Question Number 191205 by ajfour last updated on 20/Apr/23
Commented by ajfour last updated on 20/Apr/23
$${Find}\:\underset{{i}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}{r}_{{i}} \:\:.\:{Take}\:{r}_{\mathrm{1}} ={a},\:\theta=\alpha \\ $$
Commented by mr W last updated on 20/Apr/23
$${very}\:{nice}\:{question}! \\ $$
Answered by mr W last updated on 21/Apr/23
$$\theta_{\mathrm{1}} =\alpha \\ $$$$\theta_{\mathrm{2}} =\frac{\theta_{\mathrm{1}} }{\mathrm{2}}=\frac{\alpha}{\mathrm{2}} \\ $$$$… \\ $$$$\theta_{{n}−\mathrm{1}} =\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} } \\ $$$${from}\:{Q}\mathrm{191192}: \\ $$$$\frac{{r}_{{n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{tan}\:\theta_{{n}−\mathrm{1}} }+\mathrm{2}\sqrt{{r}_{{n}} {r}_{{n}−\mathrm{1}} }=\frac{{r}_{{n}} }{\mathrm{tan}\:\frac{\theta_{{n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{2}}} \\ $$$${let}\:\lambda=\sqrt{\frac{{r}_{{n}} }{{r}_{{n}−\mathrm{1}} }},\:{t}=\mathrm{tan}\:\frac{\theta_{{n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{2}}=\mathrm{tan}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} } \\ $$$$\lambda^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{t}\lambda−\frac{\mathrm{1}−{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow\lambda={t}+\sqrt{\frac{\mathrm{1}+{t}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}}=\frac{\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{2}}\:\mathrm{sin}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} }}{\:\sqrt{\mathrm{2}}\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} }} \\ $$$$\frac{{r}_{{n}} }{{r}_{{n}−\mathrm{1}} }=\lambda^{\mathrm{2}} =\left(\frac{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}+\:\mathrm{sin}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} }}{\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} }}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$$\Rightarrow{r}_{{n}} ={a}\underset{{k}=\mathrm{1}} {\overset{{n}} {\prod}}\left(\frac{\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}+\mathrm{sin}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{k}−\mathrm{1}} }}{\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{k}−\mathrm{1}} }}\right)^{\mathrm{2}} \\ $$$${or}\:{r}_{{n}} =\left[\frac{\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}+\mathrm{sin}\:\alpha\right)\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}+\mathrm{sin}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}}\right)…\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}+\mathrm{sin}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} }\right)}{\mathrm{cos}\:\alpha\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}}\:…\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} }}\right]^{\mathrm{2}} {a} \\ $$$$−−−−−−−−−−− \\ $$$$\mathrm{cos}\:\alpha\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}}\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} }\:…\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} } \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\:\mathrm{sin}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} }}\:\mathrm{cos}\:\alpha\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}}\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} }\:…\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} }\:\mathrm{2}\:\mathrm{sin}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} } \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{sin}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} }}\:\mathrm{cos}\:\alpha\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}}\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{\mathrm{2}} }\:…\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} }\:\mathrm{2}\:\mathrm{sin}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{2}} } \\ $$$$… \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{{n}} \:\mathrm{sin}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} }}\:\mathrm{cos}\:\alpha\:\mathrm{2}\:\mathrm{sin}\:\alpha \\ $$$$=\frac{\mathrm{sin}\:\mathrm{2}\alpha}{\mathrm{2}^{{n}} \:\mathrm{sin}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} }} \\ $$$$−−−−−−−−−−−−−− \\ $$$${S}=\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}{r}_{{n}} ={a}\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}\left[\frac{\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}+\mathrm{sin}\:\alpha\right)\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}+\mathrm{sin}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}}\right)…\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}+\mathrm{sin}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} }\right)}{\mathrm{cos}\:\alpha\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}}\:…\:\mathrm{cos}\:\frac{\alpha}{\mathrm{2}^{{n}−\mathrm{1}} }}\right]^{\mathrm{2}} \\ $$$${examples}: \\ $$$$\alpha=\mathrm{60}°:\:{S}\approx\mathrm{79}.\mathrm{619654909509}{a} \\ $$$$\alpha=\mathrm{45}°:\:{S}\approx\mathrm{21}.\mathrm{061652923501}{a} \\ $$$$\alpha=\mathrm{30}°:\:{S}\approx\mathrm{7}.\mathrm{043218497988}{a} \\ $$$$\alpha=\mathrm{10}°:\:{S}\approx\mathrm{1}.\mathrm{907032259467}{a} \\ $$
Commented by mr W last updated on 21/Apr/23
$${i}\:{can}'{t}\:{find}\:{a}\:{closed}\:{formula}\:{for} \\ $$$${r}_{{n}} \:{and}\:\underset{{n}=\mathrm{1}} {\overset{\infty} {\sum}}{r}_{{n}} . \\ $$