Question Number 54675 by maxmathsup by imad last updated on 09/Feb/19
$${simplify}\:\:{A}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:{k}^{\mathrm{2}} \:{C}_{{n}} ^{{k}} \:{cos}\left({k}\theta\right)\:{and}\:{B}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:{k}^{\mathrm{2}} \:{C}_{{n}} ^{{k}} \:{sin}\left({k}\theta\right)\:. \\ $$
Commented by maxmathsup by imad last updated on 10/Feb/19
$${we}\:{have}\:{A}_{{n}} +{iB}_{{n}} =\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:{k}^{\mathrm{2}} \:{C}_{{n}} ^{{k}} \:\:\left({e}^{{i}\theta} \right)^{{k}} \:\:\:{but}\:{we}\:{have}\:{proved}\:{that} \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:{k}^{\mathrm{2}} \:{C}_{{n}} ^{{k}} \:{z}^{{k}} \:\:\:=\:{nz}\left({z}+\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \:\:+{n}\left({n}−\mathrm{1}\right){z}^{\mathrm{2}} \left({z}+\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{2}} \:\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:{k}^{\mathrm{2}} \:{C}_{{n}} ^{{k}} \:\left({e}^{{i}\theta} \right)^{{k}} \:={n}\:{e}^{{i}\theta} \left(\mathrm{1}+{e}^{{i}\theta} \right)^{{n}−\mathrm{1}} \:+{n}\left({n}−\mathrm{1}\right){e}^{\mathrm{2}{i}\theta} \left({e}^{{i}\theta} \:+\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{2}} \:\:{but} \\ $$$$\mathrm{1}+{e}^{{i}\theta} \:=\mathrm{1}+{cos}\theta\:+{isin}\theta\:=\mathrm{2}{cos}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\:+\mathrm{2}{isin}\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right){cos}\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$=\mathrm{2}{cos}\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right){e}^{{i}\frac{\theta}{\mathrm{2}}} \:\Rightarrow\:{A}_{{n}} +{iB}_{{n}} ={n}\:{e}^{{i}\theta} \mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} {cos}^{{n}−\mathrm{1}} \left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right){e}^{{i}\frac{{n}\theta}{\mathrm{2}}} \\ $$$$+{n}\left({n}−\mathrm{1}\right){e}^{\mathrm{2}{i}\theta} \:\:\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} \:{cos}^{{n}−\mathrm{2}} \left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right){e}^{{i}\frac{\left({n}−\mathrm{2}\right)\theta}{\mathrm{2}}} \\ $$$$={n}\:\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} \:{cos}^{\left.{n}−\mathrm{1}\right)} \left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\:{e}^{{i}\left(\theta\:+\frac{{n}\theta}{\mathrm{2}}\right)} \:\:+{n}\left({n}−\mathrm{1}\right)\:\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} \:{e}^{{i}\left(\mathrm{2}\theta\:+\frac{\left({n}−\mathrm{2}\right)\theta}{\mathrm{2}}\right)} \\ $$$$={n}\:\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} \:{cos}^{{n}−\mathrm{1}} \left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\left\{{cos}\left(\frac{\left({n}+\mathrm{2}\right)\theta}{\mathrm{2}}\right)+{isin}\left(\frac{\left({n}+\mathrm{2}\right)\theta}{\mathrm{2}}\right)\right\} \\ $$$$+{n}\left({n}−\mathrm{1}\right)\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} \:\:\left\{{cos}\left(\frac{\left({n}+\mathrm{2}\right)\theta}{\mathrm{2}}\right)\:+{isin}\left(\frac{\left({n}+\mathrm{2}\right)\theta}{\mathrm{2}}\right)\right. \\ $$$$=\left({n}\:\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} \:{cos}^{{n}−\mathrm{1}} \left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\:+{n}\left({n}−\mathrm{1}\right)\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} \right){cos}\left(\frac{\left({n}+\mathrm{2}\right)\theta}{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$+{i}\:\left({n}\:\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} \:{cos}^{{n}−\mathrm{1}} \left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\:+{n}\left({n}−\mathrm{1}\right)\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} \right){sin}\left(\frac{\left({n}+\mathrm{2}\right)\theta}{\mathrm{2}}\right)\:\Rightarrow \\ $$$${A}_{{n}} =\left({n}\:\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} {cos}^{{n}−\mathrm{1}} \left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)+{n}\left({n}−\mathrm{1}\right)\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} \right){cos}\left(\frac{\left({n}+\mathrm{2}\right)\theta}{\mathrm{2}}\right)\:{and} \\ $$$${B}_{{n}} =\left({n}\:\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} \:{cos}^{{n}−\mathrm{1}} \left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)+{n}\left({n}−\mathrm{1}\right)\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} \right){sin}\left(\frac{\left({n}+\mathrm{2}\right)\theta}{\mathrm{2}}\right)\:. \\ $$
Answered by Smail last updated on 09/Feb/19
$${A}_{{n}} +{iB}_{{n}} ={S}''\left(\theta\right) \\ $$$${S}''\left(\theta\right)=\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}{k}^{\mathrm{2}} {C}_{{n}} ^{{k}} {e}^{{i}\theta{k}} \\ $$$${S}'\left(\theta\right)=\frac{\mathrm{1}}{{i}}\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}{kC}_{{n}} ^{{k}} {e}^{{i}\theta{k}} +{c}_{\mathrm{1}} \\ $$$${S}\left(\theta\right)=−\underset{{k}=\mathrm{0}} {\overset{{n}} {\sum}}{C}_{{n}} ^{{k}} {e}^{{i}\theta{k}} +\theta{c}_{\mathrm{1}} +{c}_{\mathrm{2}} \\ $$$${S}\left(\theta\right)=−\left(\mathrm{1}+{e}^{{i}\theta} \right)^{{n}} +\theta{c}_{\mathrm{1}} +{c}_{\mathrm{2}} \\ $$$${S}'\left(\theta\right)=−{ine}^{{i}\theta} \left(\mathrm{1}+{e}^{{i}\theta} \right)^{{n}−\mathrm{1}} +{c}_{\mathrm{1}} \\ $$$${S}''\left(\theta\right)={ne}^{{i}\theta} \left(\mathrm{1}+{e}^{{i}\theta} \right)^{{n}−\mathrm{1}} +{n}\left({n}−\mathrm{1}\right){e}^{\mathrm{2}{i}\theta} \left(\mathrm{1}+{e}^{{i}\theta} \right)^{{n}−\mathrm{2}} \\ $$$$={ne}^{{i}\theta} \left(\mathrm{1}+{e}^{{i}\theta} \right)^{{n}−\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}+{e}^{{i}\theta} +\left({n}−\mathrm{1}\right){e}^{{i}\theta} \right) \\ $$$${A}_{{n}} +{iB}_{{n}} ={ne}^{{i}\theta} \left(\mathrm{1}+{e}^{{i}\theta} \right)^{{n}−\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}+{ne}^{{i}\theta} \right) \\ $$$$={ne}^{{i}\theta} \left(\mathrm{1}+{cos}\theta+{isin}\theta\right)^{{n}−\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}+{ne}^{{i}\theta} \right) \\ $$$$={ne}^{{i}\theta} \left(\mathrm{2}{cos}^{\mathrm{2}} \frac{\theta}{\mathrm{2}}+\mathrm{2}{isin}\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right){cos}\left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\right)^{{n}−\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}+{ne}^{{i}\theta} \right) \\ $$$$=\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} {ne}^{{i}\theta} {cos}^{{n}−\mathrm{2}} \frac{\theta}{\mathrm{2}}\left({cos}\frac{\theta}{\mathrm{2}}+{isin}\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)^{{n}−\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}+{ne}^{{i}\theta} \right) \\ $$$$=\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} {ne}^{{i}\theta} {cos}^{{n}−\mathrm{2}} \frac{\theta}{\mathrm{2}}\left({e}^{{i}\frac{{n}−\mathrm{2}}{\mathrm{2}}\theta} \right)\left(\mathrm{1}+{ne}^{{i}\theta} \right) \\ $$$$=\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} {ncos}^{{n}−\mathrm{2}} \left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right){e}^{{i}\frac{{n}}{\mathrm{2}}\theta} \left(\mathrm{1}+{ne}^{{i}\theta} \right) \\ $$$$=\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} {ncos}^{{n}−\mathrm{2}} \left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\left({e}^{{i}\frac{{n}}{\mathrm{2}}\theta} +{ne}^{{i}\frac{{n}+\mathrm{2}}{\mathrm{2}}\theta} \right) \\ $$$$=\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} {ncos}^{{n}−\mathrm{2}} \left(\frac{\theta}{\mathrm{2}}\right)\left({cos}\frac{{n}\theta}{\mathrm{2}}+{isin}\frac{{n}\theta}{\mathrm{2}}+{ncos}\frac{{n}+\mathrm{2}}{\mathrm{2}}\theta+{insin}\frac{{n}+\mathrm{2}}{\mathrm{2}}\theta\right) \\ $$$${A}_{{n}} =\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} {ncos}^{{n}−\mathrm{2}} \frac{\theta}{\mathrm{2}}\left({cos}\frac{{n}\theta}{\mathrm{2}}+{ncos}\frac{{n}+\mathrm{2}}{\mathrm{2}}\theta\right) \\ $$$${B}_{{n}} =\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} {ncos}^{{n}−\mathrm{2}} \frac{\theta}{\mathrm{2}}\left({sin}\frac{{n}\theta}{\mathrm{2}}+{nsin}\frac{{n}+\mathrm{2}}{\mathrm{2}}\theta\right) \\ $$