Ii
MATU • Algebra
MATU_FACT_142
Solving Problems in Algebra and Trigonometry Litvinenko Mordkovich
Enunciado
Demuestre la identidad:
$$ \left(x - \frac{1}{x}\right)^2 + \left(x^2 - \frac{1}{x^2}\right)^2 + \dots + \left(x^n - \frac{1}{x^n}\right)^2 = \frac{1}{x^2 - 1} \left(x^{2n+2} - \frac{1}{x^{2n}}\right) - 2n - 1 $$
$$ \left(x - \frac{1}{x}\right)^2 + \left(x^2 - \frac{1}{x^2}\right)^2 + \dots + \left(x^n - \frac{1}{x^n}\right)^2 = \frac{1}{x^2 - 1} \left(x^{2n+2} - \frac{1}{x^{2n}}\right) - 2n - 1 $$
Solución Paso a Paso
1. Expansión de los términos:
Cada término de la suma tiene la forma $(x^k - x^{-k})^2$. Al desarrollar el cuadrado de un binomio obtenemos:
$$ \left(x^k - \frac{1}{x^k}\right)^2 = (x^k)^2 - 2(x^k)\left(\frac{1}{x^k}\right) + \left(\frac{1}{x^k}\right)^2 = x^{2k} - 2 + x^{-2k} $$
2. Estructura de la suma:
La suma total $S$ se puede separar en tres sumatorias distintas:
$$ S = \sum_{k=1}^n \left( x^{2k} - 2 + x^{-2k} \right) = \sum_{k=1}^n x^{2k} - \sum_{k=1}^n 2 + \sum_{k=1}^n x^{-2k} $$
3. Cálculo de cada sumatoria:
$$ S_1 = \frac{x^2((x^2)^n - 1)}{x^2 - 1} = \frac{x^{2n+2} - x^2}{x^2 - 1} $$
$$ S_2 = 2n $$
$$ S_3 = \frac{x^{-2}(1 - (x^{-2})^n)}{1 - x^{-2}} = \frac{\frac{1}{x^2}(1 - x^{-2n})}{\frac{x^2 - 1}{x^2}} = \frac{1 - x^{-2n}}{x^2 - 1} $$
4. Combinación de resultados:
Sustituimos $S_1, S_2$ y $S_3$ en la expresión de $S$:
$$ S = \frac{x^{2n+2} - x^2}{x^2 - 1} - 2n + \frac{1 - x^{-2n}}{x^2 - 1} $$
Combinamos las fracciones con el mismo denominador:
$$ S = \frac{x^{2n+2} - x^2 + 1 - x^{-2n}}{x^2 - 1} - 2n $$
Separamos inteligentemente los términos en el numerador:
$$ S = \frac{x^{2n+2} - x^{-2n} - (x^2 - 1)}{x^2 - 1} - 2n $$
$$ S = \frac{x^{2n+2} - x^{-2n}}{x^2 - 1} - \frac{x^2 - 1}{x^2 - 1} - 2n $$
$$ S = \frac{1}{x^2 - 1} \left(x^{2n+2} - \frac{1}{x^{2n}}\right) - 1 - 2n $$
Resultado final:
$$ \boxed{S = \frac{1}{x^2 - 1} \left(x^{2n+2} - \frac{1}{x^{2n}}\right) - 2n - 1} $$
Cada término de la suma tiene la forma $(x^k - x^{-k})^2$. Al desarrollar el cuadrado de un binomio obtenemos:
$$ \left(x^k - \frac{1}{x^k}\right)^2 = (x^k)^2 - 2(x^k)\left(\frac{1}{x^k}\right) + \left(\frac{1}{x^k}\right)^2 = x^{2k} - 2 + x^{-2k} $$
2. Estructura de la suma:
La suma total $S$ se puede separar en tres sumatorias distintas:
$$ S = \sum_{k=1}^n \left( x^{2k} - 2 + x^{-2k} \right) = \sum_{k=1}^n x^{2k} - \sum_{k=1}^n 2 + \sum_{k=1}^n x^{-2k} $$
3. Cálculo de cada sumatoria:
- Primera suma ($\sum x^{2k}$): Es una progresión geométrica con primer término $a = x^2$ y razón $r = x^2$.
$$ S_1 = \frac{x^2((x^2)^n - 1)}{x^2 - 1} = \frac{x^{2n+2} - x^2}{x^2 - 1} $$
- Segunda suma ($\sum 2$): Es una suma constante de $n$ términos.
$$ S_2 = 2n $$
- Tercera suma ($\sum x^{-2k}$): Es una progresión geométrica con $a = x^{-2}$ y $r = x^{-2}$.
$$ S_3 = \frac{x^{-2}(1 - (x^{-2})^n)}{1 - x^{-2}} = \frac{\frac{1}{x^2}(1 - x^{-2n})}{\frac{x^2 - 1}{x^2}} = \frac{1 - x^{-2n}}{x^2 - 1} $$
4. Combinación de resultados:
Sustituimos $S_1, S_2$ y $S_3$ en la expresión de $S$:
$$ S = \frac{x^{2n+2} - x^2}{x^2 - 1} - 2n + \frac{1 - x^{-2n}}{x^2 - 1} $$
Combinamos las fracciones con el mismo denominador:
$$ S = \frac{x^{2n+2} - x^2 + 1 - x^{-2n}}{x^2 - 1} - 2n $$
Separamos inteligentemente los términos en el numerador:
$$ S = \frac{x^{2n+2} - x^{-2n} - (x^2 - 1)}{x^2 - 1} - 2n $$
$$ S = \frac{x^{2n+2} - x^{-2n}}{x^2 - 1} - \frac{x^2 - 1}{x^2 - 1} - 2n $$
$$ S = \frac{1}{x^2 - 1} \left(x^{2n+2} - \frac{1}{x^{2n}}\right) - 1 - 2n $$
Resultado final:
$$ \boxed{S = \frac{1}{x^2 - 1} \left(x^{2n+2} - \frac{1}{x^{2n}}\right) - 2n - 1} $$