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\theta\right)} \\ $$$$=\frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}{cos}\left(\mathrm{2}\theta\right)+\mathrm{2}{isin}\left(\mathrm{2}\theta\right)\right)\left\{\mathrm{1}−\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} {cos}\mathrm{2}\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta−\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} {isin}\mathrm{2}\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta\right\}}{\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}{cos}\left(\mathrm{2}\theta\right)\right)^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\theta\right)} \\ $$$$=\frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}{cos}\left(\mathrm{2}\theta\right)\right)\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} {cos}\left(\mathrm{2}\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta\right)−{i}\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}{cos}\left(\mathrm{2}\theta\right)\right)\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} {sin}\mathrm{2}\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta+\mathrm{2}{isin}\left(\mathrm{2}\theta\right)\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} {cos}\mathrm{2}\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta\right)+\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{2}} {sin}\left(\mathrm{2}\theta\right){sin}\mathrm{2}\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta\right.}{\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}{cos}\left(\mathrm{2}\theta\right)\right)^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}{sin}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\theta\right)} \\ $$$$\Rightarrow{S}_{{n}} =\frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}{cos}\left(\mathrm{2}\theta\right)\right)\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} {cos}\left(\mathrm{2}\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta\right)+\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{2}} {sin}\left(\mathrm{2}\theta\right){sin}\mathrm{2}\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta\right.}{\mathrm{5}−\mathrm{4}{cos}\left(\mathrm{2}\theta\right)} \\ $$
Answered by mr W last updated on 22/Feb/20
$${z}=\mathrm{2}\left(\mathrm{cos}\:\theta+{i}\:\mathrm{sin}\:\theta\right)=\mathrm{2}{e}^{{i}\theta} \\ $$$${z}^{{k}} =\mathrm{2}^{{k}} \left(\mathrm{cos}\:{k}\theta+{i}\:\mathrm{sin}\:{k}\theta\right)=\left(\mathrm{2}{e}^{{i}\theta} \right)^{{k}} \\ $$$${z}^{\mathrm{0}} +{z}^{\mathrm{1}} +{z}^{\mathrm{2}} +…+{z}^{{n}} =\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}\left(\mathrm{2}{e}^{{i}\theta} \right)^{{k}} \:\leftarrow\:{sum}\:{of}\:{GP} \\ $$$$\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}\mathrm{2}^{{k}} \mathrm{cos}\:\left({k}\theta\right)+{i}\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}\mathrm{2}^{{k}} \mathrm{sin}\:\left({k}\theta\right)=\frac{\left(\mathrm{2}{e}^{{i}\theta} \right)^{{n}+\mathrm{1}} −\mathrm{1}}{\mathrm{2}{e}^{{i}\theta} −\mathrm{1}} \\ $$$$\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}\mathrm{2}^{{k}} \mathrm{cos}\:\left({k}\theta\right)+{i}\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}\mathrm{2}^{{k}} \mathrm{sin}\:\left({k}\theta\right)=\frac{\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} {e}^{{i}\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta} −\mathrm{1}}{\mathrm{2}{e}^{{i}\theta} −\mathrm{1}} \\ $$$$\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}\mathrm{2}^{{k}} \mathrm{cos}\:\left({k}\theta\right)+{i}\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}\mathrm{2}^{{k}} \mathrm{sin}\:\left({k}\theta\right)=\frac{\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \left[\mathrm{cos}\:\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta+{i}\:\mathrm{sin}\:\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta\right]−\mathrm{1}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{cos}\:\theta+{i}\:\mathrm{sin}\:\theta\right)−\mathrm{1}} \\ $$$$\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}\mathrm{2}^{{k}} \mathrm{cos}\:\left({k}\theta\right)+{i}\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}\mathrm{2}^{{k}} \mathrm{sin}\:\left({k}\theta\right)=\frac{\left\{\left[\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \mathrm{cos}\:\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta−\mathrm{1}\right]+{i}\:\left[\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \mathrm{sin}\:\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta\right]\right\}\left[\left(\mathrm{2cos}\:\theta−\mathrm{1}\right)−{i}\:\mathrm{sin}\:\theta\right]}{\left[\left(\mathrm{2cos}\:\theta−\mathrm{1}\right)+{i}\:\mathrm{sin}\:\theta\right]\left[\left(\mathrm{2cos}\:\theta−\mathrm{1}\right)−{i}\:\mathrm{sin}\:\theta\right]} \\ $$$$\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}\mathrm{2}^{{k}} \mathrm{cos}\:\left({k}\theta\right)+{i}\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}\mathrm{2}^{{k}} \mathrm{sin}\:\left({k}\theta\right)=\frac{\left\{\left[\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \mathrm{cos}\:\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta−\mathrm{1}\right]\left(\mathrm{2cos}\:\theta−\mathrm{1}\right)+\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \mathrm{sin}\:\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta\:\mathrm{sin}\:\theta\right\}+{i}\:\left\{\left[\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \mathrm{sin}\:\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta\right]\left(\mathrm{2cos}\:\theta−\mathrm{1}\right)−\left[\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \mathrm{cos}\:\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta−\mathrm{1}\right]\mathrm{sin}\:\theta\right\}}{\left(\mathrm{2cos}\:\theta−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\theta} \\ $$$$\Rightarrow\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}\mathrm{2}^{{k}} \mathrm{cos}\:\left({k}\theta\right)=\frac{\left[\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \mathrm{cos}\:\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta−\mathrm{1}\right]\left(\mathrm{2cos}\:\theta−\mathrm{1}\right)+\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \mathrm{sin}\:\theta\:\mathrm{sin}\:\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta}{\left(\mathrm{2cos}\:\theta−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\theta} \\ $$$$ \\ $$$$\Rightarrow\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}\mathrm{2}^{{k}} \mathrm{sin}\:\left({k}\theta\right)=\frac{\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \left(\mathrm{2}\:\mathrm{cos}\:\theta−\mathrm{1}\right)\:\mathrm{sin}\:\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta−\left[\mathrm{2}^{{n}+\mathrm{1}} \mathrm{cos}\:\left({n}+\mathrm{1}\right)\theta−\mathrm{1}\right]\mathrm{sin}\:\theta}{\left(\mathrm{2cos}\:\theta−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\theta} \\ $$
Commented by peter frank last updated on 22/Feb/20
$${thank}\:{you}\:{very}\:{much} \\ $$